Une image décrivant le DVCS au large de la réaction nucléon. Dans la diffusion Compton Profondément Virtuelle (DVCS), un faisceau d'électrons de 6 GeV diffusé sur un nucléon interagissant avec un seul quark à l'intérieur. Le quark émet immédiatement un photon de haute énergie, qui est détecté dans l'expérience des chercheurs. Un spectromètre à haute résolution a été utilisé pour mesurer l'électron diffusé. Crédit :Benali et al.
La collaboration Jefferson Lab Hall A, dans une expérimentation menée par des chercheurs de la Faculté des Sciences de Monastir en Tunisie, Institut de Physique Nucléaire d'Orsay en France et Old Dominion University aux États-Unis, a récemment rassemblé les premières observations expérimentales de la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) dans les neutrons. Leur expérience, dont les résultats ont été publiés dans Physique de la nature , a été motivée par des distributions de partons généralisées (GPD), un cadre théorique récemment développé qui décrit la dynamique interne du nucléon (proton ou neutron) en termes de quarks et de gluons. DVCS est le processus le plus simple impliquant des GPD. Elle consiste en la diffusion d'un électron sur un nucléon et l'émission d'un photon de haute énergie alors que le nucléon reste intact.
"Les protons et les neutrons sont constitués d'ondes de quarks et de gluons confinés dans un espace d'environ 100, 000 fois plus petit que la taille d'un atome, " Pr Charles Hyde, chercheur à l'Université Old Dominion en Virginie, dit Phys.org. "Ce papier, résultant du travail dans le Hall A du Jefferson Lab, peut être décrit comme frappant un proton ou un neutron avec un électron de haute énergie, puis détecter un rayon gamma émis pour « prendre une photo » des ondes des quarks. »
Dans leur travail, Hyde et ses collègues ont démontré une nouvelle technique pour résoudre séparément la distribution spatiale des quarks up et down de longueurs d'onde particulières (c'est-à-dire, distance de crête à crête), tout en mesurant également le décalage entre les crêtes d'onde des quarks up et down. En utilisant cette technique, ils ont pu recueillir la première observation expérimentale de DVCS dans les neutrons.
"L'étude de la diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) à partir du neutron est venue comme une extension naturelle des études sur le proton, " Dr Carlos Munoz Camacho, chercheur à l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay en France, dit Phys.org. "DVCS peut nous renseigner sur la position transversale et la quantité de mouvement longitudinale des quarks à l'intérieur du nucléon. Cependant, Les expériences DVCS sur le proton seul ne peuvent pas dire de quelle saveur de quark le photon se diffuse. »
Comme aucune cible neutronique n'est entièrement pure, étudier expérimentalement le DVCS hors du neutron peut être très difficile. En réalisant un DVCS hors du neutron et en combinant les résultats avec ceux recueillis lors d'expériences précédentes sur les protons, les chercheurs ont pu cartographier indépendamment la position et les impulsions des quarks up et down à l'intérieur du nucléon.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont décidé d'utiliser une cible de deutérium, un noyau formé d'un proton et d'un neutron, impacté par un faisceau d'électrons polarisé de 6GeV. Ce faisceau a été fourni par le Thomas Jefferson National Accelerator Facility (JLab) à Newport News, Virginie.
"Nous avons mesuré les électrons diffusés et les photons énergétiques émis lors de la réaction à l'aide de détecteurs de haute précision, " Docteur Meriem Benali, qui a récemment obtenu son doctorat. de la Faculté des Sciences de Monastir en Tunisie, dit Phys.org. "Le neutron de recul a été identifié à l'aide d'une technique appelée conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement."
Les chercheurs ont comparé les données qu'ils ont recueillies dans leur expérience sur le noyau de deutérium aux données recueillies dans le passé en utilisant des cibles d'hydrogène (c'est-à-dire, un noyau avec un seul proton). Cela leur a permis d'identifier de rares événements DVCS se produisant dans les neutrons, déterminer les contributions des quarks up et down séparément.
"Nos résultats prouvent la faisabilité expérimentale des mesures DVCS neutroniques, qui sont très complémentaires des protons, " Dr Malek Mazouz, professeur à la Faculté des Sciences de Monastir en Tunisie, dit Phys.org. « Comme le neutron a une teneur en saveur de quark différente de celle du proton, la combinaison des mesures de neutrons et de protons nous a permis, pour la première fois, pour étudier expérimentalement les GPD au niveau des quarks."
Le DVCS est un processus difficile à mesurer, surtout hors d'un neutron. Comme un neutron ne porte pas de charge électrique nette, sa probabilité d'interagir avec les électrons est beaucoup plus faible que celle d'un proton.
La collaboration dite A a été rendue possible par plusieurs avancées techniques, y compris le faisceau intense d'électrons fourni par JLab et des détecteurs de haute précision. Pour assurer son succès, les chercheurs ont suivi l'étalonnage des détecteurs avec un soin extrême au cours des plusieurs mois au cours desquels leur expérience s'est déroulée.
"Les protons et les neutrons sont comme des toupies, " Hyde a déclaré. " Un résultat surprenant de notre étude est qu'en utilisant toute la gamme d'énergie de l'accélérateur Jefferson Lab, les mesures pourraient également distinguer comment la distribution des quarks dans le proton et le neutron change avec l'orientation du spin du proton ou du neutron."
Cette équipe de chercheurs a été la première à observer avec succès le processus DVCS à partir du neutron, ce qui est une réalisation importante. En ajoutant un certain nombre de contraintes aux modèles GPD, leurs conclusions pourraient aider à répondre à un certain nombre de questions fondamentales, par exemple en dévoilant l'origine du spin du nucléon. En outre, leurs travaux ouvrent une nouvelle voie pour la cartographie expérimentale d'arômes de quarks indépendants à l'intérieur d'un nucléon.
"L'installation de l'accélérateur du JLab a récemment été modernisée et l'énergie du faisceau d'électrons est beaucoup plus élevée (11 GeV), " a déclaré Munoz Camacho. " De nouvelles expériences DVCS sont en cours et prévues pour l'avenir, ce qui nous permettra de cartographier avec une plus grande précision les distributions des quarks à l'intérieur du nucléon. Les mesures DVCS sont également une des motivations scientifiques du futur projet Electron-Ion Collider (EIC), devrait être construit au Brookhaven National Laboratory (NY, NOUS.)."
Le nouveau collisionneur du Brookhaven National Laboratory devrait bientôt permettre aux chercheurs d'étudier la position et les distributions de quantité de mouvement des gluons, les particules qui maintiennent les quarks ensemble à l'intérieur des protons et des neutrons. En réalité, l'imagerie des quarks et des gluons est un élément clé du programme scientifique pour le développement du nouveau collisionneur électron-ion, qui a été récemment annoncée par le département américain de l'Énergie.
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