Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Posté par Redbran le Mercredi 15/11/2017 à 12:00
Compass: une mesure pionnière répond à une question posée au début des années 2000
Les physiciens de la collaboration Compass au Cern, dont fait partie une équipe de l’Irfu, viennent de publier les résultats d’une mesure sur la structure en quarks du proton [1] pour le moins originale. Cette mesure, attendue depuis longtemps, tend à confirmer l’une des prédictions de la théorie de l’interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte, la Chromodynamique Quantique (La chromodynamique quantique, acronyme QCD de l'anglais Quantum ChromoDynamics, est une théorie physique qui décrit l’interaction forte, l’une des forces...) (QCD). En effet, d’après la QCD, une prédiction appelée « factorisation », stipule (En botanique, les stipules sont des pièces foliaires, au nombre de deux, en forme de feuilles réduites située de part et d'autre du pétiole, à sa base, au...) que la réaction complexe entre deux particules lors d’une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) nucléaire de suffisamment grande énergie peut être séparée en deux contributions: l’interaction elle-même et les fonctions de distribution des quarks à l’intérieur des particules en interaction. Pour examiner le concept de factorisation, les expérimentateurs ont mesuré une même quantité physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...), appelée asymétrie, mais en employant deux processus différents: avec un faisceau de muons en premier lieu et avec un faisceau de pions ensuite. Le résultat est original car paradoxalement, pour confirmer les prédictions de la QCD, les deux expériences doivent fournir des résultats de signes opposés.

L’« universalité modifiée », ou comment deux mesures de signes opposés peuvent être toutes les deux vraies

Le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) est un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) composite. Il est constitué de particules élémentaires - les quarks - qui interagissent en permanence entre elles en échangeant des particules vecteurs de l’interaction - les gluons. Pour étudier sa structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une...) les expérimentateurs envoient un faisceau de particules de très haute énergie sur une cible de protons. Si l’énergie incidente est suffisamment élevée, les particules du faisceau interagissent directement avec des quarks de la cible. Les quarks n’étant pas immobiles, les produits de la réaction nous renseignent alors sur leurs impulsions à l’intérieur de la cible. Un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) suffisant de collisions donne accès aux « fonctions de distribution » des quarks dans le proton. Dans le cas particulier où les quarks ont une composante transverse à l’impulsion du faisceau incident, on parle de « distributions dépendantes de l’impulsion transverse » (TMD).

Et c’est ici que les prédictions de la QCD, qui comme son nom l’indique est une théorie quantique, échappent au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) commun. L’hypothèse de factorisation implique que certaines TMDs changent de signe en fonction de la réaction avec laquelle on les mesure. Les physiciens disent que ces TMDs ont une « universalité modifiée ». Comme si dans notre monde (Le mot monde peut désigner :) macroscopique, en mesurant la température avec deux thermomètres différents, on obtenait deux valeurs différentes. Avec un premier thermomètre on aurait par exemple 20 degrés. Si la température était une fonction quantique à universalité modifiée semblable à ces TMDs, un deuxième thermomètre mesurerait la température exactement opposée: -20 degrés. Dans la vie (La vie est le nom donné :) de tous les jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les...) l’un des deux thermomètres irait certainement à la poubelle. Dans le monde des particules élémentaires où la mécanique quantique règne en maître, un tel changement de signe n’est pas seulement possible mais, si notre compréhension de la factorisation dans QCD est correcte, il est obligatoire.

Une mesure difficile

Mesurer les propriétés du proton à travers une quantité surprenante qui change de signe en fonction du type de faisceau (sonde) qu’on utilise n’est pas chose facile. Pour accéder aux TMDs, les spins (1) des protons individuels doivent être tous orientés de la même façon. On dit que les protons sont alors « polarisés ». Pour arriver à polariser les protons, les physiciens doivent les refroidir presque jusqu’au zéro absolu, les placer dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique extrêmement fort, et finalement leur appliquer des micro-ondes – comme dans les fours du même nom – mais de très haute fréquence. La cible de protons polarisés utilisée par la collaboration Compass (Figure 1) dont l’aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous)....) supraconducteur a été mis en œuvre par l’Irfu, collectionne les records: elle est la plus grande au monde et constitue l’endroit le plus froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) au Cern.

Les physiciens de Compass ont étudié les protons de cette cible avec deux « thermomètres » différents. Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ils ont utilisé un faisceau de muons, le muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive...) étant le cousin « lourd » de l’électron. Afin d’extraire la TMD recherchée, ils ont mesuré la différence entre le nombre de pions détectés pour des protons de la cible polarisés vers le haut et le nombre de pions détectés pour des protons polarisés vers le bas, le tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) normalisé par le nombre total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple :...) de pions. Le résultat obtenu, appelé aussi asymétrie, tracé en fonction de l’angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.), et caractéristique de la TMD étudiée, indique clairement une valeur non nulle. Cette première bonne nouvelle avait fait l’objet d’une publication quelques années auparavant [2].

