16 décembre 2015
Nouvelles structures périodiques dans la production d’un couple proton-antiproton par annihilation électron-positron

L’expérience BABAR au SLAC a publié des mesures de section efficace pour la réaction d’annihilation électron-positron en proton-antiproton. Ces données, exprimées en termes de facteur de forme temporel du proton, ont été ré-analysées en fonction de l’impulsion relative des particules sortantes (Phys.Rev.Lett. 114 - 2015). Des structures périodiques, régulières, ont été mises en évidence, comme dans un phénomène d’interférence entre deux sources. L’une des sources provient d’une région spatiale dix fois plus petite que la dimension du proton et porte l’information sur la transition du « vide » à la matière.

 

Figure 1: Production d’un couple antiproton-proton par annihilation électron-positron, après émission d’un photon.

Annihilation électron-positron dans « le rien » quantique

Annihilation : du latin « nihil » qui signifie « rien » : le rien dont il est question ici et le vide. Mais il ne s’agit pas de vide absolu : le vide quantique, un vide qui a des propriétés bien spécifiques et pas complétement comprises. L’électron, sans structure,  possède une faible masse, 2000 fois plus léger qu’un proton. L’annihilation dont il est question ici engendre un photon de lumière, de l’énergie électromagnétique : l’énergie nécessaire pour créer un couple proton-antiproton correspond au moins à deux fois la masse du proton. Le principe d’indétermination de Heisenberg nous apprend qu’une violation de la conservation de l’énergie peut avoir lieu pendent un temps très court. De ce vide peuvent jaillir des couples de muons, plus lourds que les électrons, mais aussi sans structure, ou bien des couples quarks-antiquarks.

 Si la probabilité de créer des quarks est grande, la probabilité que ces quarks forment un couple proton-antiproton est faible, de plus en plus faible que l’énergie est grande. Cette probabilité peut être assimilée à la réalisation d’une rare fluctuation de la fonction d’onde du proton et de l’antiproton, où les trois quarks et les trois antiquarks qui les forment se trouvent dans une région spatiale de dimension bien plus petite que d’ordinaire, inversement proportionnelle à l’énergie de la collision. Une règle statistique (« quark counting rule »), qui ne requiert pas une connaissance détaillée des processus sous-jacents, permet d’appréhender cette probabilité. Les déviations à cette règle sont au centre de la recherche, car elles apportent des informations sur l’interaction de la chromodynamique quantique (QCD) qui régit l’interaction entre quarks avec la structure visible du proton et le vide. La QCD indique une structure plutôt complexe de l’espace vide. D’un certain point de vue il est plus plein que l’intérieur du proton. Le proton peut être assimilé à une modification localisée des propriétés du vide, plutôt qu’une particule « dans le vide ». Par contre, le proton voit l’interaction électromagnétique comme une petite perturbation. En ce sens, le facteur de forme temporel peut être considéré un « espion »  très sensible aux propriétés du vide QCD, ou, plutôt, aux modalités de la transition du vide à la matière.

 

Figure 2
(a) Facteur de forme temporel, reporté en fonction de l’impulsion relative du couple proton-antiproton, p, mesuré par BABAR [1]. La courbe bleue est une prédiction de la chromodynamique quantique, la courbe noire est la modélisation qui prend en compte les oscillations. (b) Différence entre les points expérimentaux et la courbe bleue du haut. La courbe rouge reproduit les oscillations amorties.

L’observation et la méthode

L’expérience BABAR, au SLAC, à laquelle l’Irfu a participé, est arrêtée depuis le 7 avril 2008, mais le grand volume des données stimule toujours des idées d’analyse. BABAR a publié en 2014 [1] des mesures de section efficace pour la réaction d’annihilation électron-positron avec production d’un couple proton-antiproton (Figure 1). Ces résultats, uniques par le nombre de points, leur précision et continuité sur un grand domaine cinématique ont permis de mettre en évidence des structures du facteur de forme du proton.  Dans une publication récente [2], ces données ont été réorganisées en fonction d’une autre variable, l’impulsion relative du couple proton-antiproton, p, au lieu de la variable usuelle, q2. Ces structures deviennent alors régulières sur l’ensemble des données disponibles. Une simple procédure permet de le mettre en évidence : après soustraction  d’un fond physique qui transcrit la structure en trois quarks d’un proton (ou antiproton), prédit par QCD, on obtient des oscillations amorties, bien régulières comme dans un phénomène d’interférence entre deux sources (Figure 2).

