Cette image montre comment l'axe d'une toupie de jouet dévie selon une trajectoire circulaire de son alignement droit de haut en bas lorsque la toupie tourne autour de cet axe. Connaissant le taux de cet écart, appelé précession, pour faire tourner des protons se déplaçant autour d'un accélérateur de particules comme le RHIC aide les physiciens à maintenir les particules alignées pour des expériences explorant les sources de spin des protons. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis ont mis au point un moyen non invasif de mesurer le "spin tune" des protons polarisés au collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), un facteur important pour maintenir l'alignement de ces particules en rotation.
La technique est similaire à la façon dont l'imagerie par résonance magnétique (IRM) manipule le spin du proton pour « voir » les structures à l'intérieur du corps. Et comme l'IRM, la technique peut être utilisée comme un outil de « diagnostic », dans ce cas pour améliorer les performances du collisionneur en explorant comment les blocs de construction internes des protons contribuent à leur spin.
« Pour comprendre comment les éléments constitutifs des protons, les quarks et les gluons, contribuent au spin, nous heurtons des faisceaux de protons dont les directions de spin individuelles sont "polarisées, " c'est-à-dire aligné autant que possible, " dit Thomas Roser, chef du département des accélérateurs de collisionneurs du Brookhaven Lab. Mais les forces extérieures et certaines méthodes de mesure des écarts peuvent « dépolariser » les faisceaux.
La nouvelle technique mesure l'amplitude et la fréquence de la précession des protons - une déviation circulaire des axes de ces particules en rotation par rapport à leur trajectoire parfaitement alignée - sans déstabiliser les faisceaux.
« Nous pouvons mesurer la précession de manière non invasive pendant que l'accélérateur fonctionne, " a déclaré Roser. " Cela nous donne des informations que nous pouvons utiliser pour faire des ajustements qui maintiennent les protons alignés. "
L'alignement de spin d'un proton oscille autour de la direction de spin stable (flèche noire pleine) entre les deux frontières (flèches rouges en pointillés) sur de nombreux tours d'orbite. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Qu'est-ce qui fait vaciller les protons
Avec des faisceaux polarisés dans le RHIC ou tout accélérateur circulaire, la direction de rotation moyenne de chaque paquet de protons s'aligne sur le champ magnétique de l'accélérateur. Mais comme une toupie qui se met à vaciller, l'axe d'un proton se met parfois à tourner autour d'une trajectoire circulaire qui s'écarte de l'alignement parfait. Cette oscillation est connue sous le nom de précession.
Si une source extérieure, telles que de petites imperfections dans le champ magnétique, se synchronise avec la fréquence de précession, il peut amplifier l'oscillation des protons et provoquer la dépolarisation du faisceau.
"Il y a eu d'autres façons de mesurer la fréquence de précession, mais les techniques utilisées à ce jour provoquent effectivement la dépolarisation que ces mesures chercheraient à éviter, " a déclaré Roser. "Notre nouvelle méthode mesure la fréquence de la précession sans dépolariser le faisceau afin que nous puissions apporter des corrections pour maintenir les protons alignés - ou même inverser la direction de leur spin lorsque vous le souhaitez."
Le puzzle du spin du proton :les scientifiques veulent savoir comment les différents constituants du proton contribuent à son spin, une propriété fondamentale qui joue un rôle dans la façon dont ces blocs de construction donnent naissance à presque toute la matière visible dans l'univers. Les pièces du puzzle comprennent le moment angulaire orbital des quarks et des gluons (en haut à gauche), spin du gluon (en haut à droite) et spin des quarks et antiquarks (en bas). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Roser a expliqué comment la nouvelle technique fonctionne de la même manière que les examens IRM :un champ magnétique puissant aligne tous les spins des protons, puis les scientifiques appliquent un champ électromagnétique externe à fréquence variable, à la recherche de la fréquence à laquelle les axes des protons commencent à s'éloigner de la stabilité.
"C'est comme régler un bouton de radio à l'ancienne pour rechercher une station, " Roser a dit. " La clé est de se rapprocher de la fréquence de basculement sans déclencher la déstabilisation. "
En IRM, les signaux générés par la précession des protons renseignent sur les structures internes du corps. Au RHIC, ils donnent des informations sur la façon d'ajuster les aimants de l'accélérateur pour maintenir la polarisation du faisceau.
La nouvelle technique conduira à un fonctionnement plus stable et optimisé au RHIC pour la recherche en physique nucléaire et pourrait également être utilisée dans un collisionneur électron-ion polarisé prévu qui sera situé aux États-Unis.
