Quand le proton se fait plus grand

L’expérience TOTEM du LHC vient de confirmer que, à de hautes énergies, les protons se comportent comme s'ils devenaient plus grands. En termes plus techniques, leur section efficace totale (paramètre lié à la probabilité d’interaction proton-proton) augmente avec l’énergie. Ce phénomène, que des mesures réalisées à des énergies beaucoup plus basses laissaient entrevoir, a été confirmé pour la première fois grâce aux énergies générées par le LHC et jamais atteintes auparavant.

Bras d’un détecteur T2 de TOTEM pendant son installation au point d’interaction 5.

Une particule composite comme le proton est un système complexe qui ne ressemble en rien à une construction statique telle qu’un Lego : des sous-éléments se déplacent à l'intérieur du système et des interactions permettent d’en conserver l’unité, tout cela de manière très dynamique. C’est cette structure qui explique, en partie, pourquoi même le proton, cette particule très commune, peut encore receler des secrets sur sa nature, des décennies après sa découverte.

Pour étudier les propriétés internes des protons, l’une des méthodes possibles consiste à observer la façon dont ils interagissent entre eux. En termes techniques, on cherche à calculer la section efficace totale des interactions proton-proton. Des mesures effectuées précédemment aux ISR du CERN avaient révélé que, de manière surprenante, la section efficace augmentait lorsque les énergies étaient plus hautes. Le collisionneur SppS du CERN et le Tevatron ont ensuite fait la même observation. C’est en revanche la première fois que cette tendance est confirmée aux plus hautes énergies, celles du LHC. « Les résultats de (98 ± 3) mbarn pour la section efficace totale, obtenus par l’expérience TOTEM, confirment que, même aux énergies très élevées du LHC, les protons se comportent comme s'il devenaient plus grands », explique Karsten Eggert, porte-parole de la collaboration TOTEM.

Mesure de TOTEM de la section efficace totale du proton à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV : 98 ± 3 mbarn.

La mesure de la section efficace totale n’est pas une mince affaire. « Nous avons demandé une exploitation spéciale du LHC, poursuit Karsten Eggert. La divergence des faisceaux à proximité des points d’interaction devait être beaucoup plus petite que pour une exploitation standard du LHC. En seulement trente minutes de prise de données avec cette configuration de faisceau particulière, TOTEM a pu recueillir suffisamment d’informations pour mesurer la section efficace de diffusion élastique proton-proton, ce qui nous a permis de déterminer la section efficace totale en appliquant ce qu’on appelle le théorème optique. »

Le mode de calcul actuel s'appuie sur les mesures de luminosité effectuées par l’expérience CMS, mais dans ses programmes futurs, la collaboration TOTEM souhaiterait utiliser uniquement ses propres détecteurs afin d’obtenir une mesure indépendante de la luminosité. « Dans un avenir assez proche, nous allons bénéficier d’une exploitation spéciale du LHC de plus longue durée et pourrons rapprocher nos détecteurs des faisceaux », ajoute Karsten Eggert.

Les récents résultats de l’expérience TOTEM apporteront une contribution importante à notre connaissance de la nature des protons. D’après la théorie, nous savons qu'il existe une limite de taille que les protons peuvent atteindre aux plus hautes énergies. « À l’heure actuelle, nos résultats concordent parfaitement avec les données issues des rayons cosmiques et les extrapolations faites à partir des mesures précédentes. Ces résultats constituent la première confirmation expérimentale de certaines hypothèses émises de longue date au sujet du comportement du proton à de hautes énergies », conclut Karsten Eggert.

par CERN Bulletin