 L’impulsion et la position sont des variables dites ‘conjuguées’ : par une transformation (la transformée de Fourier) on peut démontrer que la périodicité observée de l’ordre de 1.1 GeV correspond à des structures spatiales de la dimension de 0.2 fm (ou temporelles, de l’ordre de 0.2 fm/c). C’est un paramètre énigmatique : la région où le premier couple quark-antiquark est créée a des dimensions inférieures à 0.1 fm, alors que le proton final a un rayon dix fois plus grand.

 Nous pouvons estimer qu’une interférence ait lieu entre un petit nombre de configurations possibles, sinon on ne pourrait pas reproduire des oscillations régulières. Dans ce sens, les données de BABAR contiennent la signature de l’étape de la formation de la matière, suite à l’annihilation électron-positron.

 Peut-on mettre en évidence des indices similaires dans d’autres systèmes ? Le collisionneur BEPCII en Chine avec son détecteur BESIII fournira bientôt des donnés précises au seuil de réaction. L’expérience PANDA sondera la réaction liée par renversement de temps : l’annihilation proton-antiproton en électron-positron. Peut-on prédire des conséquences pour la région espace, observables à JLab? Suite à notre publication, plusieurs groupes et théoriciens se penchent sur l’origine des sources possibles et des mécanismes sous-jacents.

 

 

Facteurs de forme spatial et temporel

L’échange d’information entre (anti)proton (sonde hadronique : hadron : particule assujettie à l’interaction forte) et électron (sonde leptonique : lepton : particule assujettie à l’interaction électromagnétique) peut être modélisée par l’échange d’un photon.  On peut imaginer que le photon agit en microscope : plus grande est l’impulsion transférée, plus le photon « voit » des petits détails de la structure électromagnétique à l’intérieur du proton.

L’interaction photon-hadron se paramètre de façon pratique en termes de «  facteurs de forme ». Le facteur de forme électromagnétique spatial apparaît quand une onde électromagnétique interagit avec une structure complexe. Si la structure est composée de charges élémentaires, ces charges peuvent se séparer ou rester compactes. Le facteur de forme F est l’amplitude de probabilité de retrouver la structure intacte après l’interaction. Le facteur de forme spatial du proton est mesuré dans la diffusion élastique électron proton. Si P est la probabilité qu’un électron diffuse sur une particule chargée et ponctuelle, PF2 est la probabilité que la même interaction ait lieu dans la collision sur un proton, en laissant le proton intact dans l’état final. F nous donne de précieuses informations sur le proton comme le rayon de charge électrique et magnétique.

En mécanique quantique relativiste, les particules peuvent se convertir en d’autres particules, et c’est dans ce contexte qu’on définit le facteur de forme électromagnétique temporel du proton. La réaction d’intérêt ici n’est pas une diffusion mais l’annihilation d’un électron avec son antiparticule, le positron. A l’instant de l’annihilation cette énergie électromagnétique se concentre dans un « point » de l’espace, une région très petite par rapport à la dimension du proton.  L’annihilation fait disparaître particule et antiparticule dans le vide, mais cette localisation d’énergie introduit une excitation du vide, destinée à se convertir en un couple proton-antiproton. Le champ électromagnétique intense peut se convertir en un ensemble de particules détectables, ponctuelles et stables comme le muon ou bien composites, comme les mésons ou les protons. Le facteur de forme temporel du proton est associé à l’amplitude quantique de probabilité que l’état final consiste en un couple proton-antiproton. Si P est la probabilité de produire exclusivement une paire de particules ponctuelles, PF2 est la probabilité  de produire exclusivement un couple proton antiproton. Ici le facteur de forme porte une information  sur la dynamique de l’évolution dans le temps, plutôt qu’une instantanée des structures présentes.

 

Références :

[1] J. P. Lees et al. (BaBar Collaboration), Phys. Rev. D87, 092005 (2013), 1302.0055.

[2] Andrea Bianconi, Egle Tomasi-Gustafsson, Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 23, 232301.

 

Contact: Egle Tomasi-Gustafsson

 

Maj : 18/12/2015 (3691)

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