Le proton ne peut pas être vu comme une simple boule. Si on le frappe avec un photon, il peut absorber de l'énergie et passer dans un état excité — comme une cloche qui se met à sonner à une certaine fréquence après avoir été frappée. Ces états sont appelés résonances nucléoniques, et ils vivent très peu de temps avant de se désintégrer en d'autres particules.
Dans ce nouveau travail, les physiciens ont étudié la réaction dans laquelle un photon (particule de lumière) entre en collision avec un proton et produit un méson η' (particule composée d'un quark et d'un antiquark) ainsi qu'un proton. Ils ont mesuré ce qu'on appelle l'asymétrie du faisceau de photons — la différence dans le nombre d'événements selon la polarisation (direction de rotation) du photon. Pour la première fois, des données ont été obtenues à des énergies de photon supérieures à 1.84 GeV. De plus, ils ont obtenu les sections efficaces différentielles les plus précises à ce jour — c'est-à-dire la fréquence à laquelle les particules sont émises sous différents angles — en particulier aux angles très arrière, lorsque le η' vole presque vers l'arrière par rapport à la direction du photon.
Ces données ont permis d'affiner les amplitudes de diffusion — des quantités mathématiques qui décrivent comment les particules interagissent. L'analyse a montré que le couplage du système η' et du proton avec la résonance N(2250) pourrait être plus fort qu'on ne le pensait auparavant. N(2250) est un état excité du proton avec une masse d'environ 2250 MeV (environ 2.4 fois plus lourd qu'un proton ordinaire). Un couplage plus fort signifie que cette résonance joue un rôle plus important dans la production de mésons η'.
Pour comprendre à quel point ces effets sont petits, imaginez : l'énergie du photon de 1.84 GeV est à peu près l'énergie nécessaire pour soulever 1 milligramme à une hauteur de 1 nanomètre. Et la section efficace de la réaction — la probabilité de collision — est d'environ 1 microbarn, ce qui est un milliard de fois plus petit que la section transversale d'un atome. De telles mesures nécessitent une énorme statistique et des détecteurs précis.
La résonance N(2250) est l'un des états excités du proton les plus lourds connus, sa masse est presque 2.4 fois celle de la masse au repos du proton.
Dans la série « Star Trek », on mentionne souvent les « fréquences de résonance » pour déstabiliser des objets — en physique réelle, les résonances des particules nous aident à regarder à l'intérieur de la matière.