Mesurer la polarisation des protons et neutrons au-delà des limites

Publié par Adrien le 24/05/2020 à 09:00
Source: CEA IRFU
Les nucléons (protons et neutrons), ces particules qui composent le noyau atomique, peuvent être polarisés. Cette polarisation consiste en l'alignement, dans le même sens, des spins des nucléons, le spin étant une propriété quantique des particules que l'on peut assimiler à l'image classique d'une toupie ( Une toupie est un jouet destiné à tourner sur lui-même le plus longtemps possible, en équilibre sur sa pointe. On appelle également toupie le réservoir de camions...) qui tourne autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent...) d'elle-même. 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...) forte, qui lie les nucléons entre eux au sein du noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10 m) et concentre quasiment toute...), est très sensible à la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En...). Ainsi, afin de percer les mystères de cette interaction forte, il peut être intéressant de mesurer la polarisation des particules produites dans une réaction. Pour la mesurer on construit des polarimètres qu'on conçoit, teste et valide avec des faisceaux de protons et de neutrons de polarisation connue. Aujourd'hui, dans le domaine des hautes énergies (ordre du GeV), de tels faisceaux sont accélérés seulement au Nuclotron au JINR de Dubna, en Russie.


Figure 1: collaboration ALPOM (Collaboration autour du polarimètre POMME, Polarimètre Mobile Moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) Energie, à Dubna) qui a réalisé les mesures de polarimétrie à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).

Afin de concevoir et optimiser un polarimètre aux énergies du GeV (énergie nécessaire pour sonder l'intérieur d'un nucléon), les pouvoirs d'analyse ont été mesurés en envoyant les faisceaux du Nuclotron sur différentes cibles: carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), mylar, paraffine, ainsi que sur une cible lourde, le cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte...), pour des impulsions comprises entre 3 et 4,2 GeV/c. Cette étude montre que la polarimétrie à haute énergie présente des caractéristiques spécifiques, ouvrant ainsi la voie à des approches expérimentales innovantes. Ces résultats ont été publiés dans EPJA, comme 'Special article', section 'New Tools and Methods' [1].

La mesure de la polarisation, une sonde indispensable à JLab

Plusieurs expériences à Jefferson Laboratory (JLab, USA) nécessitent la mesure de la polarisation des protons ou des neutrons produits lors d'une réaction. En effet, lors de la diffusion élastique (Une diffusion élastique (ou collision élastique) est une interaction au cours de laquelle la quantité d'énergie cinétique entre deux corps est conservée.) d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) sur un nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de nucléons par atome est généralement noté...) par exemple, où une ou plusieurs particules sont polarisées, on a accès à des observables très sensibles aux modèles théoriques. En particulier, une méthode, suggérée par A.I. Akhiezer et M.P. Rekalo [2], s'est révélée imbattable pour mesurer les 'facteurs de forme électrique et magnétique' qui décrivent la distribution des charges à l'intérieur du proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) [3,4]. Cette méthode requiert la mesure de la polarisation du proton de recul dans la réaction élastique électron-proton:

e+p → e+p (1)

Lors de cette réaction, un faisceau d'électrons polarisés est envoyé sur une cible de protons et c'est la polarisation des protons diffusés en voie de sortie, appelés protons de recul, que l'on cherchera à mesurer. De manière analogue, le faisceau d'électrons polarisés peut être envoyé sur les neutrons d'une cible, et c'est alors la polarisation des neutrons de recul que l'on cherchera à mesurer.

Comment mesure-t-on la polarisation ?

Les particules qui sont produites dans la réaction d'intérêt et dont on veut connaître la polarisation, les protons de recul de la réaction (1) par exemple, traversent un polarimètre qui se trouve en général au plan focal d'un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse...). Un exemple de polarimètre est présenté en figure 2. Ce polarimètre est composé d'un système de détection (Un système de détection est un système permettant à l'utilisateur d'observer un événement automatiquement par le biais d'un appareil électronique ou...) de trajectoires avant (en vert) et après (en rouge) une cible secondaire (en violet). Grâce à la reconstruction des trajectoires en voie d'entrée et de sortie de la cible secondaire, il va être possible de mesurer les asymétries gauche/droite ou haut/bas dans les produits de la réaction secondaire par rapport à la symétrie cylindrique autour de l'axe défini par la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) de la particule incidente (avec un faisceau non polarisé, les produits de réaction seraient émis selon une symétrie cylindrique autour de l'axe faisceau). Précisément, c'est l'asymétrie (L'asymétrie est l’absence de symétrie, ou son inverse. Dans la nature, les crabes violonistes en sont des exemples spectaculaires.) selon l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) azimutale (φ présenté en Fig. 2) qui permettra de remonter à la polarisation de la particule entrante dans le polarimètre. Ainsi, la polarisation des particules est mesurée par "l'asymétrie de la distribution azimutale dans une diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) secondaire". La nature de la cible secondaire, son épaisseur, ainsi que la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces...) du polarimètre, sont optimisées pour chaque énergie.


