Si vous demandez combien pèse un objet comme un vélo, la réponse est simple. Mais si vous demandez où est la masse d’un vélo, les choses deviennent plus complexes. Le vélo comporte de nombreuses pièces, dont certaines sont mobiles, qui ont toutes des volumes, des formes et des densités différents, de sorte que sa masse est répartie de manière irrégulière autour de sa forme.
Dans une certaine mesure, cela ressemble à la question de savoir où se trouve la masse d’un proton. Le proton est un ensemble de quarks et de gluons se déplaçant à des vitesses relativistes autour d’un point central. Déterminer où vit sa masse serait difficile même sans le fait que l’analogie avec les bicyclettes s’effondre complètement en raison d’un fait gênant : un proton pèse beaucoup plus que ses quarks composants, et les gluons qui maintiennent les quarks ensemble sont sans masse. En fait, la masse des particules impliquées est quelque peu hors de propos. « Si vous faites des calculs où vous réglez la masse du quark à zéro, le proton est à peu près la même chose », a déclaré le physicien Sylvester Johannes Joosten à Ars.
Au lieu de cela, une grande partie de la masse du proton provient de la densité d’énergie incroyablement élevée créée par les fortes interactions de force des gluons. Ainsi, pour comprendre la masse d’un proton, nous devons comprendre ce que font ses gluons. Ce qui, étant donné qu’ils sont sans masse et sans charge, est extrêmement difficile à faire. Mais certains travaux expérimentaux ont créé une valeur pour le rayon de masse du proton, qui décrit la distribution de la masse au sein de la particule. Et il s’avère que la valeur est significativement différente du rayon de charge du proton.
Renifler des gluons
Sans masse ni charge, les gluons sont très difficiles à détecter ; nous déduisons principalement où ils doivent avoir été par les débris qu’ils contribuent à créer dans les collisions de particules. Dans une certaine mesure, nous pouvons modéliser leur comportement, mais cela est principalement décrit par la chromodynamique quantique, qui est légendaire pour sa capacité à mettre à genoux de vastes ressources de calcul. Ainsi, même les meilleurs modèles de comportement des gluons dont nous disposons sont des approximations.
Si la masse d’un proton dépend principalement de ses gluons, alors, et nous ne pouvons pas dire ce que font les gluons, comment pouvons-nous savoir ce qui se passe ?
L’astuce consistait à identifier un processus détectable, mais sensible à la présence de gluons. Ce processus est la conversion de l’énergie (sous forme de lumière) en matière. Plus précisément, un photon avec une énergie suffisante peut être converti en ce qu’on appelle un méson J/ψ, composé d’un quark charmé et d’un antiquark charmé par un processus sensible à la configuration des gluons dans les protons à proximité. En mesurant la production de mésons J/ψ, il est possible de déterminer ce qu’on appelle les facteurs de forme gravitationnels gluoniques, qui décrivent où se trouve la masse dans le proton.
La façon dont nous procédons est presque aussi compliquée que la description du processus dans le paragraphe ci-dessus. Cela commence par un faisceau d’électrons à haute énergie, produit au Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Ces électrons sont ensuite claqués dans une cible en cuivre. Cela les fait décélérer rapidement et l’énergie qu’ils perdent est libérée sous la forme de photons de haute énergie.
Ces photons sont ensuite envoyés à travers une chambre qui contient une cuve d’hydrogène liquide. Lors du transit dans la cuve, certains des photons seront convertis en mésons J/ψ qui se désintégreront ensuite rapidement. Deux des produits de cette désintégration sont un électron et un positron, qui peuvent être captés par des détecteurs, permettant d’enregistrer la production des mésons J/ψ. Sur la base de ces détections, il est possible de revenir en arrière et de comprendre les facteurs de forme gravitationnels gluoniques.
(Notez que je n’essaie même pas de trouver une analogie pour les facteurs de forme gravitationnels gluoniques qui vous aideraient à les comprendre. Ils sont décrits dans l’article comme « les éléments matriciels du tenseur énergie-impulsion du proton et codent la mécanique propriétés du proton, alors que l’anomalie de trace du tenseur énergie-impulsion est un élément clé de l’origine de la masse selon la chromodynamique quantique. gluons et masse.)