The SPD project at NICA

Cet article présente le programme de physique et la conception du détecteur du projet Spin Physics Detector (SPD) au collisionneur NICA, qui vise à étudier la structure de spin des protons et des deutérons, particulièrement les distributions de gluons, à travers des collisions de faisceaux polarisés à haute luminosité.

L'essentiel

Imaginez que l'univers soit construit à partir de minuscules briques de Lego invisibles appelées protons et neutrons. Pendant longtemps, les scientifiques pensaient savoir exactement comment ces briques étaient assemblées. Mais dans les années 1970, une expérience célèbre a révélé un secret choquant : les minuscules morceaux à l'intérieur du proton (les quarks) ne représentent qu'une faible fraction du « spin » du proton (son mouvement de rotation interne). C'est comme faire tourner une toupie et réaliser que les parties visibles n'expliquent que 30 % de la rotation ; le reste doit donc provenir de quelque chose de caché à l'intérieur.

C'est ce mystère que le projet SPD de l'installation NICA en Russie vise à résoudre. Considérez NICA comme une piste de course massive et ultra-rapide où les scientifiques font s'entrechoquer de minuscules particules pour voir ce qui en ressort. Le SPD (Spin Physics Detector) est un ensemble de caméras et de capteurs de haute technologie, construit précisément sur le lieu de l'impact, pour prendre des photos en 3D de ces collisions.

Voici une décomposition simple de ce qu'ils font et de pourquoi cela importe, basée sur l'article :

1. L'objectif : Trouver le spin « fantôme »

Le principal suspect pour le spin manquant est les gluons. Si les quarks sont les briques, les gluons sont la colle ultra-forte qui les maintient ensemble. Le SPD veut cartographier précisément comment ces gluons tournent et se déplacent à l'intérieur du proton et d'un cousin plus lourd appelé le deutéron (un proton et un neutron collés ensemble).

Ils ne chercheent pas seulement le spin « vers l'avant » ; ils veulent voir le spin « latéral » et comment les particules se déplacent dans l'espace en 3D. C'est comme essayer de comprendre la rotation d'un ballon de basket non pas seulement en regardant sa rotation, mais en voyant comment l'air tourbillonne autour et comment le cuir s'étire.

2. Les outils : Trois « lampes de poche » spéciales

Pour voir ces gluons invisibles, le SPD utilise trois « sondes » spécifiques (des méthodes de collision) qui agissent comme des lampes de poche de couleurs différentes pour révéler des détails cachés :

• Charmonia : Faire s'entrechoquer des particules pour créer des particules « fantômes » lourdes et à courte durée de vie qui révèlent la structure du gluon.
• Charme ouvert (Open Charm) : Créer des particules contenant des quarks « charme » pour tracer la trajectoire des gluons.
• Photons prompts : Capturer des éclats de lumière à haute énergie (photons) qui naissent directement de la collision, agissant comme un signal direct du comportement du gluon.

En comparant les résultats de ces trois méthodes, ils peuvent construire une image complète, un peu comme l'utilisation de rayons X, d'IRM et de scanners CT pour obtenir une vue complète du corps humain.

3. L'avantage unique : Le seul acteur sur le terrain

L'article souligne un point crucial : NICA est actuellement le seul endroit sur Terre capable de faire entrer en collision des protons et des deutérons polarisés (avec un spin aligné) à ces vitesses spécifiques.

• La plage d'énergie : La plupart des autres machines sont soit trop lentes (ne voyant que la physique « douce »), soit trop rapides (ne voyant que la physique « dure »). NICA est spécial car il peut balayer la plage d'énergie, du lent au rapide. Cela permet aux scientifiques de voir exactement où les règles de la physique changent, comme un appareil photo qui zoome avant et après pour trouver la mise au point parfaite.
• Le mystère du deutéron : Le SPD prévoit de faire s'entrechoquer des deutérons. Puisqu'un deutéron est composé de deux particules, il pourrait posséder un « spin tensoriel » spécial (une torsion complexe et multidirectionnelle) que les protons seuls n'ont pas. S'ils trouvent un nouveau type de spin ici, cela pourrait signifier qu'il existe de nouvelles règles ou de nouveaux « degrés de liberté » dans la façon dont la matière est construite.

4. La machine : Une caméra ultra-rapide

Le détecteur lui-même est décrit comme un « détecteur universel 4π ». Imaginez une sphère de capteurs entourant le point d'impact, capturant tout ce qui s'en échappe dans toutes les directions.

• Le détecteur de sommet au silicium (Silicon Vertex Detector) : C'est l'objectif à haute résolution. Il est si précis qu'il peut repérer une désintégration de particule se produisant dans un espace plus petit qu'un cheveu humain (100 micromètres).
• L'aimant : Un énorme aimant supraconducteur dévie la trajectoire des particules, permettant à l'ordinateur de calculer leur vitesse et leur masse.
• Le système « sans déclencheur » (Triggerless) : Habituellement, les caméras prennent une photo uniquement lorsqu'on appuie sur un bouton. Ce système est comme une caméra de surveillance qui enregistre tout 24h/24 et 7j/7 sans s'arrêter, car les collisions se produisent si vite (4 millions de fois par seconde) qu'ils ne peuvent pas se permettre de manquer une seule image.

