HAPPEx-Parité

Structure du Nucléon et tests du modèle standard a basse énergie

Interaction faible entre un faisceau d'électron et sa cible. Cette interaction est décrite par l'échange d'un Z0 et a la particularité de violer la parité (l'intéraction vue dans un mirroir n'est pas la même).

Thématique et contexte du projet La motivation des expériences dites de "violation de parité" est d'isoler la composante d'interaction faible (échange d'un boson Z0) lors de l'interaction d'électrons avec la matière.
*Expérience HAPPEx (Hall A Parity Proton Experiment): Diffusion élastique d'électrons sur une cible hadronique (proton ou Hélium 4). La "composante Z0" isolée grâce à la violation de parité fournit une information nouvelle sur la structure interne du nucléon qui nous permet d'accéder au contenu en quarks étranges.
*Expérience E158: Diffusion électron-électron. L'absence de structure interne permet un test fin de l'interaction elle-même, décrite par le modèle standard, dans un domaine cinématique complémentaire aux grands collisionneurs.

Site officiel

Localisation L'expérience HAPPEx a lieu dans le hall A de l'accélérateur Cebaf, au Jeffferson Laboratory, en Virginie.
L'expérience E158 s'est déroulee au Stanford Linear Accelerator Center, en Californie.

Collaboration La collaboration HAPPEx regroupe une trentaine d'instituts et universités venant majoritairement des USA, France et Italie.
La collaboration E158 regroupe 11 universités et Institut Américains et le Dapnia.

Moyens d'investigation Les mesures sont réalisées à l'aide de faisceaux polarisés d'électrons de quelques GeV (1 a 50 typiquement) qui diffusent sur une cible fixe non polarisée. Le signal de violation de parité est isole en mesurant la différence des taux de comptage entre les états de polarisation parallèle et anti-parallèle du faisceau. Plus exactement c'est l'asymétrie, différence divisée par la somme des taux de comptage, qui est mesurée en pratique. L'interaction électromagnétique, dominante à ces énergies, respecte la parité et ne contribue donc pas a la différence de taux de comptage.
Dans le cas d'une cible hadronique, on utilise la connaissance de l'interaction faible pour extraire de cette asymétrie une information sur la structure interne de la cible, seule inconnue dans le processus mesuré.
Dans le cas de la diffusion électron-électron tout est a priori prédit par la théorie. Une mesure fine de l'asymétrie de violation de parité permet alors de tester notre description théorique et éventuellement de mettre en évidence une nouvelle physique au-delà du modèle standard actuel.

Instruments Les expériences décrites ici visent à isoler la diffusion élastique du faisceau sur la cible. Les dispositifs de détection comportent une cible cryogénique suivie d'un spectromètre magnétique qui dévie les électrons diffusés jusqu'à un plan focal de détection. L'optique magnétique et un jeu de collimateurs séparent clairement la cinématique élastique du bruit de fond des autres processus. Seuls les électrons diffuses sont détectés.

Spécificités Les asymétries de violation de parité sont de l'ordre du ppm (1.E-06) et mesurées a quelques pourcent près. Une telle précision implique nombre de spécificités pour ces expériences:

- Pour atteindre la précision statistique il faut accumuler un nombre gigantesque d'électrons diffusés, de l'ordre de 10¹⁸... Ceci n'est possible en un temps raisonnable qu'avec des faisceaux intenses et hautement polarisés.
Ce programme de physique utilise ainsi une nouvelle technologie de source d'électrons polarisés, basée sur un cristal d’Arséniure de Gallium contraint.. Des polarisations de 86% avec un courant de 100 microA sont maintenant possibles à Jefferson Lab.
- Afin d'augmenter le taux de comptage les cibles sont aussi épaisses que possible. E158 détient le record de cible d'hydrogène liquide étendue avec une longueur de 1,50m et une puissance de refroidissement de 1kW.
- Les taux de comptage évoluent entre 10MHz pour HAPPeX et 4GHz pour E158. La séparation des bons événements est assurée par le spectromètre magnétique et la détection ne fait qu'intégrer en aveugle le flux d'électrons a la sortie pendant chaque période de polarisation du faisceau (// ou anti-//). Ce mode de détection est très différent des techniques standard d'identification événement par événement.
- Enfin les très faibles asymétries mesurées demandent une maîtrise parfaite de tous les paramètres faisceaux afin de ne pas induire de "fausses" asymétries. L'accélérateur en entier est donc partie intégrante de l'expérience avec une série de diagnostiques et de contre-réactions en ligne sur tous les paramètres du faisceau (positions, intensité, énergie) ainsi qu'une préparation très soignée du dispositif de la source polarisée.

