Les protons sont l'un des principaux éléments constitutifs de l'univers visible. Avec les neutrons, ils constituent le noyau de chaque atome. Encore, plusieurs questions se posent sur certaines des propriétés les plus fondamentales du proton, comme sa taille, structure interne et spin intrinsèque. En décembre 2020, le Conseil de la recherche du CERN a approuvé la première phase ("phase-1") d'une nouvelle expérience qui aidera à régler certaines de ces questions. AMBRE, ou Appareil pour la recherche expérimentale sur les mésons et les baryons, sera le successeur de nouvelle génération de l'expérience COMPASS du Laboratoire.

COMPASS reçoit des faisceaux de particules du super synchrotron à protons du CERN et les dirige sur diverses cibles pour étudier comment les quarks et les gluons forment des hadrons (tels que les protons, pions et kaons) et confèrent à ces particules composites leurs propriétés distinctives. En utilisant cette approche, COMPASS a obtenu de nombreux résultats importants, incluant plusieurs résultats liés à la structure de spin du proton et une mesure de la polarisabilité du pion; la polarisabilité d'un hadron est le degré auquel ses charges électriques positives et négatives constitutives peuvent être séparées dans un champ électrique.

AMBER s'appuiera sur l'héritage de COMPASS et le portera au niveau supérieur. En mettant à niveau les composants COMPASS existants et en introduisant de nouveaux détecteurs et cibles, ainsi que l'utilisation d'une technologie de lecture de pointe, l'équipe derrière AMBER prévoit de prendre trois types de mesures dans la première phase de l'expérience.

D'abord, en envoyant des muons, cousins ​​plus lourds de l'électron, sur une cible d'hydrogène, l'équipe AMBER prévoit de déterminer avec une grande précision le rayon de charge du proton, c'est-à-dire l'étendue de la distribution spatiale de la charge électrique de la particule. Cette mesure aiderait à résoudre le casse-tête du rayon du proton, qui a émergé en 2010 lorsqu'une nouvelle mesure du rayon du proton s'est avérée sensiblement différente des mesures précédemment acceptées.

Seconde, en dirigeant des protons sur des cibles de protons et d'hélium-4, AMBER déterminera le taux de production méconnu des antiprotons, les contreparties antimatière des protons, dans ces collisions. Ces mesures permettront d'améliorer la précision des prédictions du flux d'antiprotons dans les rayons cosmiques, qui sont nécessaires pour interpréter les données d'expériences à la recherche de preuves de matière noire dans le flux de rayons cosmiques d'antiprotons.

Troisième, en concentrant les pions sur des cibles nucléaires, AMBER mesurera les distributions de quantité de mouvement des quarks et des gluons qui forment le pion. Ces mesures permettront d'éclairer la dynamique des particules qui maintiennent le pion et in fine l'origine des masses de hadrons, ce qui est connu techniquement comme l'émergence de la masse hadronique.

D'autres informations sur l'émergence de la masse de hadrons sont attendues à partir des études de la structure interne des kaons dans la deuxième phase ("phase-2") d'AMBER. Ces études nécessitent que la ligne de lumière qui alimente COMPASS soit mise à niveau pour fournir un faisceau de kaons chargés de haute énergie et intensité.

La combinaison des résultats du pion et du kaon d'AMBER conduira à une meilleure compréhension de l'interaction entre les deux mécanismes naturels générateurs de masse :le mécanisme qui donne leur masse aux hadrons et le mécanisme de Higgs, qui confère une masse aux particules élémentaires massives.