Le proton doit son identité aux gluons : ce que révèle l’expérience STAR
La collaboration internationale STAR a publié le 14 août 2026, dans la revue Science, une série de mesures qui déplacent le siège d’une des propriétés les plus fondamentales de la matière. Le « nombre baryonique », cette comptabilité que l’univers ne viole jamais et qui fait qu’un proton reste un proton, ne serait pas porté par ses trois quarks, mais par une structure en forme de Y faite de gluons. Trente ans après avoir été proposée sur le papier, l’hypothèse reçoit son premier appui expérimental sérieux.
Une comptabilité que l’univers n’a jamais mise en défaut
Un proton n’est pas une bille indivisible. Les physiciens le décrivent comme un assemblage de trois quarks dits « de valence », maintenus ensemble par l’interaction forte, dont les gluons sont les particules messagères. À ce sous-ensemble de la matière, on attribue un nombre quantique : le nombre baryonique. Il vaut +1 pour un proton ou un neutron, −1 pour leurs équivalents d’antimatière, et zéro pour un photon ou un électron. Sa particularité est d’être conservé : aucune expérience n’a jamais observé sa disparition. C’est cette règle de comptabilité qui explique la stabilité extraordinaire du proton, qui demeure intact sur des durées excédant l’âge actuel de l’univers.
« Depuis le Big Bang, le nombre de protons et de neutrons pris ensemble n’a jamais changé », résume Nicole Lewis, physicienne de la collaboration STAR à l’université Rice, dans le communiqué diffusé le 13 août 2026 par son établissement. Restait une question rarement posée : où, exactement, ce nombre est-il rangé à l’intérieur de la particule ? « Traditionnellement, les scientifiques ont supposé que chacun des trois quarks de valence d’un proton ou d’un neutron porte un tiers du nombre baryonique », rappelle Zhangbu Xu, de la Kent State University et du Brookhaven National Laboratory. Cette répartition en trois tiers figure dans les manuels depuis un demi-siècle. Elle n’avait jamais été mesurée directement.
Deux fois trop de baryons dans les débris
L’anomalie est venue des collisions de noyaux atomiques lancés à une vitesse proche de celle de la lumière au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), l’accélérateur du Brookhaven National Laboratory, dans l’État de New York, en service de 2000 au début de l’année 2026. Lors d’un choc, l’essentiel de la matière poursuit sa course vers l’avant, mais une fraction est freinée près du point d’impact et y dépose son énergie : les physiciens parlent de « freinage baryonique ». C’est cette fraction arrêtée qui livre l’information recherchée.
Le raisonnement est le suivant. Si le nombre baryonique voyage bien avec les quarks, qui portent une charge électrique, alors nombre baryonique et charge électrique doivent être freinés dans les mêmes proportions. Or ce n’est pas ce que voit le détecteur STAR, un instrument de 1 200 tonnes. « Dans le détecteur STAR, nous observons systématiquement un excès de baryons sortant des collisions », indique Tommy Tsang, aujourd’hui à l’Argonne National Laboratory. L’excès est considérable : environ deux fois plus de baryons que ce que laissait attendre la charge électrique effectivement mesurée.
Une explication existait déjà. En 1996, le théoricien Dmitri Kharzeev, de la Stony Brook University et de Brookhaven, avait proposé que le véritable porteur du nombre baryonique soit une « jonction » : un nœud de gluons en forme de Y, reliant les trois quarks du proton. Un tel objet est électriquement neutre. Il peut donc être freiné sans que la charge électrique le soit, et convertir son énergie en particules nouvellement créées — exactement le déséquilibre observé.
Deux expériences indépendantes pour trancher
Pour départager les deux images, la collaboration a exploité deux configurations aux biais différents. La première repose sur des collisions dites d’isobares : des noyaux de ruthénium et de zirconium, qui comptent le même nombre total de nucléons mais des charges électriques distinctes. En comparant le nombre net de baryons transportés au nombre net de charges électriques, les équipes ont constaté que les baryons se déplaçaient plus loin que la charge — signature attendue d’un porteur neutre.
La seconde configuration met en jeu des collisions photonucléaires, où des noyaux d’or interagissent avec des photons virtuels. L’intérêt est méthodologique : un photon possède un nombre baryonique nul. Tout baryon détecté provient donc nécessairement du noyau, ce qui fournit une mesure débarrassée d’une partie des ambiguïtés. Les deux approches, ainsi que des collisions d’ions lourds frontales et rasantes, pointent dans la même direction et favorisent le modèle de la jonction gluonique. L’article, intitulé « Tracking the baryon number with nuclear collisions », paraît dans Science (vol. 393, n° 6812, p. 727-731).
Un faisceau d’indices, pas encore une preuve
La communauté accueille le résultat avec un intérêt mesuré. « Pour la première fois, nous pouvons vraiment montrer que nous sommes capables de faire la distinction » entre les deux modèles, salue Spencer Klein, du Lawrence Berkeley National Laboratory. Chun Shen, de la Wayne State University, invite à la prudence : les données « suggèrent fortement que le modèle de la jonction est favorisé, mais ce n’est pas encore une preuve définitive ». Zi-Wei Lin, de l’East Carolina University, conteste pour sa part l’idée d’une opposition frontale : les deux descriptions « peuvent être compatibles et non contradictoires », puisque la jonction relie précisément des quarks. Des prédictions théoriques plus fines seront nécessaires pour comparer rigoureusement modèles et mesures.
L’enjeu dépasse la structure interne du proton. La façon dont le nombre baryonique se déplace au cours d’une collision touche à une question ouverte de la cosmologie : pourquoi l’univers contient-il de la matière plutôt qu’une quantité égale de matière et d’antimatière, qui se seraient mutuellement annihilées ? Les auteurs se gardent d’annoncer une réponse ; ils indiquent une piste. Le successeur du RHIC, l’Electron-Ion Collider en construction à Brookhaven, doit permettre de sonder cette structure avec une précision nettement supérieure.
Pour comprendre
Pour situer ces notions, le réseau savoir.fr propose plusieurs entrées : la définition de la particule, brique élémentaire de la matière ; celle de l’atome, dont le noyau rassemble protons et neutrons ; et un exposé sur l’antimatière, indispensable pour saisir l’asymétrie que ces travaux éclairent indirectement.
Sources
- Brookhaven National Laboratory, « Gluons May Play Central Role in Baryon Number Conservation », 13 août 2026
- Rice University, « Scientists uncover new clue to how protons maintain their identity », 13 août 2026
- STAR Collaboration, « Tracking the baryon number with nuclear collisions », Science, 393 (6812), p. 727-731, 14 août 2026
- Science News, « The glue that binds a proton may be key to its identity »
- Sci.News, « Physicists Find Evidence for How Protons Carry Their Identity », 14 août 2026
Rédaction Savoir.fr
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