Brique de base du noyau des atomes, le nucléon (proton ou neutron) est constitué d'un ensemble compact de trois quarks légers dits de valence », entourés de paires quark-antiquark (dits « de la mer ») :

• deux quarks up et un quark down dans le proton,
• un quark up et deux quarks down dans le neutron.

Les quarks ont une masse, une charge électrique et une couleur, qui les différencient les uns des autres, le nucléon étant, comme toute particule observable, neutre en couleur. Les gluons, médiateurs de l'interaction forte et « transportant » la couleur, assurent la cohésion des nucléons.

L'exploration de la structure interne du nucléon passe traditionnellement par la mesure de « facteurs de forme ». Ces quantités définissent les distributions de charge électrique et de moment magnétique à l'intérieur du nucléon, induites par les quarks et les gluons. Elles sont accessibles en étudiant d'une part la diffusion élastique électron-proton et, d'autre part, l'annihilation électron-positron qui produit le couple proton-antiproton (ou la réaction inverse d'annihilation proton-antiproton en électron-positron).

Il y a dix ans, une collaboration impliquant une physicienne de l'Irfu a proposé un modèle théorique, donnant une vision originale de ces distributions. Depuis, l'accumulation de données expérimentales a renforcé la validité de ce modèle qui donne une image du proton et offre un scénario de formation de hadrons avec une résolution spatio-temporelle encore jamais atteinte : de l'ordre de 10^-17 m et 10^-25 s (soit une durée cent fois inférieure au temps nécessaire à la lumière pour traverser un proton).

Et s'il y avait un vide au cœur du nucléon ?

Selon l'image proposée dans les années 1970, la région interne du proton serait constituée de vide quantique, excité, créé par un condensat de gluons, dont les spins sont orientés de manière aléatoire. Le champ gluonique serait alors écranté et sans gluon, les quarks de valence up dans le proton ou down dans le neutron ne seraient plus discernables par la couleur et tendraient à s'éloigner selon le principe d'exclusion de Pauli. Le troisième quark, de charge opposée, serait alors attiré par l'un de ces quarks, formant un « diquark ».

Comment tester cette théorie ?

Pour produire le couple proton-antiproton, les faisceaux d'électrons et de positrons doivent être accélérés dans un collisionneur à une énergie supérieure à 2 gigaélectronvolts (deux fois la masse du nucléon). Au moment de la collision, cette énergie se trouve concentrée dans un petit volume de dimension inférieure à 10^-15 m. L'annihilation matière-antimatière produit un vide excité dont les fluctuations produisent des couples quark-antiquark ou diquark-entiquark. Ce système est soumis à des forces extrêmement intenses et de signes opposés : les interactions fortes, dues au champ de gluons et électromagnétique.

En conséquence, les chercheurs s'attendent à ce que seul le facteur de forme électrique soit affecté (et non pas le facteur de forme magnétique). En effet, la mesure précise par diffusion élastique du rapport des facteurs de forme électrique et magnétique décroît avec l'énergie du faisceau, comme prédit par le modèle, confirmant sa capacité à donner une image spatiale correcte du nucléon.

Dans le domaine temporel, des oscillations régulières et amorties de la section efficace d'annihilation électron-positron confortent également le modèle qui prédit la coexistence, à l'intérieur du nucléon, d'une composante diquark et d'une composante à trois quarks. Le modèle suggère aussi un scénario pour la formation d'un hadron à partir de l'annihilation avec coexistence de trois phases. Les mesures récentes des facteurs de forme du neutron et du proton et leur corrélation confortent l'image proposée.