Des gluons impairs cachés dans les protons

L’expérience TOTEM étudie les protons qui restent intacts après les collisions dans le LHC. (Image : Maximilien Brice/CERN)

Nous savons que les protons contiennent des quarks et des gluons. Mais les gluons se comportent-ils comme prévu ?

Des scientifiques de la collaboration TOTEM (expérience de mesure des sections efficaces totales, élastiques et diffractives) ont peut-être décelé dans des collisions proton-proton des signaux indirects d’un composé subatomique du gluon. Théorisé pour la première fois dans les années 1970, cet état, qui a ensuite été surnommé « Odderon », est composé d’un nombre impair de gluons. Il s’agit d’un état inhabituel, les gluons étant normalement observés par paires.

En général, les protons qui entrent en collision dans le LHC volent en éclats et créent de nouvelles particules. Parfois pourtant, dans environ 25 pour cent des cas, ils sortent entiers de ces rencontres. Au lieu de voler en éclats, ils changent seulement de direction et émergent du détecteur à de très petits angles par rapport au tube de faisceau ; leur déviation est de l’ordre d’un millimètre sur une distance de 200 m. Ce type d’interaction est appelé « diffusion élastique » et c’est la spécialité de TOTEM, l’expérience la plus « longue » du CERN. Pour pouvoir détecter les protons rescapés, ses détecteurs sont répartis sur une distance de presque 500 mètres de part et d’autre du point d’interaction de CMS.

Les quarks contenus dans les protons sont tenus ensemble par les gluons, particules porteuses de la force forte. Les physiciens sont parvenus à expliquer la diffusion élastique à faible impulsion à des énergies élevées par l’échange d’un « Pomeron », c’est-à-dire un état de deux gluons associés.

TOTEM a mesuré précisément le processus de diffusion élastique à 13 TeV afin de déterminer la probabilité totale pour les collisions proton-proton ainsi que le paramètre ρ, qui contribue à expliquer la différence entre les diffusions proton-proton et antiproton-proton.

En combinant ces deux mesures, TOTEM trouve une meilleure correspondance avec les modèles théoriques qui indiquent l’échange de trois gluons collés ensembles. Si cet échange a été prédit par la théorie de la chromodynamique quantique (QCD) dans les années 1980 déjà, aucune preuve expérimentale n’a été apportée jusqu’ici.

Les mesures semblent aussi indiquer que l’augmentation de la probabilité totale de diffusion ralentit avec l’augmentation de l’énergie. Même si ce ralentissement était plus ou moins attendu aux énergies les plus hautes, aucune indication dans ce sens n’était apparue dans les données précédentes.

« Ces mesures analysent pour la première fois le comportement des protons dans des interactions élastiques à l’énergie de 13 TeV. Ces résultats, d’une précision record, ont été rendus possibles par l’excellente performance des détecteurs de TOTEM et par les capacités hors norme du Grand collisionneur de hadrons », souligne Simone Giani, porte-parole de TOTEM.

S’il existe bien des associations de trois gluons, celles-ci devraient apparaître dans d’autres expériences sur la diffusion. Les physiciens sont donc dans l’attente d’expériences spécifiques avec lesquelles ils pourront déterminer si des gluons peuvent réellement former un tel composé.