STAR bouscule le modèle quarkique du proton

Les collisions étudiées par STAR mettent à l’épreuve les modèles du proton centrés sur les quarks

Lorsqu’ils entrent en collision à très haute énergie, les noyaux atomiques font se percuter les quarks de leurs protons. Le nombre baryonique, propriété caractéristique des protons et des neutrons, se conserve : il doit donc se retrouver quelque part après le choc. Dans deux tests publiés le 13 août 2026 dans Science, la collaboration STAR, auprès d’un collisionneur américain, a constaté que ce nombre ne suit pas le trajet prédit par les modèles qui l’associent aux quarks incidents (Science). Le 6 octobre, Nature a présenté ces travaux comme la preuve expérimentale la plus solide à ce jour que le nombre baryonique pourrait plutôt être porté par une structure du champ de gluons (Nature).

Un registre qui doit toujours s’équilibrer

Le nombre baryonique se comporte comme un registre que même une collision ne peut déséquilibrer. Un proton ou un neutron compte pour +1, un antiproton pour −1 et chaque quark pour un tiers : les trois quarks de valence d’un proton totalisent donc une unité (Science). Ce calcul simple fait des quarks les détenteurs les plus évidents de cette propriété.

Les gluons, qui transmettent l’interaction forte, maintiennent les quarks ensemble, un peu comme des cordes élastiques reliant trois billes. On peut représenter le champ de gluons qui relie les trois quarks d’un proton par trois filaments se rejoignant en un même point, à la manière de la lettre Y (Brookhaven).

Certains théoriciens avancent que le nombre baryonique est porté par ce point de rencontre, appelé jonction, plutôt que par les quarks auxquels aboutissent ses branches. Si cette hypothèse est juste, une collision peut dissocier le trajet de cette propriété de celui des quarks initiaux.

La charge électrique comme traceur

Distinguer ces deux interprétations est difficile, car les branches de la jonction aboutissent toujours à des quarks. STAR, vaste collaboration qui réunit aussi plusieurs universités européennes (PubMed), a donc utilisé la charge électrique comme traceur : les quarks sont chargés, les gluons ne le sont pas.

L’équipe a comparé les collisions de deux noyaux presque jumeaux. Le ruthénium-96 et le zirconium-96 contiennent chacun 96 nucléons (protons et neutrons), mais le ruthénium compte 44 protons contre 40 pour le zirconium. STAR a enregistré environ deux milliards de collisions de chaque isotope en 2018 (STAR). Leur nombre total de nucléons est identique, mais leur charge électrique diffère : tout écart entre la répartition finale des baryons et celle de la charge devrait ainsi apparaître.

STAR a ensuite mesuré, entre les deux types de collisions, l’écart de nombre baryonique parvenu au centre et celui de la charge qui y arrivait. L’équipe a normalisé le rapport de façon que sa valeur soit exactement de 1 si le nombre baryonique suivait uniquement les quarks incidents. Dans les collisions les plus frontales, STAR a mesuré 1,84 (STAR paper). La principale source d’incertitude tient aux neutrons, invisibles pour le détecteur, que l’équipe a dû estimer. Malgré cette incertitude, le nombre baryonique qui atteint le centre dépasse largement ce que la charge peut expliquer.

Une seconde collision va dans le même sens

Le second test portait sur des noyaux d’or et un type de collision moins violent. STAR a isolé les événements où un photon, particule de lumière, issu d’un noyau frappait l’autre, puis a mesuré comment l’excédent de protons sur les antiprotons se répartissait le long de l’axe du faisceau. Les simulations habituelles prédisaient une distribution plus marquée, davantage décalée dans le sens de propagation. Le profil mesuré correspondait à la fourchette attendue si les jonctions transportent le nombre baryonique (STAR paper). Cet échantillon permettait de comparer à la théorie la forme de la distribution, mais pas le nombre absolu de protons.

Des physiciens extérieurs à l’équipe appellent toutefois à la prudence. Chun Shen a déclaré à Science News que les résultats favorisaient l’hypothèse des jonctions sans constituer encore une « preuve irréfutable », tandis que Zi-Wei Lin a rappelé que la jonction est elle-même une connexion impliquant des quarks : parler de « gluons plutôt que de quarks » exagère donc le contraste (Science News).

Un test plus discriminant pourrait être mené au futur Electron–Ion Collider. Une proposition évaluée par les pairs en 2024 envisageait de comparer le déplacement du nombre baryonique et celui de la charge, à l’aide de cibles de ruthénium et de zirconium (EPJ C).

On infère la jonction à partir des débris de collision, sans l’avoir jamais observée directement. Les deux tests de STAR s’écartent des modèles où le nombre baryonique suit uniquement les quarks incidents. Toute explication de la manière dont le proton conserve son identité lors d’une collision doit désormais rendre compte de cet écart.