COMPTON EFFET

Diffusion Compton et structure du proton

La diffusion élastique des photons par les nucléons (proton ou neutron), qui est un processus différent de l'effet Compton original, porte néanmoins le nom de diffusion Compton. L'intérêt de cette réaction vient du fait qu'on comprend bien la propagation des photons et leur interaction avec des particules élémentaires électriquement chargées. Cette connaissance est exprimée par l'adéquation des calculs théoriques fondés sur l'électrodynamique quantique à de nombreuses quantités mesurables. Les tests obtenus à partir de la diffusion Compton sur un électron en sont d'ailleurs des exemples. On peut donc sérieusement envisager que la diffusion Compton sur un objet composé – un proton par exemple – renseigne sur la structure interne de cet objet, et en particulier révèle la présence éventuelle de particules élémentaires qui le composent.

Une limitation fondamentale de ce raisonnement tient à la nature ondulatoire de l'électromagnétisme (et de toute la physique quantique) : les phénomènes diffractifs ne permettent pas qu'une onde révèle des détails dont la taille est inférieure à la longueur d'onde. Mais une longueur d'onde inférieure à la taille d'un proton caractérise un photon d'énergie proche du milliard d'électronvolts. La collision d'un photon de telle énergie nécessite un traitement relativiste cohérent, car les particules heurtées sont caractérisées par de grandes vitesses d'expulsion si elles ne sont pas trop lourdes. La traduction relativiste de la restriction énoncée plus haut s'exprime alors ainsi : « le pouvoir de résolution d'un photon est inversement proportionnel à sa virtualité ». La virtualité Q d'une particule échangée dans un processus quantique est la mesure de l'écart avec lequel ses caractéristiques cinématiques désobéissent à la relation d'Einstein :

Q² = E² — p²c² = m²c⁴,

où E est l'énergie, p la quantité de mouvement, c la vitesse de la lumière et m la masse, nulle pour le photon.

Ainsi, lorsqu'un électron frôle un proton, il émet un photon dont on peut calculer la virtualité en faisant la différence entre les quantités de mouvement de l'électron initial et de l'électron final, et entre leurs énergies, puisque les lois fondamentales de conservation énoncent que l'énergie – ou la quantité de mouvement – perdue par une particule est récupérée par une autre.

La diffusion Compton virtuelle est ainsi devenue un des meilleurs outils d'exploration de la structure interne du proton, du neutron et des noyaux atomiques en général. On a d'abord étudié la probabilité totale d'interaction d'un tel photon virtuel avec un proton, sans se préoccuper si l'état final ressemble à celui de l'effet Compton original. Les résultats obtenus en 1967 par le grand accélérateur du Stanford Linear Accelerator Center (S.L.A.C., Stanford, Californie, États-Unis) purent être interprétés comme la signature de la présence de particules élémentaires de charges fractionnaires et de taille bien inférieure à celle du proton : les quarks proposés par Murray Gell-Mann (1929-2019) et Yuvel Ne'eman (1925-2006) apparaissaient comme de véritables constituants de la matière. De plus, le bilan d'énergie démontrait la nécessité de particules élémentaires sans charge électrique : les gluons. L'étude de cette réaction a fait partie du programme expérimental de tous les autres grands centres de recherche en physique des particules, en particulier du Laboratoire européen pour la physique des particules (Cern, Genève), du laboratoire Fermi à Batavia (Illinois, États-Unis) et du Deutsches Elektronen Synchrotron (Desy, Hambourg, Allemagne).

Dans un deuxième temps, autour de l'an 2000, au Desy et au laboratoire[...]