De quelles façons les propriétés des quarks, ultimes constituants de la matière, influencent- elles les composants du noyau atomique, les nucléons ? L’expérience Compass au Cern, qui prend des données depuis 2002, nous livre ses premiers résultats : une évaluation deux fois plus précise de la contribution du moment magnétique intrinsèque des quarks (le spin) à celui du nucléon et une première mesure des effets dits « de spin transverse ».
L’un des objectifs de l’expérience Compass au Cern est l’étude de l’origine du spin du nucléon. Le nucléon, proton ou neutron, est constitué de quarks ainsi que de gluons, particules qui véhiculent l’interaction entre les quarks. D’après la théorie, on s'attend à ce qu’une fraction importante (~60%) du spin du nucléon, qui caractérise la rotation propre de la particule, provienne du spin des quarks. Or une série d'expériences au Cern à Genève et au Slac, près de San Francisco, ont montré que ce n'est pas le cas : 20 ou 30 % seulement du spin du nucléon provient des quarks. Pour résoudre ce problème, Compass a entrepris de nouvelles mesures de la contribution du spin des quarks et des gluons au spin du nucléon.
Le spectromètre Compass
Le spectromètre Compass est opérationnel depuis 2002, il utilise un faisceau de muons polarisés de 160 GeV du Cern et une cible de nucléons polarisés d’abord longitudinalement (dont les spins sont alignés avec l’axe du faisceau par un champ magnétique adapté). Une cible de deutérium (dont le noyau, le deuton, est constitué d’un proton et d’un neutron) a été choisie car elle permet d’obtenir des lots de données plus importants. En attendant les premières évaluations de la contribution du spin des gluons, des résultats prometteurs concernant la fonction de structure en spin du nucléon viennent d’être publiés.
L’utilisation de faisceaux de muons polarisés permet de remonter à une composante de la fonction de structure en spin, concernant la partie « longitudinale » de ce spin. Cette fonction, g1, s’obtient à partir de la mesure de l’asymétrie entre les sections efficaces polarisées (probabilités d’interaction quand le faisceau et la cible sont polarisés) obtenues quand on renverse la polarisation du faisceau ou de la cible.
La fonction g1 s’interprète comme la somme des distributions de quarks polarisés, g1 = Σ eq2 Δq, où Δq est la polarisation longitudinale de chaque type de quark. Les données de Compass1 couvrent le domaine des petites valeurs de la fraction d’impulsion portée par les quarks dans le nucléon, notée x, avec une précision bien meilleure que celle de l’expérience précédente SMC (Fig.2). L’intégrale de cette fonction g1 permet de quantifier la contribution totale des quarks au spin du nucléon, ΔΣ quantité très sensible aux incertitudes sur la fonction g1 à petit x.
Fig.2 : Nouvelles données de Compass pour la fonction de structure en spin du deuton, comparées aux mesures antérieures de SMC. Les courbes en bas donnent l’échelle des erreurs systématiques évaluées pour les deux expériences. Le domaine des petites valeurs de x est important pour l’extraction de la contribution du spin des quarks au spin du nucléon.
Grâce à ces nouvelles données, l’ajustement global de l’ensemble des données mondiales concernant la fonction de structure en spin est mieux contraint, et la contribution des quarks mieux connue dans la région des faibles valeurs de x. L’erreur statistique est ainsi divisée par deux, confirmant la faible valeur de l’apport des quarks au spin du nucléon : ΔΣ = 0.24 ± 0.02. Les données prises en 2004 devraient encore améliorer la précision de cette mesure.
L’axe de polarisation de la cible de Compass peut être orienté longitudinalement ou transversalement par rapport à la direction du faisceau. Dans ce dernier cas, on a alors accès à la fonction de structure en spin « transverse » h1, qui est tout aussi importante que g1 et reliée aux polarisations transverses des quarks ΔqT. L’étude des distributions angulaires des hadrons issus de ces interactions, dans les données prises en 20022, indique que cette contribution est voisine de zéro (Fig.3) dans la limite de la statistique actuelle. Les données de 2003 et 2004, en cours d’analyse, permettront de réduire la barre d’erreur d’un facteur 2. Ces mesures seront poursuivies avec une cible de protons afin de déterminer les asymétries pour le proton et le neutron séparément.
Fig.3 : Première mesure de l’asymétrie azimutale des hadrons positifs et négatifs produits lors de la diffusion de muons sur des deutons (polarisés transversalement) en fonction de z (fraction d’énergie emportée par le hadron).
contact : Fabienne Kunne 1 Measurement of the spin structure of the deuteron in the DIS region, Compass collaboration, hep-ex/0501073, Physics Letters B 612 (2005) 154. 2 First Measurement of the Transverse Spin Asymmetries of the Deuteron in Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering, hep-ex/0503002, accepté pour publication dans Physical Review Letters
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• Nucleon Structure Laboratory (LSN) - The internal structure of hadrons
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Dernière mise à jour : 20-11-2024
