Structure en quarks et gluons des hadrons

Le DPhN est fortement engagé dans l’étude de la structure en partons (quarks et gluons) des particules, et en premier lieu, des protons et neutrons. Ces nucléons sont un cas singulier en physique car environ 90 % de leur masse est due non à la masse de leurs constituants, mais à l’interaction forte à laquelle ils sont soumis. Les nucléons sont aussi un laboratoire pour étudier le mécanisme de confinement et déconfinement qui, bien que QCD soit une théorie bien établie au sein du modèle standard, reste une question-clé ouverte. L'étude de la structure en quarks et gluons du nucléon est ainsi complémentaire de la caractérisation du plasma de quarks et de gluons et de sa transition de phase associée.

Contribution des gluons au spin des nucléons

Dans un premier temps, la question a été abordée en regardant des propriétés globales comme l’origine composite du spin du nucléon. Le DPhN a été parmi les pionniers à explorer cette voie. L’observation du fait que les trois quarks constituants ne portent qu’une faible part du spin total a produit une « crise » et a fait de cette question une priorité de la communauté. Le Laboratoire de Structure du Nucléon du DPhN est un des co-leaders de la collaboration Compass au Cern formée en 1997 avec pour but de mesurer les différentes contributions à cette observable globale. La période 2008-2013 a permis d’atteindre un niveau de précision inégalée, en particulier sur la contribution des gluons et des quarks étranges de la mer. En parallèle les mesures confirment que seulement 25% du spin du proton provient du spin des quarks, en accord avec les premiers calculs sur réseau. Les 75% restant se partagent entre spin des gluons et moment orbital des quarks et des gluons.

Structure en quarks et gluons des hadrons

Polarisation du gluon en fonction de x, fraction d'impulsion du nucléon porté par le gluon

Sections efficaces polarisées DVCS mesurées à JLab

Image "3D" du nucléon: position et impulsion des quarks et des gluons dans le nucléon

Une approche moderne consiste à mesurer les distributions de partons généralisées (GPD) pour l'étude de la structure du nucléon. Ces GPD représentent les distributions des positions et impulsions des particules composants le nucléon. Les premières expériences consacrées à l’étude de ces GPD ont été mises en œuvre au Jefferson Lab (2004-2010). Elles consistent en l'étude de la diffusion Compton virtuelle (DVCS). Le domaine des quarks de valence a été étudié de manière exploratoire avec le spectromètre CLAS au Jefferson Lab à 6 GeV d'énergie de faisceau. La montée en énergie à 12 GeV de l’accélérateur d'electrons du Jefferson Lab en 2017 permettra la mesure systématique des GPD dans cette région cinématique. Le programme COMPASS au CERN permet d'explorer la région des quarks de la mer et des gluons, afin de disposer à terme d’une image complète de la corrélation impulsion-position des quarks dans le nucléon. Le DPhN est co-porte-parole de toutes ces expériences.

Un environnement logiciel d'analyse théorique

L'environnement logiciel PARTONS a en outre été mis en place pour l'analyse globale de toutes les données expérimentales liées aux GPD. Il consiste en une base de données de résultats expérimentaux et théoriques, et en des algorithmes rapides et robustes pour le calcul des observables. Cet environnement, conjugué à des développements théoriques, permettra à terme de réaliser la tomographie 3D du nucléon.