A l’initiative de physiciens du DPhN, la collaboration internationale COMPASS au CERN a mené un programme de mesures de haute précision concernant la production de kaons. La méthode a consisté à étudier les kaons chargés négativement K- d’une part, et les kaons chargés positivement K+ d’autre part, afin d’accéder séparément aux quarks et antiquarks étranges impliqués dans la réaction de diffusion d’un lepton sur un nucléon. Ces résultats viennent d’être publiés dans la revue Physics Letters B [1]. Ils contraignent des quantités fondamentales de la structure du nucléon relatives aux quarks dits étranges, et les mécanismes physiques de production de particules composées de quarks étranges. Notamment, on soupçonne les quarks étranges d’être responsables d’une fraction non négligeable du spin du nucléon sans pouvoir l’établir avec certitude ; la connaissance de ces probabilités permettra de progresser sur cette question.
L’étrangeté dans le nucléon
Les nucléons, protons et neutrons constituants du noyau des atomes, sont composés de briques élémentaires, les quarks et les gluons. Leurs interactions sont décrites d'un point de vue théorique par la ChromoDynamique Quantique (QCD). Outre les nucléons, ces quarks et gluons peuvent former des particules de durée de vie courte, comme les pions ou les kaons, et génériquement nommés hadrons. Protons, neutrons et pions sont essentiellement constitués de quarks « up » et « down », alors que les kaons admettent une grande composante de quarks « strange » (aussi appelés « étranges » dans le monde francophone). Cependant, protons et neutrons admettent un contenu en quarks « strange », dont l’importance relative reste à évaluer précisément, mais qu’il faut prendre en compte pour expliquer les caractéristiques du nucléon.
Comment mesurer le contenu en quarks des nucléons
Les quarks ne peuvent pas être observés à l’état libre dans la nature --c’est le phénomène encore mystérieux nommé « confinement »-- mais on a pu les mettre en évidence grâce à la diffusion profondément inélastique de leptons --électrons ou muons-- sur des nucléons. Dans ce processus (Fig.1), un lepton incident émet un photon très énergétique qui est aussitôt absorbé par un quark ou antiquark du nucléon-cible. Ce dernier subit un processus appelé « fragmentation », au cours duquel un certain nombre d'hadrons sont formés à partir des quarks du nucléon. Dans l’état final, on peut observer des pions, et en proportion moindre, des kaons. Les expériences de production de kaons renseignent ainsi d’une part sur les mécanismes de création de paires de quarks et d’antiquarks au sein du nucléon, mais aussi sur le processus de formation des hadrons.
L’étude séparée des kaons chargés négativement K- et positivement K+ permet d’accéder séparément aux quarks et antiquarks. La formation d’un K+ (quark « up », antiquark « strange ») par diffusion sur un proton est plus probable car la densité de quarks « up » dans le proton est plus grande que la densité de quarks « strange ». A l’inverse, la formation d’un K- (antiquark « up » et quark « strange ») nécessite l’interaction de deux quarks produits par créations de paires [quark « up », antiquark « up »] et [quark « strange », antiquark « strange »].
Fig.1 - Exemple schématisé de formation d’hadrons par diffusion profondément inélastique d’un muon sur un nucléon. Le quark touché par le photon échangé subit un processus de fragmentation au cours duquel sont éjectés un certain nombre d’hadrons, dont éventuellement des kaons porteurs de quarks « strange ».
Fig.2 – Spectromètre COMPASS. Le détecteur RICH dans lequel sont identifiés les kaons est représenté en gris. Il est localisé entre les deux dipôles magnétiques, en rouge sur la figure.
