11 février 2015
Une expérience du CERN affine une mesure essentielle pour décrire l’interaction forte

Figure 1 Représentation schématique des observables de polarisabilité mesurant la capacité à se déformer d’une particule composite (ici le pion) sous l’action d’un champ électrique et magnétique

L’expérience COMPASS du CERN, impliquant le CEA et des partenaires internationaux, rapporte une mesure essentielle concernant l’interaction forte. Celle-ci lie ensemble les composants des noyaux atomiques (quarks dans les nucléons, et nucléons dans le noyau). Les résultats, concernant une propriété du plus léger des mésons - le pion, publiés aujourd’hui dans la revue Physics Review Letters, sont en parfait accord avec la théorie des perturbations chirales développées dans les années 80.

 

 

 Dans le modèle décrivant l’interaction forte, appelé modèle de perturbation chirale, les mésons (état lié de de 2 quarks) les plus légers, appelés pions, sont les médiateurs de cette interaction entre nucléons (protons et neutrons). La  polarisabilité d’un hadron mesure la réponse de celui-ci à une excitation électromagnétique (fig 1). C’est une observable qui fait partie de ses propriétés fondamentales, au même titre que sa masse ou sa charge électrique. Cette théorie de l’interaction forte prédit avec précision cette polarisabilité pour le pion. Elle intrigue les scientifiques depuis les années 1980, car les premières mesures semblaient contredire la théorie. Finalement, le résultat obtenu aujourd’hui correspond étroitement à cette théorie.

 

Figure 2. La diffusion Compton sur le pion a lieu au voisinage d’un noyau de numéro atomique Z. La réaction est sensible à la différence des polarisabilités électrique et magnétique de la particule diffusante sur le noyau, ici un pion .

L’expérience COMPASS est une expérience dite sur cible fixe. Le faisceau de protons accélérés dans le Super Proton Synchrotron du Cern[1] est projeté sur une cible lourde produisant des particules dont on peut extraire un faisceau secondaire de pions pouvant être projetés à leur tour sur une autre cible, faite de nickel pour cette expérience. Pour extraire la mesure de polarisabilité, les physiciens isolent la réaction particulière où un pion diffuse sous l’effet du champ électrique des noyaux de nickel ; celui-ci n’est pas « détruit » (il reste lié), est dévié et émet un photon. Cette réaction est appelée de façon générale la diffusion Compton (π Z → π Z  γ).

 

 

Elle est modélisée à l’aide de deux observables de polarisabilité :

électrique (notée α) et magnétique (notée β). En mesurant, sur un échantillon important de 63 000 pions (correspondant à deux semaines de temps de faisceau),  l’énergie du photon et la déflexion du pion, les chercheurs ont pu mesurer une combinaison des polarisabilités. Le résultat (fig. 3)  montre que le pion se déforme considérablement moins que ce que montraient les mesures précédentes, comme prévu par la théorie de l’interaction forte.

 

 

Figure 3. Evolution dans le temps de la mesure. La dernière mesure de l’expérience COMPASS est la plus précise et est compatible avec la prédiction du modèle de perturbation chirale (notée GIF’06 en ordonnée)

Figure 4 : Compass est une expérience sur cible fixe au Cern, longue de 60 mètres et comprenant une suite de détecteurs et d’aimants permettant d’identifier et de mesurer les particules produites après interaction sur la cible. Les protons de l’accélérateur du SPS sont envoyés sur une première cible, produisant de nombreuses particules secondaires. Pour étudier les polarisabilités, ce sont des faisceaux secondaires de pions qui sont à leur tour projetés sur une cible. © COMPASS

 

 

 

 

La Collaboration COMPASS, fondée en 1996, comprend 220 physiciens de 12 pays, et enregistre des données au Cern depuis 2002 avec les faisceaux du Super Proton Synchrotron. Avec une dizaine de physiciens présents depuis l’origine,  le CEA-Irfu  prend une part majeure dans le travail de la collaboration. Ingénieurs, techniciens et physiciens ont conçu ensemble et réalisé des détecteurs  de pointe pour l'expérience tels que les premiers détecteurs gazeux à microstructure Micromegas utilisés dans une expérience de haute énergie, des chambres a dérive de très grande taille capables de supporter de très hauts flux de particules et un détecteur de protons de recul entourant la cible.

 

 


[1] Le faisceau de pions est un faisceau secondaire, issu de l’interaction des protons du SPS sur une première cible.

 

 

 

 

Contact : Fabienne Kunne

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Maj : 11/02/2015 (3543)

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