Figure 2: schéma d'un polarimètre. Le système de détection des trajectoires avant(après) la cible secondaire est représenté en vert(rouge). La cible secondaire (en violet) est positionnée au plan focal d'un spectromètre. Les composantes longitudinale (PL), transverse (PT) et normale (PN) de la polarisation du proton incident vont être traduites en un angle polaire (théta) et azimutal (phi).

Les mesures de polarimétrie sont très difficiles car il faut connaître les trajectoires avec une grande précision ainsi que les éventuelles asymétries expérimentales (mauvais alignement du polarimètre par exemple). Elles nécessitent beaucoup de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de faisceau car il y a au final deux réactions successives i) une première pour produire la particule dont on cherche à mesurer la polarisation ; ii) une deuxième interaction avec une cible secondaire pour mesurer cette polarisation. Cette deuxième réaction doit être simple à identifier et très sensible à la polarisation des particules, ce qui est quantifié par deux observables: 1) la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la...), qui caractérise la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude...) que cette réaction ait lieu, 2) le pouvoir d'analyse, qui quantifie la sensibilité de la réaction à la polarisation des particules entrantes.

Pouvoir d'analyse d'un polarimètre

Pour déterminer le pouvoir d'analyse d'un polarimètre, on mesure l'asymétrie azimutale des particules avec un faisceau de polarisation connue (même pour les expériences auprès d'un accélérateur d'électrons, un faisceau de protons ou neutrons est donc nécessaire pour cette étape de calibration !). Les premières expériences à JLab ont bénéficié des mesures faites dans les années 90, au Laboratoire National Saturne, à Saclay, dont l'impulsion était limitée à 3 GeV/c pour les protons et 1,9 GeV/c pour les neutrons polarisés. Il se trouve qu'une cible de Carbone, ou de mylar de grande épaisseur, et la détection de la particule chargée émise à chaque réaction secondaire était suffisante pour bâtir un polarimètre efficace. Ces mesures ont montré que les pouvoirs d'analyse diminuent quand l'énergie augmente, ceci est dû notamment au fait que d'autres réactions, produisant plusieurs particules chargées et peu intéressantes pour la polarisation, deviennent plus probables. La valeur maximale du pouvoir d'analyse Ay montre un comportement linéaire en fonction de l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) de l'impulsion, 1/pLab (Fig. 3).


Figure 3: Dépendance du pouvoir d'analyse en fonction de l'inverse de l'impulsion incidente des protons (p) et neutrons (n) sur différentes cibles (proton p, CH2, C). Chaque couleur correspond à une combinaison (Une combinaison peut être :) faisceau (p, n) - cible (p, CH2, C). La valeur maximale du pouvoir d'analyse diminue quand l'impulsion augmente.

Vers la polarimétrie de haute énergie

A cause de cette dépendance, pour effectuer les mesures à plus haute énergie envisagées à JLab, il est nécessaire de développer des polarimètres de nouvelle génération et comparer leurs performances dans les conditions cinématiques requises. Au JINR de Dubna, en Russie, des deutons1 polarisés peuvent être accélérés jusqu'à une impulsion de 13 GeV/c. On obtient, par cassure (En minéralogie, la cassure désigne l'aspect de la surface d'un minéral qui, après avoir été soumis à une contrainte, se brise en présentant des surfaces de fractures...) sur une cible de Béryllium (Le béryllium est un élément chimique de symbole Be et de numéro atomique 4. Dans le tableau périodique, il est le premier représentant des métaux alcalino-terreux.), des faisceaux de neutrons et de protons avec une impulsion de moitié ( ~ 7 GeV/c) et un transfert complet de polarisation (c'est-à-dire que le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de polarisation est le même dans le faisceau de deutons et dans les produits de la cassure). Un programme de mesures systématiques de pouvoirs d'analyse est en cours par la collaboration ALPOM, qui comprend une trentaine de physiciens venus de Russie, USA, France, Slovaquie, Ecosse. Le polarimètre POMME qui était opérationnel à Saturne (dans ses différentes versions incluant même une cible d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (HYPOM) [5] !) à été transféré au Laboratoire des Hautes Energies (VBLHEP) au JINR, suite à la fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) de Saturne.

