Les physiciens découvrent un monde quantique caché à l’intérieur du proton – et il est plus étrange que nous le pensions

(Image : Collision inélastique profonde entre un électron relativiste et un proton. Lors d’une collision inélastique profonde avec un proton, un électron relativiste (en bleu) peut émettre un photon de haute énergie (en violet ici) qui pénètre à l’intérieur du proton, où il ne " voit " qu’une fraction des quarks, gluons et particules virtuelles enchevêtrés. Le proton excité se désintègre ensuite en cascades de particules secondaires.)

Les protons sont loin d’être des particules simples – ce sont des chaudrons bouillonnants de quarks, de gluons et d’intrication quantique.

Les scientifiques ont utilisé cette intrication pour développer un modèle universel expliquant comment les particules émergent des collisions à haute énergie. Leurs prédictions correspondent aux données expérimentales passées, et les futurs collisionneurs mettront leur théorie à l’épreuve ultime, remodelant potentiellement notre compréhension de la physique nucléaire.

Regarder à l’intérieur du proton

L’intérieur d’un proton est l’un des domaines les plus dynamiques mais aussi les plus insaisissables de la physique. Dans cette minuscule particule, les quarks et les gluons interagissent dans une mer en perpétuel changement de particules virtuelles. Aujourd’hui, en utilisant la théorie de l’information quantique et le concept d’intrication quantique, les scientifiques ont développé un nouveau cadre pour décrire ces interactions avec une clarté sans précédent.

Pour la première fois, cette approche explique avec succès les données de toutes les expériences disponibles impliquant la diffusion de particules secondaires lors de collisions inélastiques profondes entre électrons et protons. Cette percée est le fruit d’une équipe internationale de théoriciens du Brookhaven National Laboratory (BNL) et de l’Université de Stony Brook (SBU) à New York, de l’Universidad de las Américas Puebla (UDLAP) au Mexique et de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie.

Comment étudions-nous l’intérieur du proton ?

" Si nous voulons comprendre les phénomènes qui se produisent à l’intérieur d’un proton, nous devons d’abord y accéder d’une manière ou d’une autre. Actuellement, les collisions entre protons et électrons sont la meilleure façon de le faire, car ces derniers sont non seulement beaucoup plus petits que les protons, mais surtout, ce sont des particules élémentaires, ce qui nous garantit qu’ils ne se désintégreront pas en autre chose ", explique le professeur Krzysztof Kutak (IFJ PAN), l’un des auteurs de l’article publié dans Reports on Progress in Physics.

Une mer de quarks et de gluons

Le proton n’est pas une particule élémentaire. Dans les termes les plus simples, on suppose qu’il est constitué de trois quarks de valence (deux quarks up et un quark down) " collés " par des gluons, c’est-à-dire des particules porteuses de l’interaction forte. Ces interactions sont si puissantes qu’à l’intérieur du proton, des paires de quarks virtuels et d’anti-quarks (même aussi massifs que le quark charm) et des paires de gluons virtuels (ce qui est possible car ces particules sont leurs propres antiparticules) apparaissent et disparaissent constamment.

L’intrication quantique dans le proton

Dans la recherche décrite ici, l’hypothèse clé était que, malgré la taille extrêmement réduite du proton, les quarks et les gluons qui le composent – collectivement appelés partons – sont intriqués quantiquement. On parle d’intrication entre objets quantiques lorsque les valeurs d’une propriété d’un objet réagissent aux changements de cette propriété dans un autre objet, même si l’information sur ce changement n’a pas eu le temps d’être transmise entre eux par un quelconque support se déplaçant dans l’espace.

" Dans le cas de l’intérieur du proton, l’intrication se produit à des distances difficiles à imaginer, de l’ordre d’un quadrillionième de mètre ou moins, et c’est une propriété collective. Comme nous l’avons montré dans nos publications précédentes, elle affecte non pas quelques partons, mais tous les partons du proton ", explique le professeur Martin Hentschinski (UDLAP).

