Une nouvelle mesure des neutrons peut aider les physiciens à mieux comprendre la structure et le spin des nucléons

Les protons et les neutrons – collectivement appelés nucléons – sont tous deux les éléments constitutifs de la matière, mais l’une de ces particules a fait l’objet d’un peu plus d’attention dans certains types d’expériences de physique nucléaire.

Jusqu’à maintenant. Nouveaux résultats publiés dans Lettres d’examen physique décrivent un premier aperçu de la structure interne du neutron grâce au développement d’un détecteur spécial, en cours de fabrication depuis 10 ans, installé dans le hall expérimental B de l’installation d’accélérateur national Thomas Jefferson du ministère américain de l’Énergie.

« Nous avons détecté le neutron pour la première fois dans ce type de réaction, et c’est un résultat assez important pour l’étude des nucléons », a déclaré Silvia Niccolai, directrice de recherche au Centre national de la recherche scientifique (CNRS).

Niccolai a proposé l’expérience qui a permis cette mesure, qui aidera les physiciens à mieux comprendre la structure et le spin des neutrons et des protons.

Une nouvelle façon de détecter les neutrons

Les nucléons sont constitués de particules plus petites appelées quarks et gluons. Les physiciens ne comprennent pas encore pleinement comment ces particules constitutives sont distribuées à l’intérieur des nucléons, ni comment elles contribuent au spin global des nucléons. Les expérimentateurs utilisent l’installation d’accélérateur à faisceau d’électrons continu (CEBAF), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE, pour sonder ces particules, en dispersant les électrons sur les cibles nucléiques et en détectant les produits finaux de ces réactions.

Une réaction est appelée diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS). Dans le DVCS, un électron interagit avec une cible nucléon. Le nucléon absorbe une partie de l’énergie de l’électron et émet un photon, mais ne se brise pas. Au final, trois particules peuvent être détectées : le nucléon impacté, le photon qu’il a émis et l’électron qui a interagi avec le nucléon.

Les chercheurs ont étudié de manière approfondie le DVCS à l’aide du détecteur CLAS12, qui signifie spectromètre à grande acceptation CEBAF à une énergie de faisceau de 12 GeV, ainsi que de son prédécesseur, CLAS. Cependant, les détecteurs CLAS et CLAS12 du Hall B ont surtout été utilisés pour explorer le DVCS sur le proton, qui est plus facile à mesurer que le DVCS sur le neutron.

Les neutrons impliqués dans le DVCS sont plus difficiles à détecter car ils ont tendance à se disperser à 40 degrés par rapport à la ligne de lumière, une zone à laquelle CLAS12 ne peut pas accéder.

« Dans la configuration standard, aucune détection de neutrons n’était possible dans ces angles », a déclaré Niccolai. En 2007, elle a commencé à réfléchir à la manière dont la collaboration de physiciens nucléaires CLAS pourrait mesurer ces neutrons. Sa solution ? Le détecteur central de neutrons.

Niccolai et son équipe du Laboratoire de Physique des deux Infinis Irène Joliot-Curie (IJCLab), une unité mixte de recherche du CNRS d’Orsay, de l’Université Paris-Saclay et de l’Université Paris-Ville, ont commencé la construction du détecteur en 2011. .

L’équipe a achevé le détecteur en 2015. Deux ans plus tard, il a été installé en CLAS12. Pierre Chatagnon, Ph.D. alors étudiant à l’Université Paris-Saclay, rejoint l’équipe IJCLab du Jefferson Lab pour installer le détecteur. Il a également écrit un logiciel pour le calibrer. Aujourd’hui, il est retourné au Jefferson Lab en tant que postdoctorant dans le Hall B.

Le détecteur central de neutrons a collecté des données entre 2019 et 2020. Alors qu’il était capable de couvrir les angles nécessaires pour détecter les neutrons, Niccolai et son équipe ont rencontré un problème inattendu lors de l’analyse des données : la contamination par des protons.

