Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

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.

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.