17 janvier 2017
La quatrième dimension du nucléon

Fig.1 : Vue d’ensemble du détecteur PANDA : très similaire, dans le principe, aux détecteurs de très hautes énergies, ses dimensions restent bien plus petites : la longueur totale sera de 12 m.

 

L’image dynamique de la structure interne du nucléon s’exprime au travers de facteurs de forme électromagnétiques. La diffusion d’électrons permet de caractériser cette matière, dont la concentration à l’intérieur d’un rayon d’environ 1 fm (10-15 m) est loin d’être uniforme. Cette même matière peut se créer suite à une annihilation électron-positron ainsi que disparaître dans la rencontre avec l’antimatière, lors d’une collision proton-antiproton. De manière remarquable, ce sont les mêmes facteurs de forme qui sont mesurés par les sections efficaces et les distributions angulaires de toutes ces réactions. Ils portent les secrets de la formation de la matière à partir du vide crée par l’annihilation. L’Irfu, depuis les expériences à Saclay (ALS), a participé à plusieurs expériences sur ce sujet, en diffusion (Jefferson Lab, Etats-Unis) et en annihilation (SLAC, Etats-Unis). Une expérience future pourra mesurer de façon précise ces facteurs de forme sur un grand domaine cinématique : l’expérience PANDA (FAIR, Allemagne). Une simulation détaillée prédisant les signaux attendus sur une telle machine a récemment été publiée dans la prestigieuse revue EPJA, qui a choisi de souligner la qualité de ce travail en y consacrant sa couverture. La précision élevée de cette expérience d’annihilation permettra pour la première fois la connaissance individuelle des facteurs de forme électrique et magnétique dans ce régime cinématique.

 

Fig. 2 : Module du rapport des facteurs de forme dans la région temps. La figure montre les données mesurées par les expériences BABAR et BES (collisionneurs électrons-positrons), les anciens points de l’expérience LEAR au CERN (collisionneur proton-antiprotons) et les résultats obtenus par simulation, selon la valeur du rapport des facteurs de forme, avec une luminosité intégrée de 2 fb-1 qui serait obtenue en 4 mois de faisceau (par point) à l’intensité nominale. Notre analyse (cercles violets) montre que ces quantités pourront être mesurées avec une grande précision dans un vaste domaine cinématique à PANDA.

 

Comment les constituants de la matière, les quarks et les gluons interagissent-ils ? Les facteurs de forme électromagnétiques offrent une information essentielle sur l’agencement des quarks et gluons à l’intérieur du proton. Ils acquièrent néanmoins des significations différentes. Dans la région de diffusion, ou région espace, ils portent une information dépendant des trois dimensions spatiales (notamment la densité de charge électrique) ; dans la région de l’annihilation, ou région temps, ils contiennent une information dépendant de la dimension temporelle (vraisemblablement du temps de formation des paires quarks-antiquarks suite à l’annihilation, et de leur évolution pour donner une paire proton-antiproton).

La réaction d’intérêt est l’annihilation proton-antiproton pour produire un couple électron- positron. Le défi expérimental consiste à extraire des paires électron-positron cachées dans un fond hadronique plus important de plusieurs ordres de grandeur. En effet, les particules initiales étant des hadrons (particules soumises à l’interaction forte), il est des millions de fois plus probable créer d’autres hadrons que des leptons (particules soumises aux interactions électromagnétique et faible), dont électrons et muons. La réaction la plus difficile à soustraire dans le fond hadronique est l’annihilation produisant une paire de pions chargés, car les pions sont les hadrons les plus légers. Les impulsions des pions et électrons émis sont similaires. La reconstruction de la cinématique permet d’éliminer les réactions à plus de deux corps, les pions neutres (qui se désintègrent en deux photons) ou bien les particules secondaires. Mais c’est surtout la reconstruction de la perte d’énergie déposée dans le calorimètre électromagnétique qui va permettre l’identification des électrons par rapport aux pions. 

Le développement du logiciel de simulation et d’analyse PANDARoot a fait d’énormes progrès suite à la construction de prototypes et à la validation des performances requises par différents tests sous faisceau des détecteurs au CERN, à Mayence ou à Bonn. Cela donne confiance dans le réalisme des simulations et dans la fiabilité prédictive des résultats. 

Si la procédure d’extraction des facteurs de forme à partir d’une mesure précise de la distribution angulaire des électrons diffusés est bien connue, nous avons développé une méthode originale avec un algorithme rapide d’extraction de l’asymétrie angulaire [2]. La forme de la distribution angulaire (linéaire en cos2θ, où θ est l’angle d’émission de l’électron, dans le référentiel du centre de masse) dépend de la valeur relative des facteurs de forme électrique et magnétique. Leur rapport a été mesuré auparavant mais les résultats sont contradictoires et entachés par de grandes barres d’erreur. Les modèles théoriques, qui reproduisent bien les facteurs de forme dans la région espace, donnent des prédictions disparates dans la région temps, ce qui montre qu’un approfondissement des modèles sous- jacents est nécessaire. 

 

 

Notre analyse montre la grande précision avec laquelle les facteurs de forme électromagnétiques dans la région temps seront obtenus dans un futur proche. Etant des quantités de nature complexe, pour déterminer complètement les facteurs de forme, il sera nécessaire de connaître leur phase relative, ce qui sera possible avec un faisceau ou une cible polarisée. Ces mesures permettront d’accéder aux détails de la formation du proton, en particulier aux premières étapes et aux mécanismes. L’accès à la quatrième dimension, le temps, ouvre des perspectives nouvelles d’interprétation et de compréhension des interactions électromagnétiques et fortes.

 

Contact: Egle Tomasi

Références :
[1] Feasibility studies of time-like proton electromagnetic form factors at PANDA at FAIR, B. Singh et al (PANDA Collaboration), Eur. Phys. J. A52 (2016) 325
[2] A. Dbeyssi, PhD Thesis, Univ. Paris-Sud, 2013. 

 

Maj : 22/01/2017 (3858)

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