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Une expérience du CERN affine une mesure essentielle pour décrire l’interaction forte


L’expérience COMPASS au CERN, impliquant le CEA et des partenaires internationaux, rapporte une mesure essentielle concernant l’interaction forte. Celle-ci lie ensemble les composants des noyaux atomiques (quarks dans les nucléons, et nucléons dans le noyau). Les résultats obtenus par les chercheurs viennent conforter les prédictions du modèle théorique de l'interaction forte, grâce notamment à la mesure suffisamment précise d'une propriété du "pion", particule médiatrice de cette interaction. Aucune expérimentation n'y était parvenue jusqu'à présent, manquant de précision. L'étude est publiée dans Physical Review Letter le 10.02.​

Publié le 10 février 2015

Dans le domaine de la physique hadronique à basse énergie, l’interaction forte est modélisée par des particules appelées « pions ». La théorie de l’interaction forte prédit avec précision la « polarisabilité » du pion - qui représente ses déformations sous l’effet d’un champ électrique et magnétique. Bien que difficile à mesurer, la polarisabilité fait partie de ses propriétés fondamentales, au même titre que sa masse ou sa charge électrique. Elle intrigue les scientifiques depuis les années 1980, car les premières mesures semblaient contredire la théorie. Finalement, le résultat obtenu aujourd’hui correspond étroitement à cette théorie.

Pour mesurer la polarisabilité du pion, l’expérience COMPASS a projeté un faisceau de pions, obtenu grâce au Super Proton Synchrotron du Cern, contre une cible de nickel. Quand les pions arrivent à une distance de la cible en nickel égale en moyenne à deux fois leur propre rayon (1,2 x 10-15), ils sont soumis au très fort champ électrique des noyaux de nickel ; sous l’effet de ce champ ils se déforment et changent de trajectoire, émettant alors une particule de lumière, autrement dit un photon. En mesurant, sur un échantillon important de 63 000 pions (correspondant à 2 semaines de prises de données), l’énergie du photon et la déflexion du pion, les chercheurs ont pu mesurer la polarisabilité. Le résultat montre que le pion se déforme considérablement moins que ce que montraient les mesures précédentes, comme prévu par la théorie de l’interaction forte.

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Compass est une expérience sur cible fixe au Cern, longue de 60 mètres et comprenant une suite de détecteurs et d’aimants permettant d’identifier et de mesurer les particules produites après interaction sur la cible. Les protons de l’accélérateur du SPS sont envoyés sur une première cible, produisant de nombreuses particules secondaires. Pour étudier les polarisabilités, ce sont des faisceaux secondaires de pions qui sont à leur tour projetés sur une cible. © COMPASS
Le faisceau de pions est un faisceau secondaire, issu de l’interaction des protons du SPS sur une première cible.

La Collaboration COMPASS, fondée en 1996, comprend 220 physiciens de 12 pays, et enregistre des données au Cern depuis 2002 avec les faisceaux du Super Proton Synchrotron. Le CEA-Irfu (Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers) prend une part majeure dans le travail de la Collaboration. Ingénieurs, techniciens et physiciens ont conçu ensemble et réalisé des détecteurs de pointe pour l'expérience tels que les premiers détecteurs gazeux à microstructure Micromegas utilisés dans une expérience de haute énergie, des chambres a dérive de très grande taille capables de supporter de très hauts flux de particules et un détecteur de protons de recul entourant la cible.

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