25 septembre 2017
Vers une validation expérimentale du concept de « factorisation » en interaction forte

Les physiciens de la collaboration COMPASS au CERN, dont fait partie une équipe de l’IRFU, viennent de publier les résultats d’une mesure sur la structure en quarks du proton [1] pour le moins originale. Cette mesure, attendue depuis longtemps, tend à confirmer l’une des prédictions de la théorie de l’interaction forte, la Chromodynamique Quantique (QCD). D’après ce théorème de QCD, appelé « factorisation », la réaction complexe entre deux particules lors d’une collision nucléaire de suffisamment grande énergie peut être séparée en deux contributions : l’interaction elle-même et les fonctions de distribution des quarks à l’intérieur des particules en interaction. Pour examiner le concept de factorisation les expérimentateurs ont mesuré la même quantité physique, mais en employant deux processus différents. Le résultat est original car, paradoxalement, les deux processus ne doivent pas fournir des résultats identiques.

 

L’« universalité modifiée », ou comment deux mesures de signes opposés peuvent être toutes les deux vraies

 

Le proton est un objet composite. Il est constitué de particules élémentaires - les quarks - qui interagissent en permanence entre elles en échangeant des particules vecteurs de l’interaction - les gluons. Pour étudier sa structure interne les expérimentateurs envoient un faisceau de particules de très haute énergie sur une cible de protons. Si l’énergie incidente est suffisamment élevée, les particules du faisceau interagissent directement avec des quarks de la cible. Les quarks n’étant pas immobiles, les produits de la réaction nous renseignent alors sur leurs impulsions à l’intérieur de la cible. Un nombre suffisant de collisions donne accès aux « fonctions de distribution » des quarks  dans le proton. Dans le cas particulier où les quarks ont une composante transverse à l’impulsion du faisceau incident on parle de « distributions dépendantes de l’impulsion transverse » (TMD). 

Et c’est ici que les prédictions de la QCD, qui comme son nom l’indique est une théorie quantique, échappent au sens commun. L’hypothèse de factorisation implique que certaines TMDs changent de signe en fonction de la réaction avec laquelle on les mesure. Les physiciens disent que ces TMDs ont une « universalité modifiée ». Comme si dans notre monde macroscopique, en mesurant la température avec deux thermomètres différents, on obtenait deux valeurs différentes. Avec un premier thermomètre on aurait par exemple 20 degrés. Si la température était une fonction quantique à universalité modifiée semblable à ces TMDs, un deuxième thermomètre mesurerait la température exactement opposée : -20 degrés.  Dans la vie de tous les jours l’un des deux thermomètres irait certainement à la poubelle. Dans le monde des particules élémentaires où la mécanique quantique règne en maître, un tel changement de signe n’est pas seulement possible - mais si notre compréhension de la factorisation dans QCD est correcte - obligatoire. 

 

Figure 1. La cible polarisée utilisée par l'expérience COMPASS. Le faisceau arrive par la gauche. Les protons polarisés sont confinés dans les deux cellules situées au milieu de la cible et baignant dans de l’hélium liquide. Le sens de leur polarisation est représenté par les flèches. Les protons sont refroidis à une température de seulement 50 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu grâce à un réfrigérateur spécial, contenant les deux isotopes de l’hélium : hélium-3 et hélium-4. Ils sont ensuite polarisés à l’aide de puissants appareils à micro-ondes. Pour maintenir la polarisation constante un champ magnétique fort, orienté le long des flèches, leur est appliqué en permanence.

Une mesure difficile

 

Mesurer les propriétés du proton à travers une quantité surprenante qui change de signe en fonction du type de faisceau (sonde) qu’on utilise n’est pas chose facile. Pour accéder aux TMDs, les spins1 des protons individuels doivent être tous orientés de la même façon. On dit que les protons sont alors « polarisés ».  Pour arriver à polariser les protons, les physiciens doivent les refroidir presque jusqu’au zéro absolu, les placer dans un champ magnétique extrêmement fort, et finalement leur appliquer des micro-ondes – comme dans les fours du même nom – mais de très haute fréquence. La cible de protons polarisés utilisée par la collaboration COMPASS (Figure 1) dont l’aimant supraconducteur a été mis en œuvre par l’Irfu, collectionne les records : elle est la plus grande au monde et constitue l’endroit le plus froid au CERN.
    
