Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

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.