Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Le projet CHyMENE (Cible d'Hydrogène Mince pour l'Etude des Noyaux Exotiques) s’inscrit dans le cadre de l'instrumentation nécessaire à l'exploitation des faisceaux de basse énergie incidente (5 à ~25 MeV/n), comme SPIRAL2. Il s’agit de développer une cible cryogénique d’hydrogène pur (H₂ ou D₂), dont les caractéristiques seront adaptées aux conditions des futures expériences de réactions directes.

Porté par l’IRFU, - le DPhN et le DACM-, le projet associe trois laboratoires, l’IRFU, l'IPN Orsay et le SPN du CEA-DAM/DIF. Il est financé par l’Agence Nationale de la Recherche.

Les expériences de physique nucléaire sur cible d’hydrogène utilisent le plus souvent des cibles de polypropylène (CH₂)_n pour leur simplicité de mise en œuvre alors que les cibles d’hydrogène pur seraient mieux adaptées aux mesures voulues. En l’absence d’ion carbone, les cibles H₂ permettent d’augmenter la luminosité, tout en réduisant le straggling des produits de réaction à l’intérieur de la cible. De plus, les ions carbone présents dans les cibles (CH₂)_n sont également à l’origine de réactions nucléaires parasites qui créent des contaminations des quantités mesurées. Il faut alors soustraire ces contaminations en effectuant des mesures complémentaires sur cible de 12C, au prix d’une perte de temps de faisceau. Le projet CHyMENE propose la réalisation d’une cible cryogénique, dont les caractéristiques seront adaptées aux conditions des futures expériences de réactions directes. Il s'agira d’une cible pure d'hydrogène solide H₂ sans fenêtre qui s'écoulera sous la forme d'un ruban devant le faisceau dans le vide d'une chambre à réaction. Pour utiliser cette cible avec des faisceaux d'ions lourds de basse énergie, son épaisseur est une contrainte très importante. Elle est fixée par la forme de la buse d’extrusion et peut varier dans une gamme comprise actuellement entre 20 et 100 µm.

Nous envisageons actuellement d’étudier avec le dispositif CHyMENE l’interaction d’un faisceau laser de grande puissance avec une cible d’hydrogène, en vue de produire un faisceau de protons. Alors que plusieurs installations seront très prochainement opérationnelles en Europe avec des taux de répétition croissant, la cible détruite à chaque interaction et la pollution de l’installation par les débris devient un problème majeur auquel un dispositif de type CHyMENE peut apporter des solutions.

L’essentiel du contenu de l’Univers, soit environ 70%, est dominé par une composante énergétique qui n’est ni matière ni rayonnement : l’énergie noire. Cette composante mystérieuse observée pour la première fois en 1998 avec des supernovae a révolutionné notre vision de l’évolution de l’Univers et constitue l’une des découvertes majeures de la fin du XX^e siècle. 

Une échelle caractéristique d'environ 500 millions d’années lumière, jouant le rôle d’un « mètre-étalon », est présente dans la distribution de matière à l'échelle cosmique. Cette échelle résulte des oscillations baryoniques acoustiques (BAO) qui se sont propagées dans l'univers primordial et se sont figées au moment de la recombinaison, lorsque l'univers avait quelques centaines de milliers d'années. L’étude de la répartition des galaxies pour différents âges de l’Univers permet de mesurer ce « mètre-étalon ». On sonde ainsi l’énergie noire qui constitue aujourd'hui la composante principale régissant l'évolution à grande échelle de l'Univers. Cette méthode a déjà donné des résultats prometteurs pour de grands relevés optiques de galaxies (SDSS).

La nature de ces nouvelles fonctions

Des progrès théoriques importants survenus dans les cinq dernières années permettent d'étendre considérablement la notion de distributions de partons dans un nucléon ou un méson. Ils fournissent un cadre unificateur entre des études de la structure du nucléon aussi différentes que, entre autres, la mesure de facteurs de forme en diffusion élastique d'électrons ("basse" énergie) et celle des distributions de partons en diffusion profondément inélastique (DIS) d'électrons ou de muons ("haute" énergie).

Les distributions de partons "ordinaires" expriment la probabilité q(x) = ‹N(p)|ψ*(x)ψ(x)|N(p)› qu'un des quarks du nucléon N porte une fraction x de l'impulsion p de celui-ci. On peut de même définir et mesurer la probabilité Δq(x) pour qu'un quark de saveur donnée porte une certaine fraction du spin du nucléon. La mesure de ces distributions est maintenant presque complète. Elle a aussi permis d'établir ou de confirmer les "lois d'évolution en Q²", c'est-à-dire la façon dont les observables dépendent de l'énergie-impulsion transférée par le lepton incident. Comme le cadre théorique en est bien défini, cette dépendance sera négligée par la suite, pour faciliter la présentation.