Un des deux spectromètres de haute résolution utilisé dans le hall A de Jefferson Lab pour l'expérience HAPPEx2.

Résultats des expériences HAPPEx2 combinés avec les autres mesures existantes. L'axe horizontal est relié au moment magnétique du nucléon porté par les quarks étranges, l'axe vertical au rayon de charge des quarks étranges. Le résultat physique a 95% de chance d'etre à l'intérieur de l'ellipse, ce qui favorise un moment magnétique étrange non-nul et positif, en desaccord avec les prédictions théoriques.

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques HAPPEx:
- Conception, réalisation et installation des détecteurs d'électrons ;
- Co-porteparole de l'expérience sur le proton ;
- Responsable de la polarimétrie faisceau, principale erreur de normalisation de la mesure. Utilise le polarimètre Compton, conçu et réalisé par le Dapnia et le LPC de Clermont-Ferrand.

E158:
- Conception du détecteur pour la mesure du bruit de fond de pions et chiffrage de l'erreur systématique associée ;
- Analyse des effets de fluctuations intra pulse des paramètres faisceaux.

Etats et perspectives

Dates importantes HAPPEx à JLab:
2001: Conception et réalisation des détecteurs d'électrons.
2002-2003: Tests de la source polarisée, performances faisceau et détecteurs.
2004: Première prise de données en juin et juillet sur le proton et l'helium 4.
2005: Publication des résultats du run 2004. Deuxieme prise de données sur le proton et l'helium 4 de juillet à décembre 2005.

E158 à SLAC:
2001: « Commissionning » - Conception et réalisation du détecteur de pion.
2002: Run I avril et mai, RunII Oct-Nov.
2003: Run III juillet à septembre . Publication des résultats du runI.
2004: Analyse des Run II et III
2005: Publication des résultats finals.

Etat au 31 décembre 2003 HAPPEx:
Prises de données terminées.
Contribution non-nulle des quarks étranges suggérée par les résultats 2004.
Analyse du dernier Run en cours.

E158:
Prises de données terminées.
Résultats publiés.

Perspectives HAPPEx:
Analyse du Run HAPPEx2 2005.
2 nouvelles expériences acceptées et prévues en 2007-08.
Réflexion sur la conception d'un polarimètre Compton "amélioré" en vue des prochaines expériences de violation de parité, très demandeuses en polarimétrie de précision. Le projet a obtenu un financement a Jlab et sa réalisation devrait s'étendre sur deux ans.
Pas d'implication prévue du Dapnia dans la réalisation de ce projet ni dans les futures expériences de parité.

Bilan scientifique et technique E158 détient le record de précision sur l'asymétrie en diffusion d'électrons. La contrainte posée sur certains scenarii de nouvelle physique au-delà du modèle standard atteint l'échelle du TeV et fait de cette mesure un des tests les plus fins du modèle standard a basse energie.
Les premiers résultats de HAPPEx montrent une maîtrise de l'appareillage (source, faisceau et détecteurs) dans le cahier des charges. Une contribution des quarks étranges est suggérée par les résultats de 2004.
La précision accrue des données de 2005 va permettre de confirmer ou non cette surprise.

Les expériences de violation de parité sont un moteur pour le développement des techniques de faisceaux polarisés. Les meilleures performances de polarisation à Jefferson Lab sont passées de 35% en 1998 a 86% a l'heure actuelle.
La sonde faible devient un nouvel outil d'étude de la structure hadronique avec de nombreux projets d'expériences dans les années a venir.

Récentes publications:

Techniques expérimentales des expériences HAPPEx:
Phys.Rev.C69:065501,2004.
Résultats HAPPEx2 2004:
nucl-ex/0506010
nucl-ex/0506011
Polarimètre Compton:
Nucl.Instrum.Meth.A551:563-574,2005
Résultats E158:
Phys.Rev.Lett.92:181602,2004
Phys.Rev.Lett.95:081601,2005

Thèses:

1 thèse soutenue en 2001 sur le polarimètre Compton
1 thèse soutenue en 2004 sur HAPPEx et E158.

Faits marquants À la recherche d’une nouvelle physique
Jusqu’où le proton est-il étrange ?

Contact

David LHUILLIER

Résultats de l'expérience E158 (point rouge). La courbe noire est la prédiction du modele standard. Les autres point sont des expériences de violation de parité dans le atomes (Cs) et de diffusion de neutrino (NuTeV).

#444 - Màj : 14/10/2011

• Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique (DEDIP) • Le Département de Physique Nucléaire (DPhN) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS)

• pas de titre

Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Contribution du Dapnia

Etats et perspectives