Les nucléons (proton ou neutron) sont les constituants du noyau atomique, et possèdent tous un spin dont la valeur est ½. Les constituants des nucléons, les quarks et les gluons, possèdent eux aussi un spin, mais la contribution de chacun d’eux à celui du nucléon reste énigmatique. Au Cern, l’expérience Compass mesure ΔG/G(x), la polarisation des gluons dans le nucléon, qui est reliée à la contribution des spins des gluons au spin du nucléon. Compass vient de publier sa première mesure précise de ΔG/G(x) : Surprise, sa trop faible valeur pourrait bien annoncer une nouvelle crise du spin.
On sait que les nucléons sont constitués de quarks et de gluons mais leur structure recèle encore bien des mystères. C’est particulièrement vrai en ce qui concerne le spin, une grandeur quantique que l’on peut se représenter comme la quantité de rotation intrinsèque (rotation sur elle-même) d’une particule. Le spin des particules est quantifié, c'est-à-dire qu’il est un multiple entier ou demi-entier de la constante fondamentale. Celui du nucléon, qui vaut ½h, résulte des contributions des spins des quarks, des spins des gluons et du moment orbital (en plus de leur spin les quarks et les gluons peuvent tourner à l’intérieur du nucléon). La théorie prédisait que la contribution des quarks au spin total était de l’ordre de 60%. En 1987, l’expérience EMC au Cern a mesuré une valeur compatible avec zéro. Ce fut une grande surprise que l’on a qualifiée de «crise du spin» et c’est encore maintenant l’une des six publications expérimentales les plus citées en physique des particules. Ce résultat a ensuite été précisé par des expériences auxquelles le Dapnia a activement participé : l’expérience SMC au Cern et plusieurs expériences au Slac (USA). Des développements théoriques ont cependant montré que la quantité mesurée par toutes les expériences est, de fait, une combinaison des contributions dues au spin des quarks et au spin des gluons. Il s’ensuit que si la contribution des gluons, ΔG, est importante, de l’ordre de 2, les mesures sont compatibles avec une contribution des quarks de 60%. Une grande valeur de ΔG constitue donc un scénario attendu pour sortir de cette crise du spin.
Figure 1 : La fusion photon-gluon : le photon interagit avec le gluon par l’échange d’un quark et la création d’une paire quark antiquark, laquelle peut produire une paire de hadrons à grande impulsion transverse.
Le principe de l’expérience Compass est le suivant : on envoie un faisceau de muons polarisés sur une cible polarisée (les muons sont des cousins plus lourds des électrons et polarisé signifie ici que les spins sont alignés avec l’axe du faisceau). Les muons interagissent avec les quarks et les gluons des nucléons de la cible par échange d’un photon virtuel (qui intervient transitoirement dans l’interaction). Ce photon est caractérisé par une grandeur Q2, combinaison de son énergie et de son impulsion. Dans certains cas, l’interaction de ce photon avec un gluon (par un processus particulier illustré figure 1), conduit à la création d’un quark et de son antiquark. Ce processus est mis en évidence par l’apparition d’une paire de hadrons (le nom générique des particules constituées de quarks et de gluons) éjectés avec une grande impulsion transversalement à la direction du photon virtuel. L'expérience Compass au Cern mesure la polarisation des gluons ΔG/G(x), c'est-à-dire le taux d’alignement des spins des gluons avec le spin du nucléon. Cette mesure est limitée aux gluons dont la contribution à la quantité de mouvement du nucléon, appelée x, est de l’ordre de 10%. (La grandeur x est une mesure indépendante du repère cinématique, et traduit bien, dans un repère où le nucléon a une très grande quantité de mouvement, la fraction de la quantité de mouvement du nucléon portée par le gluon). La contribution totale des gluons au spin du nucléon, ΔG, est l’intégrale sur x des contributions ΔG(x). La distribution G(x) des gluons en l’absence de polarisation est mesurée par ailleurs, et la mesure de ΔG/G(x) est donc un premier pas vers une détermination précise de l’intégrale ΔG.
Un résultat très significatif vient d’être obtenu à partir de l’étude des paires de hadrons pour les interactions dans lesquelles la grandeur Q2 associée au photon virtuel est inférieure à 1 GeV2, et pour une valeur moyenne de x de 10%. Ce résultat est compatible avec zéro : ΔG/G(x) = 0,03 avec une incertitude statistique de 0,08 et une incertitude systématique (due aux méthodes d’analyse) de 0,05. L’analyse détaillée, menée par le groupe Compass du Dapnia, a permis d’obtenir une excellente maîtrise des incertitudes systématiques. La contribution de tous les processus pouvant se manifester avec les mêmes caractéristiques, appelés bruit de fond, a été calculée grâce à une simulation numérique. Celle-ci reproduit les données expérimentales et a, par ailleurs, montré que le processus considéré (Fig. 1) contribuait à près d’un tiers des événements analysés. Ce nouveau résultat est comparé, dans la figure 2, à ceux des expériences SMC et Hermes (à Hambourg) ainsi qu’au résultat déjà obtenu par Compass en se limitant au domaine Q2>1 GeV2. L’analyse est plus facile pour les grandes valeurs de Q2 car les processus de bruit de fond sont alors moins nombreux, mais seul un événement sur dix est utilisé. La compatibilité entre les résultats de Hermes et de Compass est faible. Il faut cependant noter que la contribution d’une partie du bruit de fond a été négligée dans l’analyse de Hermes, ce qui affaiblit ce résultat. La figure présente également trois prédictions conduisant à des intégrales ΔG de 0,2 (pointillés), 0,6 (tirets) et 2,5 (trait plein). Si l’on ne peut exclure une forme plus compliquée pour ΔG(x) passant par zéro autour de x=0,1, le résultat de Compass favorise néanmoins une faible valeur de ΔG qui ne permettrait pas de résoudre la crise du spin, ce qui ne manquera certainement pas de stimuler de nouvelles études théoriques.
Figure 2: La polarisation du gluon en fonction de la fraction d’impulsion x du gluon. Les mesures de Hermes, de SMC et de Compass avec des barres d’erreurs uniquement statistiques, comparées à trois modèles théoriques.
Dans le futur, la collaboration RHIC-spin à Brookhaven présentera des mesures de ΔG/G qui couvriront des valeurs de x plus faibles. Après la prise de données prévue en 2006, Compass devrait disposer d’un lot statistique suffisant pour obtenir un résultat par une autre méthode, basée sur la détection de particules « charmées ». L’interprétation est dans ce cas plus solide car il n’y a pas de bruit de fond. L’ensemble de ces mesures fournira la forme de la distribution ΔG(x) qui est, à elle seule, une information fondamentale sur la structure du nucléon. On devrait, de plus, pouvoir en déduire l’intégrale ΔG qui intervient dans la crise du spin. À plus long terme, les physiciens souhaitent mesurer la contribution du moment orbital des quarks et des gluons. Le groupe du Dapnia étudie dans quelles conditions l’expérience Compass pourrait faire un premier pas dans cette direction après une éventuelle extension de l’appareillage.
Contact :Jean-marc Le Goff
• Structure de la matière nucléaire › Structure en quarks et gluons des hadrons Constituants élémentaires et symétries fondamentales
• Le Département de Physique Nucléaire (DPhN)
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