Protons et neutrons changent quand ils se mettent en couple !

Une collaboration internationale impliquant l'Irfu a mis au jour une relation entre la structure interne des nucléons et leur appariement dans le noyau atomique. Cette découverte permettra d'affiner l'interprétation de futures expériences sur les neutrinos et de mieux comprendre la formation d'astres extrêmement denses comme les étoiles à neutrons.

Un nucléon, proton ou neutron, n'a pas la même structure selon qu'il est "libre" ou lié à un noyau atomique. Ce point, observé depuis 35 ans mais encore largement incompris, reste un défi majeur pour les physiciens nucléaires. Par ailleurs, dans un noyau, les nucléons peuvent interagir à très courte portée au sein de paires dites "corrélées".

Pour la première fois, la collaboration Clas (Continuous electron beam accelerator facility Large Acceptance Spectrometer) de Jefferson Lab (États-Unis) dans laquelle l'Irfu est fortement impliqué, a réalisé la mesure simultanée de la modification nucléaire de la structure du nucléon et de l'abondance des corrélations à courte portée dans les noyaux. Elle montre que les nucléons engagés dans des paires corrélées proton-neutron voient tous leur structure modifiée.

Ce résultat implique que, dans les noyaux "lourds", plus riches en neutrons qu'en protons, les protons sont davantage susceptibles que les neutrons d'appartenir à une paire corrélée à courte portée et donc de voir leur structure déformée. Comme les protons sont constitués de deux quarks up et d'un quark down et les neutrons d'un down et de deux up, la distribution des quarks up est davantage modifiée que celle des down.

Cette découverte fondamentale pourrait avoir d'importantes conséquences pour l'interprétation des futures expériences d'oscillations de neutrinos à longue portée comme Dune (Deep Underground Neutrino Experiment). Les neutrinos interagissent en effet préférentiellement avec les quarks down et les antineutrinos avec les up.

Une expérience auprès de l'installation R3B (Reactions with relativistic radioactive beams) à Fair (Facility for Antiproton and Ion Research in Europe), en Allemagne, permettra, dans quelques années, d'étudier les corrélations à courte portée dans les noyaux où le déséquilibre entre neutrons et protons est encore plus grand.

Références publication
Modified structure of protons and neutrons in correlated pairs, The CLAS Collaboration, Nature