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À l'intérieur du noyau, le neutron comprime son nuage de gluons, et pour la première fois, cela a pu être mesuré.
Un neutron enfermé dans un noyau se comporte différemment qu'à l'état libre. Son nuage de gluons, qui maintient les quarks ensemble, se comprime comme un ressort sous charge. Auparavant, on ne pouvait que le supposer, mais désormais, les physiciens ont observé cet effet directement pour la première fois.
Au Laboratoire Jefferson, un faisceau d'électrons frappait du deutérium liquide, extrayant des photons des noyaux. Ces photons produisaient des mésons J/ψ, des particules composées d'un quark charmé et de son antiquark, qui se désintégraient en paires électron-positon. Le détecteur CLAS12 captait ces paires ainsi que le noyau de recul. Un tel méson est produit lorsque le photon éjecte deux gluons du nucléon à la fois, ce qui en fait une sonde idéale du champ gluonique.
Le méson J/ψ est trois fois plus lourd que le proton, et sa production nécessite un photon d'énergie d'au moins 8,2 GeV. C'est comme soulever une lourde pierre pour voir à quelle profondeur elle était enfouie.
En comparant la production de J/ψ sur un neutron lié et sur un proton lié, les scientifiques ont découvert que les sections efficaces coïncident presque. Cela signifie que les champs de gluons sont organisés de la même manière, et que la contribution des mécanismes qui distinguent le proton du neutron est très faible. À partir des sections efficaces différentielles, ils ont extrait les facteurs de forme gluoniques, qui décrivent la distribution des gluons dans l'espace.
Le rayon de masse du nucléon lié s'est avéré être de 0,48 femtomètre, tandis que celui du proton libre est de 0,52 femtomètre. La différence est faible, mais elle indique que dans le noyau, le nuage de gluons se comprime effectivement.
Désormais, les physiciens disposent d'un moyen de sonder l'intérieur du neutron sans l'extraire du noyau. Les prochaines mesures sur des noyaux de carbone, d'aluminium et de plomb montreront comment le nuage de gluons évolue avec la taille du noyau. Ces données serviront de référence pour le futur collisionneur électron-ion, où les gluons seront étudiés avec une précision sans précédent.
Le méson J/ψ a été découvert en 1974 simultanément par deux groupes et a été la première confirmation de l'existence du quark charmé. Sa masse est d'environ 3.1 GeV, soit trois fois celle du proton, c'est pourquoi la production d'un tel méson nécessite un photon d'énergie d'au moins 8.2 GeV.