Mais le plus difficile restait à faire. Il fallait trouver un deuxième thermomètre, en l’occurrence en utilisant un faisceau de pions et idéalement la même cible de protons polarisés. Afin de conserver les bons paramètres cinématiques, le faisceau de pions devait avoir une énergie incidente identique ou très proche. Le Cern étant le seul endroit où ces conditions sont réunies, la collaboration Compass a tout naturellement préparé une telle expérience. La mesure complémentaire de la fonction de distribution choisie a été effectuée pendant l’année 2015, en gardant avantageusement la même cible et pratiquement le même dispositif expérimental que celui utilisé pour la mesure avec le faisceau de muons. En bombardant la cible de protons avec un faisceau de pions les physiciens devaient détecter cette fois-ci simultanément deux muons, l’un positif et l’autre négatif. Et bien sûr, déterminer la nouvelle asymétrie, en comparant le nombre de paires de muons pour des protons polarisés vers le haut avec le nombre de paires de muons pour des protons polarisés vers le bas.



Figure 1. L’ensemble réfrigérateur, aimant supraconducteur et cible, utilisé par l'expérience Compass. Le faisceau arrive par la gauche. Les protons polarisés, qui constituent la cible, sont confinés dans les deux cellules (en bleu) situées au milieu de l’aimant. Le sens de leur polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...) est représenté par les flèches. Les protons sont refroidis à une température de seulement 50 millièmes de degré au-dessus du zéro absolu grâce à un réfrigérateur spécial, contenant deux isotopes de l’hélium: hélium-3 et hélium-4. Ils sont ensuite polarisés à l’aide de puissants appareils à micro-ondes. Pour maintenir la polarisation constante un champ magnétique fort, orienté le long des flèches, leur est appliqué en permanence.

Première mesure d’une distribution dépendante du moment transverse avec faisceau de pions

Environ 35 000 paires de muons ont été détectées. Ce nombre peut paraître important, mais il est tout juste suffisant pour commencer à voir une différence entre les deux orientations du spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...) du proton. Comme dans toute expérience de ce genre, des tests très sévères ont été effectués afin de s’assurer que toutes les erreurs de mesure possibles sont correctement prises en compte. Le résultat de Compass (Figure 2) est indiqué par le point (Graphie) situé légèrement au-dessus de la ligne de zéro. L’asymétrie mesurée est en accord avec trois calculs théoriques différents: TMD-1, TMD-2 et DGLAP, basés tous les trois sur une analyse des mesures avec faisceau de muons. Si notre compréhension de la factorisation est correcte, le changement de signe de la TMD qui en résulte implique que l’asymétrie doit être positive. Le résultat de Compass tend à confirmer, dans la limite de la précision statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de...) obtenue, que la fonction de distribution étudiée apparaît sous un signe différent si la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre...) utilisée change de nature. Cette mesure, attendue par la communauté internationale depuis une décennie, est un jalon décisif pour un grand nombre de programmes d’études de la structure en quarks des hadrons. Cette première conclusion devrait être confirmée après une année de mesures supplémentaires, prévues pour 2018.



Figure 2. Composante angulaire AT de l’asymétrie mesurée en fonction de la fraction d’impulsion xF portée par les quarks mis en jeu dans la collision [1]. Le point rouge représente le résultat de l’expérience Compass. Les prédictions théoriques au-dessus de la ligne de zéro sont montrées avec des bandes représentant leurs incertitudes respectives. Toutes ont été obtenues en prenant en compte le changement de signe attendu. Si le changement de signe n’avait pas été pris en compte, les prédictions théoriques se seraient toutes trouvées en-dessous de la ligne de zéro.


Note:
(1) Le spin est une autre quantité purement quantique, qu’on assimile à la direction dans laquelle les protons tournent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent...) d’eux-mêmes. Pour un proton le spin ne peut avoir que deux valeurs: +1/2 ou -1/2. Dans une direction verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) le proton est alors orienté (polarisé) vers le haut ou vers le bas.



Références:
[1] Compass Collaboration, Physical Review Letters 119 (2017) 112002.
[2] Compass Collaboration, Physics Letters B717 (2012) 383.

Contact chercheur:
Stephane PLATCHKOV - CEA/IRFU

Commentez et débattez de cette actualité sur notre forum Techno-Science.net. Vous pouvez également partager cette actualité sur Facebook, Twitter et les autres réseaux sociaux.
Icone partage sur Facebook Icone partage sur Twitter Partager sur Messenger Icone partage sur Delicious Icone partage sur Myspace Flux RSS
Source: CEA/IRFU
 
Vendredi 15 Décembre 2017 à 00:00:11 - Vie et Terre - 0 commentaire
» Découverte du plus ancien plésiosaure au monde
Mercredi 13 Décembre 2017 à 00:00:13 - Multimédia - 1 commentaire
» Les jeux vidéo d'action améliorent la lecture
Mercredi 13 Décembre 2017 à 00:00:04 - Physique - 1 commentaire
» Une campagne très spéciale pour LHCb