Ça va souvent sans mentionner que les protons, les particules de matière chargées positivement au centre des atomes, font partie de l’antimatière.

On apprend à l’école qu’un proton est un faisceau de trois particules élémentaires appelées quarks – deux quarks «up» et un quark «down», dont les charges électriques (+2/3 et −1/3, respectivement) se combinent pour donner le proton sa charge de +1. Mais cette image simpliste passe sous silence une histoire bien plus étrange et non encore résolue.

En réalité, l’intérieur du proton tourbillonne avec un nombre variable de six types de quarks, leurs homologues d’antimatière de charge opposée (antiquarks) et des particules de «gluon» qui lient les autres, se transforment en eux et se multiplient facilement. D’une manière ou d’une autre, le tourbillon du maelström se retrouve parfaitement stable et superficiellement simple – imitant, à certains égards, un trio de quarks. «Comment tout cela fonctionne, c’est franchement quelque chose d’un miracle», a déclaré Donald Geesaman, physicien nucléaire au Laboratoire national d’Argonne dans l’Illinois.

Il y a trente ans, les chercheurs ont découvert une caractéristique frappante de cette «mer de protons». Les théoriciens s’attendaient à ce qu’il contienne une répartition uniforme de différents types d’antimatière; au lieu de cela, les antiquarks semblent être nettement plus nombreux que les antiquarks. Puis, une décennie plus tard, un autre groupe a vu des indices de variations déroutantes dans le rapport de l’antiquark down-to-up. Mais les résultats étaient à la limite de la sensibilité de l’expérience.

Ainsi, il y a 20 ans, Geesaman et un collègue, Paul Reimer, se sont lancés dans une nouvelle expérience pour enquêter. Cette expérience, appelée SeaQuest, est enfin terminée et les chercheurs rapportent leurs conclusions dans la revue La nature. Ils ont mesuré l’antimatière interne du proton plus en détail que jamais auparavant, constatant qu’il y a, en moyenne, 1,4 antiquarks en panne pour chaque antiquark en place.

Illustration: Samuel Velasco / Quanta Magazine

Les données favorisent immédiatement deux modèles théoriques de la mer de protons. «Il s’agit de la première véritable preuve à l’appui de ces modèles qui sont sortis», a déclaré Reimer.

Le premier est le modèle du «nuage de pions», une approche populaire vieille de plusieurs décennies qui met l’accent sur la tendance du proton à émettre et à réabsorber des particules appelées pions, qui appartiennent à un groupe de particules appelées mésons. L’autre modèle, le modèle dit statistique, traite le proton comme un récipient rempli de gaz.

Les futures expériences prévues aideront les chercheurs à choisir entre les deux images. Mais quel que soit le modèle qui convient, les données concrètes de SeaQuest sur l’antimatière interne du proton seront immédiatement utiles, en particulier pour les physiciens qui écrasent des protons ensemble à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans le grand collisionneur de hadrons d’Europe. Lorsqu’ils savent exactement ce qu’il y a dans les objets en collision, ils peuvent mieux traverser les débris de collision à la recherche de preuves de nouvelles particules ou d’effets. Juan Rojo de l’Université VU d’Amsterdam, qui aide à analyser les données du LHC, a déclaré que la mesure SeaQuest «pourrait avoir un impact important» sur la recherche d’une nouvelle physique, qui est actuellement «limitée par notre connaissance de la structure du proton, en particulier de sa teneur en antimatière. . »

Compagnie des Trois

Pendant une brève période il y a environ un demi-siècle, les physiciens pensaient avoir trié le proton.

En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig ont proposé indépendamment ce que l’on a appelé le modèle des quarks – l’idée que les protons, les neutrons et les particules plus rares apparentées sont des faisceaux de trois quarks (comme Gell-Mann les a surnommés), tandis que les pions et autres mésons sont composé d’un quark et d’un antiquark. Le schéma donnait un sens à la cacophonie des particules pulvérisées à partir d’accélérateurs de particules à haute énergie, car leur spectre de charges pouvait tous être construit à partir de combos en deux et trois parties. Puis, vers 1970, les chercheurs de l’accélérateur SLAC de Stanford semblèrent triomphalement confirmer le modèle de quark lorsqu’ils tirèrent des électrons à grande vitesse sur des protons et virent les électrons ricocher sur les objets à l’intérieur.