Mesure avec l’expérience COMPASS
Les mesures ont été réalisées au CERN avec le faisceau de muons de haute énergie et le spectromètre de COMPASS, expérience dont le but est d’étudier la structure du nucléon et la spectroscopie des hadrons. Différents faisceaux (leptons, hadrons) peuvent être utilisés ainsi que différentes cibles fixes, offrant un programme de physique extrêmement riche. Le spectromètre comprend deux grands dipôles magnétiques et plus de 300 plans de détecteurs de particules, dont des détecteurs gazeux de particules chargées, des calorimètres électromagnétiques et hadroniques et différents systèmes d’identification des particules. L’Irfu a contribué à plusieurs éléments essentiels du spectromètre, dont les détecteurs à microstructure Micromegas et les chambres à dérive de grande taille. Les kaons sont identifiés grâce à un détecteur RICH (Ring Imaging Cerenkov) qui est rempli d’un gaz lourd choisi pour son indice de réfraction. Ce dernier détermine le seuil en énergie pour une particule donnée, au-dessus duquel il y a émission de lumière dite « Cerenkov », ce rayonnement qui accompagne les particules voyageant avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière dans ce gaz. On détecte le cône de lumière associé à ce rayonnement. L’angle au sommet du cône dépend de la vitesse de la particule, tandis que la déviation de la particule dans le champ magnétique du spectromètre est proportionnelle à la quantité de mouvement de la particule. De ces deux informations, on déduit la masse de la particule ce qui permet d’identifier formellement la présence d’un kaon, porteur d’un quark ou antiquark « strange ».
Vers la fragmentation des quarks étranges : des résultats prometteurs
Les mesures publiées par COMPASS [1] constituent un ensemble de très haute statistique couvrant un très grand domaine cinématique. Un exemple de résultats, présenté sur la Fig.3, illustre la précision des mesures. Les points correspondent aux taux de production des K- et K+ en fonction de la fraction d’impulsion emportée par le hadron formé dans l’état final.
Fig.3 - Exemple de taux de production de kaons intégré sur l’une des trois variables cinématiques mesurées (la fraction d’énergie y perdue par le muon incident lors de la diffusion) représentés en fonction de la fraction d’impulsion z emportée par le kaon (K+ en rouge, K- en bleu) formé dans l’état final. Les barres d’erreur statistiques ne sont pratiquement pas visibles. Les bandes représentent les erreurs systématiques.
Ces nouvelles données sont en désaccord manifeste avec des résultats préexistants. Ceci est illustré sur la Fig.4 où les taux de kaons mesurés par l’expérience COMPASS sont comparés aux valeurs mesurées par l’expérience HERMES auprès de l’accélérateur DESY en Allemagne. En utilisant l’état de l’art des techniques de QCD, une analyse théorique [2] des 400 points de mesure COMPASS a permis d’améliorer notre connaissance des fonctions de fragmentation des quarks « strange », but initial de ces mesures. La même analyse extrapolée à l’énergie plus basse de HERMES semble ne pas permettre d’expliquer la différence entre les deux expériences.
Fig. 4 Taux de production de kaons K+ et K-. Comparaison des résultats obtenus par les expériences COMPASS (points rouges) et HERMES (carrés noirs). La courbe rouge résulte d’une analyse QCD des 400 points de données COMPASS qui a permis d’extraire les fonctions de fragmentation des quarks « strange ». La courbe noire correspond à l’extrapolation de ces résultats à l’énergie plus faible de HERMES. Ces nouveaux résultats de COMPASS sont en désaccord avec les données de HERMES. En abscisse, x représente la fraction d’impulsion portée par le quark participant à la collision.
La différence avec les paramétrisations existantes révèle les limites de notre compréhension actuelle des distributions de quarks étranges dans le nucléon et de la probabilité de fragmentation de ces quarks étranges. Ce signal clair révèle tout le bénéfice que la communauté retirera de l’interprétation de ces mesures et sera une contrainte importante pour la phénoménologie associée. Ces études à venir sont par ailleurs très attendues. En particulier, on soupçonne toujours les quarks étranges d’être responsables d’une fraction non négligeable du spin du nucléon sans pouvoir l’établir avec certitude ; la connaissance de ces probabilités permettra de progresser de manière décisive sur cette question.
[1] Multiplicities of charged kaons from deep-inelastic muon scattering off an isoscalar target, COMPASS Collaboration, C. Adolph et al., hep-ex/1608.06760, Phys. Lett.B 767 (2017) 133
[2] QCD analysis at next to leading order, of COMPASS kaon multiplicities. D. Stamenov, pour le groupe LSS (Leader, Sidorov, Stamenov), communication personnelle.
Contact: Fabienne Kunne
• Structure de la matière nucléaire › Structure en quarks et gluons des hadrons
• Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
• Nucleon Structure Laboratory (LSN) - The internal structure of hadrons