L’essentiel du contenu de l’Univers, soit environ 70%, est dominé par une composante énergétique qui n’est ni matière ni rayonnement : l’énergie noire. Cette composante mystérieuse observée pour la première fois en 1998 avec des supernovae a révolutionné notre vision de l’évolution de l’Univers et constitue l’une des découvertes majeures de la fin du XX^e siècle. 

Une échelle caractéristique d'environ 500 millions d’années lumière, jouant le rôle d’un « mètre-étalon », est présente dans la distribution de matière à l'échelle cosmique. Cette échelle résulte des oscillations baryoniques acoustiques (BAO) qui se sont propagées dans l'univers primordial et se sont figées au moment de la recombinaison, lorsque l'univers avait quelques centaines de milliers d'années. L’étude de la répartition des galaxies pour différents âges de l’Univers permet de mesurer ce « mètre-étalon ». On sonde ainsi l’énergie noire qui constitue aujourd'hui la composante principale régissant l'évolution à grande échelle de l'Univers. Cette méthode a déjà donné des résultats prometteurs pour de grands relevés optiques de galaxies (SDSS).

L’expérience T2K (Tokai to Kamioka)  est actuellement leader mondiale pour l’étude des oscillations de neutrinos sur une longue distance à partir de faisceaux de neutrinos et d’anti-neutrinos muoniques.

Les neutrinos se déclinent en trois types différents (appelés 'saveurs') : ν_e, ν_μ ou ν_τ. Durant les quinze à vingt dernières années, plusieurs expériences ont prouvé que les neutrinos sont soumis à un phénomène quantique dit « d’oscillation » d’un type à l’autre. L’observation des oscillations des neutrinos permet d’affirmer que ces particules sont massives, contrairement aux énoncés du Modèle Standard.

La probabilité d’oscillation est une fonction de L/E, où E est l’énergie du neutrino et L la longueur parcourue par le neutrino entre ses points de production et de détection.

Suivant la saveur du neutrino (ν_e, ν_μ ou ν_τ) au moment de sa détection, un électron (e), un muon (μ) ou un tau (τ) peut être produit par interaction faible avec un nucléon dans la matière.  Ainsi à partir d’un faisceau de neutrinos muoniques, on peut détecter des neutrinos électroniques loin de la source de neutrinos. Les neutrinos « tau » ne peuvent pas être détectés puisque l’énergie des neutrinos du faisceau de T2K n’est pas suffisante pour créer une particule tau via l’interaction faible. Si l’on compare le nombre de neutrinos muoniques parmi ceux produits à la source, qui devraient être détectés loin de la source en l’absence d’oscillation, au nombre de neutrinos réellement détectés, le phénomène d’oscillation des neutrinos muoniques principalement en neutrinos « tau » se manifeste donc comme une « disparition » de neutrinos muoniques.

Le projet CHyMENE (Cible d'Hydrogène Mince pour l'Etude des Noyaux Exotiques) s’inscrit dans le cadre de l'instrumentation nécessaire à l'exploitation des faisceaux de basse énergie incidente (5 à ~25 MeV/n), comme SPIRAL2. Il s’agit de développer une cible cryogénique d’hydrogène pur (H₂ ou D₂), dont les caractéristiques seront adaptées aux conditions des futures expériences de réactions directes.

Porté par l’IRFU, - le DPhN et le DACM-, le projet associe trois laboratoires, l’IRFU, l'IPN Orsay et le SPN du CEA-DAM/DIF. Il est financé par l’Agence Nationale de la Recherche.

Les expériences de physique nucléaire sur cible d’hydrogène utilisent le plus souvent des cibles de polypropylène (CH₂)_n pour leur simplicité de mise en œuvre alors que les cibles d’hydrogène pur seraient mieux adaptées aux mesures voulues. En l’absence d’ion carbone, les cibles H₂ permettent d’augmenter la luminosité, tout en réduisant le straggling des produits de réaction à l’intérieur de la cible. De plus, les ions carbone présents dans les cibles (CH₂)_n sont également à l’origine de réactions nucléaires parasites qui créent des contaminations des quantités mesurées. Il faut alors soustraire ces contaminations en effectuant des mesures complémentaires sur cible de 12C, au prix d’une perte de temps de faisceau. Le projet CHyMENE propose la réalisation d’une cible cryogénique, dont les caractéristiques seront adaptées aux conditions des futures expériences de réactions directes. Il s'agira d’une cible pure d'hydrogène solide H₂ sans fenêtre qui s'écoulera sous la forme d'un ruban devant le faisceau dans le vide d'une chambre à réaction. Pour utiliser cette cible avec des faisceaux d'ions lourds de basse énergie, son épaisseur est une contrainte très importante. Elle est fixée par la forme de la buse d’extrusion et peut varier dans une gamme comprise actuellement entre 20 et 100 µm.

