Une équipe vise à cerner les mystères des spins des neutrons

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Artist's conception of particle collisions inside the EICDien Nguyen et Jennifer Rittenhouse West étudient deux particules minuscules mais d’une importance cruciale pour en savoir plus sur notre univers. Ces deux particules, les neutrons et les protons, résident au centre des atomes et constituent la quasi-totalité de la matière que nous pouvons voir. Leur nom collectif est nucléons. “Nous regardons à l’intérieur des nucléons pour la même raison que nous regardons le ciel nocturne, les étoiles et les galaxies: parce que nous sommes curieux. Parce que nous voulons savoir de quoi nous sommes faits et comment nous sommes faits, et comment nous nous inscrivons dans l’univers lui-même”, a déclaré Rittenhouse West, boursier du Electron-Ion Collider Center au Thomas Jefferson National Accelerator Facility du département américain de l’Énergie (DOE). et stagiaire postdoctoral au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE.

Nguyen et Rittenhouse West ont récemment publié un article dans Physics Letters B avec 10 de leurs collègues, intitulé Neutron Spin Structure from e-3He Scattering with Double Spectator Tagging at the Electron-Ion Collider. Leur travail décrit une méthode qu’ils espèrent utiliser au futur collisionneur électron-ion (EIC) pour comprendre le spin des neutrons, une propriété intrinsèque des particules qui décrit le moment angulaire interne des particules. “En plus d’étudier ces choses par curiosité, le fait est que le spin du nucléon doit être précisément compris afin de comprendre d’autres expériences, des processus à très haute énergie et même la physique atomique”, a déclaré Rittenhouse West. “Le spin du neutron doit être identifié afin d’étudier ces autres énigmes.”

Le spin des neutrons est compliqué. Chaque neutron est composé de trois particules en rotation encore plus petites appelées quarks et d’une mer d’autres particules. Les spins des trois principaux quarks «de valence» ne représentent que 25 à 30 % du spin total d’un neutron. Les gluons, les particules qui maintiennent les quarks ensemble dans les nucléons, et la mer d’antiquarks, la particule d’antimatière d’un quark, affectent également le spin d’un neutron. Les trois quarks de valence se déplacent également les uns autour des autres, et le soi-disant moment cinétique orbital généré par ce mouvement influence également le spin total.

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Pour déterminer dans quelle mesure chacun de ces acteurs contribue au spin total d’un neutron – qui est toujours de 1/2 en unités de physique des particules – les chercheurs sondent la structure interne des neutrons en leur envoyant des électrons à haute énergie. Lorsqu’un électron pénètre dans un neutron et entre en collision avec l’un de ses quarks, l’électron est dévié et peut être mesuré pour fournir une image de ce qui se passe à l’intérieur du neutron. Cependant, les neutrons n’existent pas longtemps seuls dans la nature. Au lieu de cela, ils se trouvent à l’intérieur du noyau des atomes, ce qui rend la mesure de leurs propriétés beaucoup plus difficile que les protons, qui sont suffisamment stables pour exister seuls. Nguyen, Rittenhouse West et leur équipe ont découvert comment mieux mesurer les propriétés d’un neutron. “La partie unique de ce projet est que nous avons pu modéliser une nouvelle façon d’isoler le neutron”, a déclaré Nguyen, boursier postdoctoral Nathan Isgur en expérience nucléaire au Jefferson Lab et physicien expérimental sur le projet. “Nous avons eu une idée qui utilise les fonctionnalités de la nouvelle installation pour séparer les informations sur le neutron des noyaux”.

La nouvelle installation est le futur EIC, ou Electron-Ion Collider, qui sera construit au Brookhaven National Laboratory du DOE. L’EIC fera entrer en collision des faisceaux de différentes particules pour en savoir plus sur les nucléons, et il disposera d’une région de détection spéciale capable de détecter des particules auparavant inaccessibles. L’équipe a eu une idée sur la façon d’isoler de nouvelles informations sur le spin du neutron à partir de données expérimentales. Dans la future expérience, l’équipe propose de faire entrer en collision un faisceau d’électrons avec un faisceau d’ions d’hélium-3, qui contient deux protons et un neutron dans son noyau. La région de détection spéciale pourra capter les mesures des deux protons du noyau d’hélium-3, un processus appelé double marquage. Ce double marquage des deux protons d’un noyau d’hélium-3 permet à l’équipe d’accéder sans entrave à la seule particule restante du noyau d’hélium-3, son neutron.

“Cela fournira une cible “à neutrons effectivement libres” qui n’est pas facilement disponible dans la nature ou dans les installations expérimentales existantes”, a déclaré Nguyen. La construction de l’EIC devrait commencer en 2024. Lorsque la machine sera mise en marche, l’équipe espère tester sa nouvelle technique pour déterminer si la mesure à deux protons est possible. Une fois qu’ils auront prouvé que c’est faisable, ils évalueront la qualité de la mesure. “Cette nouvelle technique donnera une mesure beaucoup plus précise pour comprendre la structure du spin des neutrons”, a déclaré Nguyen. “Les techniques précédentes nécessitaient de nombreuses corrections différentes pour extraire l’information neutronique. Ces corrections introduisent une grande incertitude”.

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La nouvelle méthode, nécessitant moins de corrections, signifie moins d’incertitude. “Lorsque nous apportons ces corrections, qui sont en fait des modèles qui contiennent des hypothèses, nos barres d’erreur grossissent. Plus nous pouvons éviter la modélisation, plus les barres d’erreur deviennent de plus en plus étroites pour ces observables de structure de spin”, a déclaré Rittenhouse West. Les capacités sans précédent de l’EIC offriront des opportunités pour de nouvelles mesures comme cette approche alternative du spin des neutrons. “Il y a des énigmes et des mystères auxquels nous voulons répondre, et pour la structure de spin du neutron en particulier, nous pouvons y répondre avec le collisionneur électron-ion”, a déclaré Rittenhouse West. “C’est ainsi que les groupes se sont combinés pour nous rendre plus forts”, a déclaré Nguyen. “Même si nous faisons quelque chose de différent, quand nous travaillons sur le même projet, nous nous entraidons. J’apprécie vraiment la grande collaboration sur ce projet. C’était le travail de nous tous”.

“Lorsque l’EIC sera activé, nous serons prêts à partir. Nous savons ce que nous voulons mesurer expérimentalement, et nous aurons plus de calculs théoriques”, a précisé Nguyen. D’ici là, davantage de scientifiques en début de carrière auront la possibilité de s’impliquer dans l’EIC. “C’est le moment idéal pour faire partie du mouvement EIC – venez nous rejoindre !” dit Rittenhouse West.

Voir la publication

Neutron spin structure from e-3He scattering with double spectator tagging at the electron-ion collider”. Phys. Lett. B 823 (2021) 136726; DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136726

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