Une « jonction » de gluons porterait le nombre baryonique du proton, selon les dernières données de STAR

Une révolution dans la structure du proton

De nouveaux résultats de la collaboration STAR, obtenus au Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) et publiés dans la revue Science, apportent la première preuve expérimentale que le nombre baryonique du proton — une propriété quantique conservée qui distingue la matière de l'antimatière — n'est pas porté par ses trois quarks de valence, mais par une configuration topologique non perturbative du champ de gluons en forme de Y, appelée « jonction de gluons » .

Trois expériences indépendantes convergent

Les chercheurs ont réalisé trois mesures distinctes :

• Collisions d'isobares (ruthénium-ruthénium contre zirconium-zirconium) : elles ont permis de comparer le transport du nombre baryonique et celui de la charge électrique. Le résultat montre un excès de baryons par rapport à la charge, incompatible avec l'idée que les quarks de valence portent les deux.
• Collisions photon-or : en bombardant des noyaux d'or avec des photons de haute énergie, l'équipe a mesuré la distribution des protons nets produits. Celle-ci s'est avérée beaucoup moins asymétrique que ne le prédisent les modèles où les quarks de valence seraient les porteurs du nombre baryonique.
• Production nette de protons dans les collisions or-or : les données antérieures, réanalysées avec une précision accrue, confirment le même constat.

Dans les trois cas, la quantité de baryons transportée jusqu'à la région de rapidité moyenne (mid-rapidity) est bien trop élevée pour s'expliquer par le modèle des quarks de valence. Ces mesures favorisent au contraire l'hypothèse de la « jonction baryonique » (baryon junction), proposée dans les années 1970 : le nombre baryonique est porté par une structure gluonique topologique qui possède elle-même le nombre baryonique complet (B=1) et une charge électrique nulle .

Que se passe-t-il lors d'une collision ?

Dans une collision à haute énergie, cette jonction de gluons est bien plus facilement stoppée que les quarks de valence, qui ont une impulsion très élevée. L'énergie de la jonction est alors convertie en de nouveaux baryons qui sont éjectés perpendiculairement à la ligne de faisceau, tandis que les quarks continuent leur course vers l'avant . Ce mécanisme de « freinage baryonique » (baryon stopping) est une signature claire de la jonction.

Une portée bien au-delà du proton

Cette découverte bouleverse la compréhension fondamentale de la manière dont le nombre baryonique — une grandeur conservée qui explique la stabilité de la matière ordinaire — est encodé dans la structure des hadrons. Elle montre que les gluons ne jouent pas simplement un rôle de « colle » entre les quarks : ils peuvent être le lieu principal de stockage d'un nombre quantique fondamental, donnant à la matière gluonique un rôle plus direct dans la stabilité de la matière .

Sur le plan cosmologique, ces résultats offrent un nouvel outil pour étudier le transport du nombre baryonique depuis les premiers instants de l'Univers, ce qui est directement lié au problème de l'asymétrie matière-antimatière. Enfin, ils soutiennent l'existence de configurations exotiques prédites par la chromodynamique quantique (QCD), comme les glueballs de baryonium ou les « buckyballs » gluoniques .