Nous envisageons actuellement d’étudier avec le dispositif CHyMENE l’interaction d’un faisceau laser de grande puissance avec une cible d’hydrogène, en vue de produire un faisceau de protons. Alors que plusieurs installations seront très prochainement opérationnelles en Europe avec des taux de répétition croissant, la cible détruite à chaque interaction et la pollution de l’installation par les débris devient un problème majeur auquel un dispositif de type CHyMENE peut apporter des solutions.

La nature de ces nouvelles fonctions

Des progrès théoriques importants survenus dans les cinq dernières années permettent d'étendre considérablement la notion de distributions de partons dans un nucléon ou un méson. Ils fournissent un cadre unificateur entre des études de la structure du nucléon aussi différentes que, entre autres, la mesure de facteurs de forme en diffusion élastique d'électrons ("basse" énergie) et celle des distributions de partons en diffusion profondément inélastique (DIS) d'électrons ou de muons ("haute" énergie).

Les distributions de partons "ordinaires" expriment la probabilité q(x) = ‹N(p)|ψ*(x)ψ(x)|N(p)› qu'un des quarks du nucléon N porte une fraction x de l'impulsion p de celui-ci. On peut de même définir et mesurer la probabilité Δq(x) pour qu'un quark de saveur donnée porte une certaine fraction du spin du nucléon. La mesure de ces distributions est maintenant presque complète. Elle a aussi permis d'établir ou de confirmer les "lois d'évolution en Q²", c'est-à-dire la façon dont les observables dépendent de l'énergie-impulsion transférée par le lepton incident. Comme le cadre théorique en est bien défini, cette dépendance sera négligée par la suite, pour faciliter la présentation.

Expériences de Deeply Virtual Compton Scattering dans le Hall B de Jefferson Lab, avec le spectromètre à large acceptance CLAS12.

Objectifs :

De nouveaux concepts théoriques, les distributions de partons généralisées (GPD), permettent une approche bien plus riche de la structure du nucléon, et plus généralement du confinement des quarks dans les hadrons.

La détermination de ces distributions passe par la mesure de réactions exclusives du type DVCS (Deeply Virtual Compton Scattering) et le Jefferson Lab a entrepris une montée en énergie de son accélérateur CEBAF en bonne partie dans ce but. Ce sont aussi les priorités scientifiques du groupe CLAS au SPhN.

L’essentiel du contenu de l’Univers, soit environ 70%, est dominé par une composante énergétique qui n’est ni matière ni rayonnement : l’énergie noire. Cette composante mystérieuse observée pour la première fois en 1998 avec des supernovae a révolutionné notre vision de l’évolution de l’Univers et constitue l’une des découvertes majeures de la fin du XX^e siècle. 

Une échelle caractéristique d'environ 500 millions d’années lumière, jouant le rôle d’un « mètre-étalon », est présente dans la distribution de matière à l'échelle cosmique. Cette échelle résulte des oscillations baryoniques acoustiques (BAO) qui se sont propagées dans l'univers primordial et se sont figées au moment de la recombinaison, lorsque l'univers avait quelques centaines de milliers d'années. L’étude de la répartition des galaxies pour différents âges de l’Univers permet de mesurer ce « mètre-étalon ». On sonde ainsi l’énergie noire qui constitue aujourd'hui la composante principale régissant l'évolution à grande échelle de l'Univers. Cette méthode a déjà donné des résultats prometteurs pour de grands relevés optiques de galaxies (SDSS).

Expériences de Deeply Virtual Compton Scattering dans le Hall B de Jefferson Lab, avec le spectromètre à large acceptance CLAS12.

Objectifs :

De nouveaux concepts théoriques, les distributions de partons généralisées (GPD), permettent une approche bien plus riche de la structure du nucléon, et plus généralement du confinement des quarks dans les hadrons.