Le rôle des collisions à haute énergie

Lorsque, dans une tentative d’explorer l’intérieur maximalement intriqué d’un proton, un électron le frappe, une interaction électromagnétique se produit entre les deux particules, dont le vecteur est un photon. Dans les collisions inélastiques profondes, l’énergie du photon échangé est si élevée que l’onde électromagnétique associée commence à " s’insérer " à l’intérieur du proton et à " voir " les détails de sa structure interne.

À la suite de l’interaction avec le photon, le proton peut ensuite se désintégrer en produisant de nombreuses particules secondaires. L’intrication se manifestera ici par le fait que le nombre de particules secondaires émises par la partie du proton " vue " par le photon déterminera le nombre de particules produites sous forme de hadrons observés.

Mesurer l’intrication avec l’entropie

" C’est ainsi que nous arrivons au concept d’entropie, qui est particulièrement important dans l’étude des systèmes hautement complexes et en information quantique. Si, grâce aux collisions inélastiques profondes, nous avions accès à l’intégralité de l’information sur l’intrication dans le proton, nous pourrions parler d’une entropie d’intrication nulle."

Cependant, un photon pénétrant à l’intérieur d’un proton ne " voit " qu’une partie de l’intérieur du proton, le reste lui reste caché – ce qui signifie que l’entropie d’intrication est non nulle. Nous avons donc une mesure pratique de la quantité d’intrication dans le proton », explique le professeur Dmitri Kharzeev (SBU, BNL).

Confirmation expérimentale et analyse des données

Dans l’article en question, l’équipe internationale de physiciens a prouvé que, sur la base de l’entropie d’intrication, il est possible de prédire l’entropie des hadrons produits lors d’une collision électron-proton. En conséquence, l’intrication maximale des quarks et des gluons dans un proton se manifeste par l’impossibilité de déterminer combien de particules seront produites lors d’une collision particulière. Ces prédictions ont maintenant été vérifiées pour toutes les variantes des mesures effectuées en 2006-2007 dans l’expérience H1 au collisionneur de particules HERA du centre DESY à Hambourg, où des protons uniques entraient en collision avec des positrons, les antiparticules des électrons.

" Nous travaillons sur l’intrication à l’intérieur du proton depuis plusieurs années. Alors que nous avons vérifié nos travaux théoriques précédents en les confrontant aux mesures de sessions spécifiques, nous avons maintenant réussi à décrire toutes les données expérimentales d’entropie de diffusion inélastique profonde dans un formalisme universel unique ", souligne le Dr. Zhoudunming Tu (BNL).

Les futurs collisionneurs et les nouvelles découvertes

L’équipe de physiciens impliquée dans le projet anticipe que c’est le formalisme généralisé qui permettra une interprétation plus facile et plus précise des mesures des futurs collisionneurs, comme le Collisionneur Électron-Ion (EIC), qui sera lancé au laboratoire de Brookhaven au début de la prochaine décennie. Là, les électrons entreront en collision non seulement avec des protons individuels, mais aussi avec des ions. Combinée à de nouvelles données expérimentales, l’approche théorique proposée devrait alors aider à résoudre des problèmes importants de la physique nucléaire moderne.

Une nouvelle voie en physique nucléaire

" Aujourd’hui, nous avons une forte indication que notre nouveau formalisme prenant en compte l’entropie d’intrication n’est pas corrélé au hasard avec une méthode particulière de mesure des phénomènes nucléaires, mais qu’il a une réelle capacité à expliquer la nature des événements observés. Nous sommes convaincus qu’en étudiant l’entropie d’intrication, nous pourrons mieux comprendre comment les interactions fortes lient les quarks et les gluons dans les protons ou répondre à la question de savoir comment l’appartenance à un noyau atomique plus large affecte les propriétés d’un seul proton ", conclut le professeur Kutak.