L'équipe JLAB/EIC du pôle PHE (Physique des Hautes Énergies) d'IJCLab (CNRS/IN2P3/Université Paris-Saclay) vient de réaliser une mesure clé en étudiant les constituants du neutron. Cette avancée scientifique ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre comment se construit la matière à l'échelle subatomique. En photo : le détecteur central de neutrons (CND), un des composants du détecteur central de CLAS12, conçu et construit par les équipes d’IJCLab. Crédit : Julien Bettane/IJCLab
Au cœur de la matière : une énigme vieille de 35 ans
Comprendre la structure interne de la matière est l'un des défis majeurs de la physique moderne. Au cœur de cette recherche se trouve le neutron, une particule fondamentale qui, avec le proton, constitue le noyau des atomes. Depuis les années 1980, les physiciens tentent de résoudre une énigme fascinante : comment les quarks, les briques élémentaires qui composent le neutron, s'organisent-ils pour lui donner ses propriétés ?
Le neutron, comme toute particule quantique, possède une propriété appelée "spin", comparable à une toupie microscopique qui tournerait sur elle-même. En 1988, une découverte surprenante a révélé que les quarks ne contribuaient qu'à 20-30% du spin total du neutron. Cette observation a déclenché ce que les physiciens appellent la "crise du spin" : si les quarks ne sont responsables que d'une si faible partie du spin, d'où vient le reste ?
L’ingénierie française au service d'une collaboration internationale
Pour percer ce mystère, l'équipe d'IJCLab, dirigée par Silvia Niccolai, a développé un instrument dédié : le Central Neutron Detector (CND).
Le CND dans le Hall B de Jefferson Lab, avec les physiciens d'IJCLab qui ont travaillé sur son installation. De gauche à droite : Bernard Mathon, Miktat Imre, Giulia Hull, Silvia Niccolai, Pierre Chatagnon, Julien Bettane. Credit : IJCLab
Ce détecteur, dont le design a été conçu par Joel Pouthas, est le fruit de plusieurs années de développement par une équipe d'ingénieurs et de techniciens sous la direction de Giulia Hull et Julien Bettane. Installé au Jefferson Laboratory (JLab) aux États-Unis, le CND s'intègre dans un dispositif expérimental plus large appelé CLAS12, un spectromètre capable de détecter simultanément plusieurs types de particules.
L'expérience utilise un faisceau d'électrons polarisé longitudinalement, avec une polarisation moyenne de 85%, qui bombarde une cible de deutérium liquide non polarisé. Le processus observé, appelé "Diffusion Compton Profondément Virtuelle" (DVCS), permet de mesurer l'interaction entre un photon virtuel de haute énergie et un quark du neutron.
Cette réaction nécessite la détection de trois particules : l'électron diffusé, le neutron et le photon produit. Afin d’optimiser la sélection des neutrons et réduire le bruit de fond, les chercheurs ont développé une analyse multiparamétrique, utilisant le machine learning (algorithme d’apprentissage automatique), essentielle à l’obtention des résultats finaux.
Des résultats essentiels pour la recherche en physique fondamentale
L'analyse des données, menée par Mostafa Hoballah, a permis d'obtenir pour la première fois une séparation nette en saveurs des Facteurs de Forme Compton (CFF) du neutron. Ces fonctions mathématiques décrivent précisément comment les quarks s'organisent à l'intérieur du neutron.
La figure 6 de la publication illustre de manière frappante l'avancée majeure réalisée par cette expérience. Cette figure montre l'extraction des contributions des quarks up (représentés en rouge) et down (en bleu) aux parties imaginaires des Facteurs de Forme Compton H (partie supérieure) et E (partie inférieure).
Ces contributions sont représentées en fonction de deux variables physiques importantes :
- t, la mesure du transfert d'énergie entre l'état initial et final du neutron pendant l'interaction - qui nous renseigne sur l'intensité de l'interaction.
- ξ (xi), le changement de vitesse relative du quark pendant l'interaction avec le photon virtuel - une valeur qu'on peut mesurer dans nos expériences.
La colonne de gauche montre l'état des connaissances avant l'inclusion des données de l'expérience nDVCS de CLAS12. Les zones colorées qui se chevauchent largement illustrent l'incertitude qui existait alors sur les contributions respectives des différents types de quarks. Les deux autres colonnes incluent les nouvelles données obtenues grâce à CLAS12 et au détecteur CND d'IJCLab, révélant une séparation beaucoup plus nette entre les contributions des quarks up et down.
Cette distinction claire entre les rôles des différents quarks était un objectif majeur de la physique hadronique depuis des décennies.
Cette découverte est le fruit d'une collaboration internationale impliquant plus de 160 chercheurs de 49 institutions. L'expérience, réalisée entre février 2019 et janvier 2020, a permis de collecter une quantité impressionnante de données, avec une luminosité intégrée d'environ 285 fb⁻¹. Les mesures, effectuées à différentes énergies de faisceau (10,6 GeV, 10,2 GeV et 10,4 GeV), confirment la robustesse des résultats.
Vers une nouvelle compréhension de l'univers
Publiées dans la prestigieuse revue Physical Review Letters et relayées par Physics World, ces avancées démontrent l'excellence de la recherche française en physique hadronique et le rôle moteur d'IJCLab dans les collaborations internationales. Elles contribuent à notre compréhension fondamentale de la structure de la matière.
L'équipe d'IJCLab poursuit actuellement ses recherches avec plusieurs objectifs : l'analyse des sections efficaces, sensibles à d'autres aspects de la structure du neutron, et l'exploitation de données obtenues avec une cible de deutérium polarisée longitudinalement. Ces travaux contribueront à résoudre progressivement l'énigme du spin du neutron et à approfondir notre compréhension des constituants fondamentaux de l'univers.
En savoir plus :
Physical Review Letters 133, 211903 – 20/11/2024
“Inner workings of the neutron illuminated by Jefferson Lab experiment” de Physicsworld - 17/12/2024