Les résultats obtenus avec le faisceau polarisé de neutrons de JINR sont illustrés sur la figure 4: à gauche pour différentes cibles à 3,75 GeV/c ; à droite, pour une cible de CH2 pour des impulsions pLab = 3, 3,75 et 4,2 GeV/c. C'est la première fois que les pouvoirs d'analyse sont mesurés sur des noyaux lourds (autre que cible d'hydrogène pure) et des cibles épaisses avec un faisceau polarisé de neutrons. Le pouvoir d'analyse, Ay, suit une courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont...) en cloche, (diminuant légèrement quand l'impulsion du faisceau augmente, cf fig. 4 à droite) et est comparable pour les différentes cibles: C, CH, CH2, Cu (Fig. 4 à gauche). L'utilisation d'une cible de Cu est aussi compétitive que les cibles légères. Ceci simplifie grandement la géométrie du polarimètre, car les épaisseurs requises en Cu sont plus faibles pour une même densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C...) de cible secondaire.


Figure 4. Gauche: pouvoirs d'analyse pour la réaction induite par les neutrons polarisés de 3,75 GeV/c sur différentes cibles. Aucun effet systématique dépendant de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) de la cible n'est observé. Droite: pouvoirs d'analyse pour la réaction induite par les neutrons polarisés sur la cible de CH2 pour différentes valeurs d'impulsion: 3 GeV (cercles pleins), 3,75 GeV (carrés pleins), 4,2 GeV (cercles vides). Le pouvoir d'analyse diminue légèrement quand l'impulsion du faisceau augmente.


Figure 5: pouvoirs d'analyse pour la réaction p+Cu et d'échange de charge n+Cu, avec détection d'une particule chargée dans le calorimètre, avant (symboles pleines) et après (symboles vides) sélection sur l'énergie déposée par la particule chargée produite et détectée dans le calorimètre.

Les réactions qui ont lieu au niveau de la cible secondaire vont produire des particules chargées qui peuvent être détectées dans un calorimètre (détecteur monté au bout du polarimètre). L'effet de la sélection sur l'énergie déposée dans le calorimètre par ces particules chargées est illustré sur la figure 5. On voit une augmentation d'un facteur 1,3 pour la réaction avec le faisceau de protons, et d'un facteur 2 pour la réaction d'échange de charge2, induite par le faisceau de neutrons.

Conclusion

Pour résumer, les résultats montrent trois caractéristiques nouvelles et particulièrement intéressantes à de telles valeurs d'impulsion:
- la réaction d'échange de charge devient intéressante par rapport à la diffusion, ce qui est plus avantageux pour les neutrons, car elle requiert la détection d'une particule chargée vers l'avant, toujours plus facile à détecter qu'un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants...) !
- les cibles lourdes sont au moins aussi efficaces que les cibles légères riches en hydrogène, ce qui simplifie grandement la conception d'un polarimètre ;
- les pouvoirs d'analyse augmentent notablement après une sélection sur l'énergie déposée par les particules diffusées, ce qui est obtenu par ajout d'un calorimètre au système traditionnel de tracking.

Ces résultats ont permis de démontrer la possibilité de concevoir des polarimètres à haute énergie et donc la faisabilité des expériences futures à JLab. Il est prévu de poursuivre ces mesures jusqu'à la plus grande énergie des faisceaux disponibles à Dubna.

Notes:
1. Le deuton est le noyau atomique du deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.), il est composé d'un proton et d'un neutron. Il s'agit d'un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est...) de l'hydrogène.
2. Contrairement à la diffusion élastique (réaction (1)) où les particules en voie d'entrée sont identiques aux particules en voie de sortie, l'échange de charge est telle que pour un neutron envoyé sur une cible, c'est un proton qui sera détecté vers l'avant en voie de sortie.

Références:
[1] S. N. Basilev et al., Eur. Phys. J. A 56, 26 (2020).
[2] A.I. Akhiezer and M.P. Rekalo, Sov.J. Part. Nucl. 4, 277 (1974).
[3] C.F. Perdrisat et al., JLab Exp. E12-07-109 (2007).
[4] J.R.M. Annand et al., JLab Exp. E12-17-004 (2017).
[5] L.B. Golovanov et al., Nucl. Instrum. Meth. A430 (1999) 1-9.

Contact:
Egle Tomasi-Gustafsson Irfu/DPhN.
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