La détermination de ces distributions passe par la mesure de réactions exclusives du type DVCS (Deeply Virtual Compton Scattering) et le Jefferson Lab a entrepris une montée en énergie de son accélérateur CEBAF en bonne partie dans ce but. Ce sont aussi les priorités scientifiques du groupe CLAS au SPhN.

L’expérience T2K (Tokai to Kamioka)  est actuellement leader mondiale pour l’étude des oscillations de neutrinos sur une longue distance à partir de faisceaux de neutrinos et d’anti-neutrinos muoniques.

Les neutrinos se déclinent en trois types différents (appelés 'saveurs') : ν_e, ν_μ ou ν_τ. Durant les quinze à vingt dernières années, plusieurs expériences ont prouvé que les neutrinos sont soumis à un phénomène quantique dit « d’oscillation » d’un type à l’autre. L’observation des oscillations des neutrinos permet d’affirmer que ces particules sont massives, contrairement aux énoncés du Modèle Standard.

La probabilité d’oscillation est une fonction de L/E, où E est l’énergie du neutrino et L la longueur parcourue par le neutrino entre ses points de production et de détection.

Suivant la saveur du neutrino (ν_e, ν_μ ou ν_τ) au moment de sa détection, un électron (e), un muon (μ) ou un tau (τ) peut être produit par interaction faible avec un nucléon dans la matière.  Ainsi à partir d’un faisceau de neutrinos muoniques, on peut détecter des neutrinos électroniques loin de la source de neutrinos. Les neutrinos « tau » ne peuvent pas être détectés puisque l’énergie des neutrinos du faisceau de T2K n’est pas suffisante pour créer une particule tau via l’interaction faible. Si l’on compare le nombre de neutrinos muoniques parmi ceux produits à la source, qui devraient être détectés loin de la source en l’absence d’oscillation, au nombre de neutrinos réellement détectés, le phénomène d’oscillation des neutrinos muoniques principalement en neutrinos « tau » se manifeste donc comme une « disparition » de neutrinos muoniques.

Expériences de Deeply Virtual Compton Scattering dans le Hall B de Jefferson Lab, avec le spectromètre à large acceptance CLAS12.

Objectifs :

De nouveaux concepts théoriques, les distributions de partons généralisées (GPD), permettent une approche bien plus riche de la structure du nucléon, et plus généralement du confinement des quarks dans les hadrons.

La détermination de ces distributions passe par la mesure de réactions exclusives du type DVCS (Deeply Virtual Compton Scattering) et le Jefferson Lab a entrepris une montée en énergie de son accélérateur CEBAF en bonne partie dans ce but. Ce sont aussi les priorités scientifiques du groupe CLAS au SPhN.

L’expérience T2K (Tokai to Kamioka)  est actuellement leader mondiale pour l’étude des oscillations de neutrinos sur une longue distance à partir de faisceaux de neutrinos et d’anti-neutrinos muoniques.

Les neutrinos se déclinent en trois types différents (appelés 'saveurs') : ν_e, ν_μ ou ν_τ. Durant les quinze à vingt dernières années, plusieurs expériences ont prouvé que les neutrinos sont soumis à un phénomène quantique dit « d’oscillation » d’un type à l’autre. L’observation des oscillations des neutrinos permet d’affirmer que ces particules sont massives, contrairement aux énoncés du Modèle Standard.

La probabilité d’oscillation est une fonction de L/E, où E est l’énergie du neutrino et L la longueur parcourue par le neutrino entre ses points de production et de détection.

Suivant la saveur du neutrino (ν_e, ν_μ ou ν_τ) au moment de sa détection, un électron (e), un muon (μ) ou un tau (τ) peut être produit par interaction faible avec un nucléon dans la matière.  Ainsi à partir d’un faisceau de neutrinos muoniques, on peut détecter des neutrinos électroniques loin de la source de neutrinos. Les neutrinos « tau » ne peuvent pas être détectés puisque l’énergie des neutrinos du faisceau de T2K n’est pas suffisante pour créer une particule tau via l’interaction faible. Si l’on compare le nombre de neutrinos muoniques parmi ceux produits à la source, qui devraient être détectés loin de la source en l’absence d’oscillation, au nombre de neutrinos réellement détectés, le phénomène d’oscillation des neutrinos muoniques principalement en neutrinos « tau » se manifeste donc comme une « disparition » de neutrinos muoniques.

Le projet CHyMENE (Cible d'Hydrogène Mince pour l'Etude des Noyaux Exotiques) s’inscrit dans le cadre de l'instrumentation nécessaire à l'exploitation des faisceaux de basse énergie incidente (5 à ~25 MeV/n), comme SPIRAL2. Il s’agit de développer une cible cryogénique d’hydrogène pur (H₂ ou D₂), dont les caractéristiques seront adaptées aux conditions des futures expériences de réactions directes.

