Une étude américaine sur les collisions d'ions lourds révèle : les protons et les neutrons ne seraient pas seulement « trois quarks »

La collaboration STAR, menée sur le collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis, a récemment proposé, à partir de données sur les collisions d'ions lourds, que les baryons tels que les protons et les neutrons ne seraient pas simplement constitués de trois quarks de valence, et que leur nombre baryonique serait davantage lié à la « connexion baryonique » dans le champ de gluons. Ces résultats ont été publiés dans la revue *Science*.

Dans le modèle traditionnel des quarks de valence, chaque quark se voit attribuer un nombre baryonique de 1/3, et les baryons composés de trois quarks, comme les protons et les neutrons, possèdent ainsi un nombre baryonique de +1. Cependant, ce modèle ne constitue pas une exigence fondamentale de la chromodynamique quantique (QCD). Dès les années 1970, des interprétations différentes avaient été proposées par la communauté théorique ; en 1996, Dmitri Kharzeev a proposé un modèle selon lequel le nombre baryonique ne serait pas nécessairement porté par les quarks eux-mêmes, mais pourrait être concentré au niveau du point de connexion en forme de Y formé par le champ de gluons, c'est-à-dire la « connexion baryonique ».

La collaboration STAR a cette fois comparé les prédictions différentes du modèle de connexion baryonique et du modèle de quarks de valence dans les collisions d'ions lourds. Les chercheurs ont analysé les collisions frontales de noyaux d'or, ainsi que les processus de fragmentation nucléaire induits par l'échange de photons virtuels lors de collisions à courte distance. Les résultats montrent que, à mesure que l'énergie du faisceau augmente, le nombre de baryons nets diffusés diminue effectivement, mais à un rythme plus lent que celui prédit par le modèle existant des quarks de valence. Ce phénomène est plus cohérent avec l'image selon laquelle « la connexion baryonique diffuse plus facilement que les quarks de valence ».

L'étude a également comparé les fragments produits par les collisions de noyaux de zirconium-96 et de ruthénium-96. Ces deux types de noyaux possèdent le même nombre de nucléons et le même nombre baryonique, mais des nombres de protons différents, donc des charges différentes. Si le nombre baryonique et la charge se déplaçaient principalement avec les quarks, les résultats des deux types de collisions devraient être raisonnablement prévisibles dans une certaine gamme d'énergie. Cependant, les expériences montrent que l'amplitude du transfert du nombre baryonique est nettement supérieure à celle du transfert de charge, ce qui soutient davantage l'hypothèse selon laquelle « les quarks ne portent pas simultanément le nombre baryonique et la charge ».

Le physicien nucléaire Anselm Vossen, qui n'a pas participé à cette étude, a indiqué que ce résultat est cohérent avec la compréhension globale selon laquelle la structure interne du proton est bien plus complexe que « trois quarks de valence ». Il a souligné que des questions telles que le spin et la masse du proton avaient déjà suggéré l'existence d'une dynamique interne plus riche. L'équipe de recherche espère poursuivre l'analyse des données d'autres expériences de collision à l'avenir et attend avec intérêt des résultats plus précis sur la détection des baryons grâce au collisionneur électron-ion.