Nuclear Physics Division

L'étude des distributions transverses de partons dans le nucléon par les processus Drell-Yan polarisés (2015, 2018)

Le processus Drell-Yan consiste en l'interaction d'un faisceau de hadrons, ici des pions, sur une cible de nucléons, ici de protons. Cette cible est dans notre étude polarisée transversalement à la direction du faisceau afin d'étudier les effets de spin. L'interaction Drell-Yan consiste en l'anhilitation d'un antiquark du pion du faisceau avec un quark du proton de la cible, qui forment un photon qui va produire une paire lepton-antilepton, ici une paire de µ+-µ-. (A compléter)

Grâce à l’utilisation conjointe d’un faisceau de pions de haute énergie et d’une cible de nucléons polarisés transversalement, COMPASS est la première expérience à pouvoir mesurer directement des événements de type Drell-Yan dépendant du spin. Le processus Drell-Yan (annihilation d’un quark et d’anti quark en une paire de leptons q q → l⁺ l^-) a été utilisé dans le passé pour étudier entre autres les distributions simples de quarks dans le nucléon. Les faisceaux actuels, la cible polarisée et le spectromètre COMPASS permettent de réaliser des mesures de plus grande précision, et surtout d’accéder aux distributions de partons dépendant du moment transverse (TMDs) des partons. Ces mesures sont tout à fait complémentaires des mesures de TMDs déjà réalisées en diffusion profondément inélastique également à COMPASS. De ce fait, on peut étudier l’universalité des distributions TMDs, un résultat très attendu par les théoriciens. C’est ce qui est entrepris à COMPASS

Dispositif expérimental

Le faisceau de pions de 190 GeV produit les antiquarks (de la région de « valence » du méson pion) qui s’annihilent avec les quarks (également de valence) du proton cible. L’événement Drell-Yan est signé par la création d’une paire de leptons, dans ce cas un muon positif et un muon négatif. Les muons sont très facilement identifiés, étant les seuls à traverser un énorme absorbeur de tungstène et béton. La cible comprend deux cellules où les protons sont polarisés transversalement et dans les deux directions opposées. Des mesures de différentes asymétries azimutales des produits de la réaction, entre les deux cellules, permettent de déterminer simultanément plusieurs TMDs.

Résultats et perspectives

Les premières mesures donnent un résultat très prometteur pointant vers l’universalité des TMDs (publication PRL 2017et Fait Marquant). La prise de données se poursuit en 2018 pour finaliser la mesure. En parallèle, les événements Drell-Yan produits sur différentes cibles nucléaires sont analysés pour étudier la structure interne du pion jusque-là mal connue. La possibilité de produire dans le futur (au-delà de 2023) des faisceaux enrichis en kaons ou antiprotons est à l’étude. On aurait alors accès à la structure en quarks des kaons.

La structure en spin du nucléon (2002-2011)

Pour l'étude de la structure en spin du nucléon, un faisceau de muons naturellement polarisé et d'énergie de 160 GeV est diffusé sur des cibles polarisées dans des directions opposées de deutons (⁶LiD) ou protons (NH₃). La mesure des asymétries de spin permet d'accéder aux distributions de partons polarisées dans le cadre de la diffusion très inélastique. Des mesures antérieures avaient montré que les quarks ne portent qu'une faible part du spin total du nucléon. L'un des objectifs principaux de COMPASS a été l'étude de la contribution des gluons au spin du nucléon.

Pour cela, il faut isoler les évenements où a lieu une fusion photon-gluon (PGF), qui sont sensibles à la distribution des gluons. Deux processus PGF sont étudiés: la production de mésons charmés D0 dont on détecte les produits de désintégration, et la production de hadrons à grande impulsion transverse. Ces études menées depuis 2002 ont déjà conduit à de nombreuses publications, et montrent toutes, dans la limite des barres d'erreur actuelles, une contribution positive des gluons dans la région cinématique mesurée. En parallèle la contribution des quarks au spin du nucléon a été mesurée à nouveau: environ 25% du spin du nucléon provient du spin des quarks, résultat en accord avec les récents calculs en QCD sur réseau.

Les quarks étranges dans le nucléon

Grâce à la luminosité accrue (4. 10³²cm^-2.s^-1) par rapport aux expériences précedentes et l'utilisation d'un détecteur à imagerie Cerenkov, COMPASS permet aussi de déterminer avec plus de précision les distributions de quarks polarisées de la mer à petit x, dont les quarks étranges. Ce volet a également conduit à de nombreuses publications, et permetttra, en combinant les mesures d'asymétries et de multiplicité des pions et des kaons, de déterminer aussi les fonctions de fragmentation des quarks étranges.

Les contributions techniques de l'IRFU 

L'IRFU a contribué de façon importante et souvent décisive à la réalisation de détecteurs de pointe pour l'expérience COMPASS, ainsi qu'à la restauration d'aimants supraconducteurs:

• Détecteurs Micromegas: conception, réalisation et mise en oeuvre de 12 détecteurs Micromegas de 40x40 cm² de surface active, ainsi que l'électronique rapide de mise en forme et de digitisation associée. Ces détecteurs ont longtemps été les plus grands détecteurs gaseux à micromesh utilisés sur une expérience de haute énergie. Ils permettent de tenir des flux jusqu'à 500 kHz, ont une résolution spatiale de 90 μm et une résolution en temps de 10 ns. Néanmoins, ces détecteurs avaient une zone inactive de 5 cm de diamètre au centre. Pour lever cette restriction et ainsi pouvoir améliorer le tracking du muon diffusé à plus petit angle pour les mesures GPD (qui correspond aux grands x Bjorken), des détecteurs hybrides avec une feuille de GEM comme préamplificateur et équipés de pixels au centre ont été réalisés en partenariat avec l'entreprise ELVIA pour la prise de données 2015, démarrage officiel de la phase 2 de COMPASS.
• Chambres à dérive: réalisation et mise en oeuvre de grandes chambres à dérive (DC0, DC1, DC2 de 1.2x1.2 m² et DC4 de 2x2 m²) avec 8 plans par chambre et un gap de 8 mm, ainsi que l'électronique associée. La résolution spatiale est de 200 µm. L'IRFU a transféré son savoir faire à l'Université d'Illinois pour réaliser une chambre supplémentaire DC5 basée sur le design de DC4 pour améliorer le tracking des muons à grand angles pour l'étude du Drell-Yan.
• Aimant supra-conducteur de la cible: l'IRFU a également été mis à contribution pour remettre en service dans un premier temps le solénoide supra de l'ancienne expérience SMC pour les mesures effectuées à COMPASS de 2002 à 2004. Puis dans un deuxième temps pour effectuer les tests à froid, la mise en route, la caractérisation et l'instrumentation du solénoide à grand angle solide réparé par Oxford DanPhysik, lequel a servi à toutes les mesures depuis 2006.
• Détecteur de temps de vol "Camera": conception, réalisation et mise en oeuvre d'un détecteur pour mesurer les protons de recul de la réaction DVCS. Ce détecteur de 5 tonnes, de 4 m de long et 2 m de diamètre, basé sur l'utilisation de deux couronnes concentriques de scintillateurs plastique, a été installé autour d'un cible d'hydrogène de 2.5m de  long en 2012, ce qui a permis de prendre les données DVCS en 2012, 2016 et 2017.