Le détecteur a été conçu pour éliminer les signaux chargés non neutroniques. Cependant, ils ont constaté que la partie du détecteur responsable du veto des protons présentait des zones mortes, permettant aux protons de se faufiler et de contaminer les mesures de neutrons.

Heureusement, Adam Hobart, chercheur à l’IJCLab qui a dirigé l’analyse des données de cette expérience, a pu nettoyer les données.

« Ce problème a été résolu grâce à l’expérience d’Adam dans l’utilisation des techniques d’apprentissage automatique », a déclaré Niccolai. « Il a développé un outil basé sur le ML pour distinguer les faux signaux des vrais neutrons, ce qui était essentiel pour atteindre nos résultats finaux. »

L’utilisation de ces techniques ML avec le détecteur central de neutrons a permis les premières mesures de DVCS sur le neutron qui détectent directement le neutron participant à la réaction. De nombreux processus peuvent se produire entre un faisceau d’électrons et une cible de nucléon ; la détection directe du neutron donne aux chercheurs l’assurance qu’ils détectent effectivement le DVCS.

« Si vous ne détectez pas le neutron, vous disposez d’un certain éventail de possibilités pour le processus en cours, et vous avez alors moins de précision dans les observables que vous mesureriez plus tard », a déclaré Hobart.

Séparation des saveurs pour la première fois

Le cadre théorique connu sous le nom de distributions généralisées de partons (GPD) transforme les mesures issues d’expériences de diffusion en informations sur la distribution des partons, nom collectif des quarks et des gluons, à l’intérieur des nucléons. Il existe quatre types de GPD. Les mesures neutroniques de cette expérience ont permis aux chercheurs d’accéder à l’un des types les moins connus, noté GPD E.

Au cours de l’expérience, le faisceau du CEBAF était polarisé, ce qui signifie que les spins de ses électrons étaient orientés dans la même direction. Cela a permis aux chercheurs d’extraire une observable, appelée asymétrie, qui dépend de la rotation du faisceau. Grâce à cette asymétrie, ils ont pu extraire le GPD E avec une précision sans précédent.

« Le GPD E est très important car il peut nous fournir des informations sur la structure de spin des nucléons », a déclaré Niccolai.

Lorsqu’il est combiné avec d’autres GPD, le GPD E peut être utilisé pour quantifier la contribution des quarks constitutifs au spin total du nucléon, ce qui est actuellement inconnu. Bien que ce calcul soit effectué dans des travaux futurs, les chercheurs ont franchi une nouvelle étape vers la résolution de la « crise du spin du nucléon ».

Les nucléons contiennent deux types, ou saveurs, de quarks : up et down. Un proton a deux quarks up et un quark down ; un neutron a deux quarks down et un quark up. Les GPD peuvent être divisés par saveur de quark.

La combinaison des mesures du DVCS sur le neutron avec les mesures précédentes du DVCS sur le proton a permis aux chercheurs de séparer pour la première fois les parties imaginaires des GPD E et H par saveur de quark. Séparer les distributions des quarks up et down aidera les physiciens à comprendre comment les différentes saveurs de quark contribuent au spin du nucléon.

Les théoriciens Maria Čuić et Krešimir Kumerički ont également contribué à cette première séparation des saveurs, mais le travail de l’ensemble de la collaboration CLAS a été crucial pour obtenir ces résultats novateurs.

« Nous devons exprimer notre gratitude à l’ensemble de la collaboration CLAS », a déclaré Hobart. « La collecte et le traitement des données sont un travail collaboratif. »

Preuve de principe en main, les chercheurs prévoient ensuite de collecter davantage de données avec CLAS12 et le Détecteur Central de Neutrons pour réaliser des mesures encore plus précises.

« Mais ce premier résultat est majeur », a déclaré Niccolai. « Cela ressemble à l’achèvement d’un cycle et à l’œuvre d’une vie, car c’est le premier projet dont j’ai assumé l’entière responsabilité dans ma carrière. Arriver enfin à un résultat physiquement significatif et le publier, c’est comme si j’avais un autre bébé. »