Les physiciens de COMPASS ont effectivement étudié les protons de cette cible avec deux « thermomètres » différents. Dans un premier temps ils ont utilisé un faisceau de muons, le muon étant le cousin « lourd » de l’électron. Afin d’extraire la TMD recherchée, ils ont alors mesuré la différence entre le nombre de pions détectés pour des protons de la cible polarisés vers le haut et le nombre de pions détectés pour des protons polarisés vers le bas, le tout normalisé par le nombre total de pions. Le résultat obtenu, appelé aussi asymétrie, tracé en fonction de l’angle, et caractéristique de la TMD étudiée, indique clairement une valeur non nulle. Cette première bonne nouvelle avait fait l’objet d’une publication quelques années auparavant [2].

Mais le plus difficile restait à faire. Il fallait trouver un deuxième thermomètre, en l’occurrence en utilisant un faisceau de pions et idéalement la même cible de protons polarisés. Afin de conserver les bons paramètres cinématiques, le faisceau de pions devait avoir une énergie incidente identique ou très proche.  Le CERN étant le seul endroit où ces conditions sont réunies, la collaboration COMPASS a tout naturellement préparé une telle expérience. La mesure complémentaire de la fonction de distribution choisie a été effectuée pendant l’année 2015, en gardant avantageusement la même cible et pratiquement le même dispositif expérimental que celui utilisé pour la mesure avec le faisceau de muons. En bombardant la cible de protons avec un faisceau de pions les physiciens devaient détecter cette fois-ci simultanément deux muons, l’un positif et l’autre négatif. Et bien sûr, déterminer la nouvelle asymétrie, en comparant le nombre de paires de muons pour des protons polarisés vers le haut avec le nombre de paires de muons pour des protons polarisés vers le bas.

 

Figure 2. Composante angulaire AT de l’asymétrie mesurée en fonction de la fraction d’impulsion xF portée par les quarks mis en jeu dans la collision [1]. Le point rouge représente le résultat de l’expérience COMPASS. Les prédictions théoriques au-dessus de la ligne de zéro sont montrées avec des bandes représentant leurs incertitudes respectives. Toutes ont été obtenues en prenant en compte le changement de signe attendu. Si le changement de signe n’avait pas été pris en compte, les prédictions théoriques se seraient toutes trouvées en-dessous de la ligne du zéro.

Première mesure d’une distribution dépendante du moment transverse avec faisceau de pions


Environ 35000 paires de muons ont été détectées. Ce nombre peut paraître important, mais il est juste suffisant pour commencer à voir une différence entre les deux orientations du spin du proton. Comme dans toute expérience de ce genre, des tests très sévères ont été effectués afin de s’assurer que toutes les erreurs de mesure possibles sont correctement prises en compte. Le résultat de COMPASS (Figure 2) est indiqué par le point situé légèrement au-dessus de la ligne de zéro. L’asymétrie mesurée est en conformité avec trois prédictions théoriques différentes : TMD-1, TMD-2 et DGLAP, basées toutes sur une analyse des mesures avec faisceau de muons. Si notre compréhension de la factorisation est correcte, le changement de signe de la TMD qui en résulte implique que toutes ces prédictions doivent être positives. Le résultat de COMPASS tend à confirmer, dans la limite de la précision statistique obtenue, que la fonction de distribution étudiée apparaît sous un signe différent si la sonde utilisée change de nature. Cette mesure, attendue par la communauté internationale depuis une décennie, est un jalon décisif pour un grand nombre de programmes d’études de la structure en quarks des hadrons. Cette première conclusion devrait être confirmée après une année de mesures supplémentaires, prévues pour 2018.

 

1 Le spin est une autre quantité purement quantique, qu’on assimile à la direction dans laquelle les protons tournent autour d’eux-mêmes. Pour un proton le spin ne peut avoir que deux valeurs : +1/2 ou -1/2. Dans une direction verticale le proton est alors orienté (polarisé) vers le haut ou vers le bas.

 

Références
[1] Compass Collaboration,  Physical Review Letters vol. 119, page 112002 (2017).
[2] Compass Collaboration, Physics Letters B, vol. 717, page 383 (2012).

 

Contact : Stephane PLATCHKOV

 

Maj : 25/09/2017 (4186)

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