Porté par l’IRFU, - le DPhN et le DACM-, le projet associe trois laboratoires, l’IRFU, l'IPN Orsay et le SPN du CEA-DAM/DIF. Il est financé par l’Agence Nationale de la Recherche.

Les expériences de physique nucléaire sur cible d’hydrogène utilisent le plus souvent des cibles de polypropylène (CH₂)_n pour leur simplicité de mise en œuvre alors que les cibles d’hydrogène pur seraient mieux adaptées aux mesures voulues. En l’absence d’ion carbone, les cibles H₂ permettent d’augmenter la luminosité, tout en réduisant le straggling des produits de réaction à l’intérieur de la cible. De plus, les ions carbone présents dans les cibles (CH₂)_n sont également à l’origine de réactions nucléaires parasites qui créent des contaminations des quantités mesurées. Il faut alors soustraire ces contaminations en effectuant des mesures complémentaires sur cible de 12C, au prix d’une perte de temps de faisceau. Le projet CHyMENE propose la réalisation d’une cible cryogénique, dont les caractéristiques seront adaptées aux conditions des futures expériences de réactions directes. Il s'agira d’une cible pure d'hydrogène solide H₂ sans fenêtre qui s'écoulera sous la forme d'un ruban devant le faisceau dans le vide d'une chambre à réaction. Pour utiliser cette cible avec des faisceaux d'ions lourds de basse énergie, son épaisseur est une contrainte très importante. Elle est fixée par la forme de la buse d’extrusion et peut varier dans une gamme comprise actuellement entre 20 et 100 µm.

Nous envisageons actuellement d’étudier avec le dispositif CHyMENE l’interaction d’un faisceau laser de grande puissance avec une cible d’hydrogène, en vue de produire un faisceau de protons. Alors que plusieurs installations seront très prochainement opérationnelles en Europe avec des taux de répétition croissant, la cible détruite à chaque interaction et la pollution de l’installation par les débris devient un problème majeur auquel un dispositif de type CHyMENE peut apporter des solutions.

Expériences de Deeply Virtual Compton Scattering dans le Hall B de Jefferson Lab, avec le spectromètre à large acceptance CLAS12.

Objectifs :

De nouveaux concepts théoriques, les distributions de partons généralisées (GPD), permettent une approche bien plus riche de la structure du nucléon, et plus généralement du confinement des quarks dans les hadrons.

La détermination de ces distributions passe par la mesure de réactions exclusives du type DVCS (Deeply Virtual Compton Scattering) et le Jefferson Lab a entrepris une montée en énergie de son accélérateur CEBAF en bonne partie dans ce but. Ce sont aussi les priorités scientifiques du groupe CLAS au SPhN.

L’expérience T2K (Tokai to Kamioka)  est actuellement leader mondiale pour l’étude des oscillations de neutrinos sur une longue distance à partir de faisceaux de neutrinos et d’anti-neutrinos muoniques.

Les neutrinos se déclinent en trois types différents (appelés 'saveurs') : ν_e, ν_μ ou ν_τ. Durant les quinze à vingt dernières années, plusieurs expériences ont prouvé que les neutrinos sont soumis à un phénomène quantique dit « d’oscillation » d’un type à l’autre. L’observation des oscillations des neutrinos permet d’affirmer que ces particules sont massives, contrairement aux énoncés du Modèle Standard.

La probabilité d’oscillation est une fonction de L/E, où E est l’énergie du neutrino et L la longueur parcourue par le neutrino entre ses points de production et de détection.

Suivant la saveur du neutrino (ν_e, ν_μ ou ν_τ) au moment de sa détection, un électron (e), un muon (μ) ou un tau (τ) peut être produit par interaction faible avec un nucléon dans la matière.  Ainsi à partir d’un faisceau de neutrinos muoniques, on peut détecter des neutrinos électroniques loin de la source de neutrinos. Les neutrinos « tau » ne peuvent pas être détectés puisque l’énergie des neutrinos du faisceau de T2K n’est pas suffisante pour créer une particule tau via l’interaction faible. Si l’on compare le nombre de neutrinos muoniques parmi ceux produits à la source, qui devraient être détectés loin de la source en l’absence d’oscillation, au nombre de neutrinos réellement détectés, le phénomène d’oscillation des neutrinos muoniques principalement en neutrinos « tau » se manifeste donc comme une « disparition » de neutrinos muoniques.