Une nouvelle mesure permet d'approfondir l'énigme de la diffusion des électrons
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Pourquoi le plomb se comporte-t-il si différemment de tous les autres noyaux atomiques lorsqu'il est frappé par des électrons ? Une équipe de physiciens de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) a fait un pas important vers la réponse à cette question, avant de découvrir que le mystère est encore plus profond qu'on ne le pensait.
Un nouveau résultat obtenu avec les spectromètres A1 de l'accélérateur MAMI révèle un comportement inattendu des noyaux lourds et ouvre la voie à des tests de précision dans la future installation MESA.
Pourquoi le plomb se comporte-t-il si différemment de tous les autres noyaux atomiques lorsqu'il est frappé par des électrons ? Une équipe de physiciens de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) a franchi une étape importante pour répondre à cette question, et a découvert que le mystère était encore plus profond qu'on ne le pensait. Les résultats ont été publiés dans la prestigieuse revue scientifique Physical Review Letters.
Les électrons se dispersent généralement à partir des noyaux atomiques d'une manière qui peut être prédite avec une précision remarquable. L'une des caractéristiques éprouvées est que l'inversion du spin des électrons entrants devrait modifier légèrement le modèle de diffusion, un effet induit par l'échange de deux "photons virtuels" entre l'électron et le noyau. Pour la plupart des noyaux, la théorie prédit exactement l'ampleur de ce minuscule effet, et des décennies d'expériences ont confirmé ces prédictions. Le plomb, cependant, s'est toujours distingué. Des mesures antérieures effectuées au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du ministère américain de l'énergie ont montré que, pour le plomb, cet effet dépendant du spin semblait disparaître complètement, un résultat qu'aucune théorie existante ne pouvait expliquer.
L'expérience au microtron de Mayence
Dans une nouvelle expérience menée avec les spectromètres A1 à haute résolution du Microtron de Mayence (MAMI), l'équipe de l'université a mesuré le même processus avec une énergie de faisceau et un angle de diffusion différents. Cette fois, l'effet était clairement présent et étonnamment important. Au lieu de résoudre l'anomalie précédente, la nouvelle mesure l'intensifie : le comportement du noyau de plomb change radicalement avec l'énergie, d'une manière que la théorie actuelle ne saisit pas.
"Ce résultat confirme que l'énigme est réelle", déclare le professeur Concettina Sfienti, qui dirige le projet. "Cela signifie qu'il existe une physique inexplorée dans la manière dont les électrons sondent les noyaux lourds, et que nous avons besoin de nouvelles idées théoriques pour la comprendre".
Les travaux ont été menés dans le cadre du Centre de recherche collaborative (CRC) 1660 "Hadrons et noyaux en tant qu'outils de découverte", financé par la Fondation allemande de la recherche (DFG). L'une des principales missions du CRC 1660 est d'utiliser des expériences de précision pour découvrir des effets subtils dans la structure nucléaire qui pourraient ouvrir de nouvelles fenêtres sur le modèle standard de la physique des particules. Le comportement inattendu du plomb apparaît aujourd'hui comme l'un des cas les plus intrigants du CRC, un exemple frappant de la manière dont les mesures de haute précision peuvent révéler des lacunes, même dans une théorie bien établie.
Des implications importantes pour les expériences futures à MESA
Les résultats ont également de fortes implications pour la future expérience P2 au nouvel accélérateur MESA, actuellement en construction sur le campus de Mayence dans le cadre du pôle d'excellence PRISMA++. À MESA, les chercheurs mesureront des effets extrêmement faibles dans la diffusion des électrons afin de tester le modèle standard avec une précision sans précédent. Il est essentiel de comprendre le rôle de l'échange à deux photons dans les noyaux lourds - comme le comportement surprenant observé aujourd'hui dans le plomb - pour atteindre la précision nécessaire au P2. "Avec ce nouveau résultat de MAMI, nous avons une idée beaucoup plus claire de ce qu'il faut comprendre avant de passer au niveau de précision suivant à MESA", explique M. Sfienti. "Ce que nous mesurons aujourd'hui façonne directement la feuille de route de la physique de haute précision de demain.
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