5. Le calendrier : Construire l'avenir

Le projet est actuellement en phase de construction.

• Phase 1 (Maintenant) : Ils commenceront avec une configuration plus simple, fonctionnant à des vitesses et des intensités plus faibles. C'est comme une « ouverture à blanc » pour tester l'équipement et étudier les collisions de base.
• Phase 2 (Les années 2030) : Une fois entièrement construit, la machine fonctionnera à pleine puissance, visant à résoudre les grands mystères du spin des gluons et à fournir au monde la carte 3D la plus détaillée du proton jamais réalisée.

En résumé : Le projet SPD est un effort international massif pour construire l'ultime microscope du monde atomique. En faisant s'entrechoquer des particules en rotation d'une manière unique que aucune autre machine ne peut faire, ils espèrent enfin répondre à la question vieille de plusieurs décennies : « De quoi est fait le proton, et comment tourne-t-il ? »

Résumé technique

Résumé technique du projet SPD à NICA

Problématique et contexte scientifique
L'origine fondamentale du spin du nucléon demeure une question centrale de la chromodynamique quantique (QCD). Bien que l'expérience EMC au CERN ait révélé que les spins des quarks ne contribuent que faiblement au spin du proton, les contributions du spin des gluons (hélicité) et du moment angulaire orbital nécessitent des investigations plus approfondies. Les expériences précédentes au SLAC, SMC, COMPASS, HERMES et RHIC ont fourni des contraintes sur l'hélicité des gluons et les distributions de quantité de mouvement transverse (TMD), mais des lacunes importantes subsistent, particulièrement concernant la structure 3D du proton et le comportement des gluons aux Bjorken-$x$ intermédiaires à élevés. De plus, la distribution de la transversalité des gluons, qui s'annule pour les nucléons de spin-1/2, offre une sonde unique pour de nouveaux degrés de liberté dans le deutéron de spin-1. Le complexe NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) au JINR vise à répondre à ces questions en opérant comme un collisionneur de hadrons polarisés dédié, une capacité unique parmi les installations actuelles et prévues.

Méthodologie et dispositif expérimental
Le détecteur SPD (Spin Physics Detector) est conçu comme un détecteur universel à $4\pi$ situé à l'un des deux points d'interaction du collisionneur NICA. L'installation utilise des faisceaux de protons et de deutrons polarisés de haute intensité avec des énergies de collision allant jusqu'à $\sqrt{s} = 27$ GeV et une luminosité de conception de $10^{32} \text{ cm}^{-2} \text{ s}^{-1}$.

La méthodologie expérimentale repose sur la mesure d'asymétries de spin simples et doubles spécifiques en utilisant trois sondes dures complémentaires pour accéder au contenu de gluons polarisés :

1. Production inclusive de charmoniums (ex. $J/\psi$, $\psi(2S)$).
2. Production de charme ouvert.
3. Production de photons prompts à haute $p_T$.

Ces processus sont sensibles à la fonction d'hélicité des gluons $\Delta g(x)$ et aux TMD des gluons. De plus, l'expérience utilisera la production inclusive de mésons légers (pions) et les processus Drell-Yan pour sonder les distributions de quarks. La conception du détecteur intègre :

• Détecteur de vertex en silicium : Pour la reconstruction de vertex secondaires des désintégrations de mésons $D$ avec une résolution $<100 \, \mu\text{m}$.
• Système de traçage par tubes de paille (Straw Tube) : Situé à l'intérieur d'un solénoïde supraconducteur de 1 T, fournissant une résolution de quantité de mouvement transverse $\sigma_{p_T}/p_T \approx 2\%$ à 1 GeV/$c$.
• Système de temps de vol (ToF) : Avec une résolution de $\sim 60$ ps pour l'identification des particules ($\pi/K/p$).
• FARICH : Un détecteur de rayonnement Cherenkov à anneau d'aérogel focalisant pour une identification de l'impulsion étendue.
• Calorimètre électromagnétique : De type échantillonnage avec une résolution en énergie de $\sim 5\%/\sqrt{E} \oplus 1\%$.
• Système de parcours (Range System) : Pour l'identification des muons et la calorimétrie de hadrons approximative.
• Luminosité et polarimétrie : Compteurs faisceau-faisceau et calorimètres à zéro degré.

Le système d'acquisition de données est conçu pour être libre de déclenchement (sans trigger) afin de gérer des taux de collision allant jusqu'à 4 MHz. La construction de la première étape, incluant l'aimant, le traçeur et les calorimètres, est incluse dans le plan de développement de sept ans (2024–2030) du JINR.

Principales contributions et programme de physique
Le document expose un programme de physique divisé en deux phases :

1. Première étape (Basse énergie/Luminosité réduite) : Opérant à $\sqrt{s} < 9,4$ GeV pour les collisions $p-p$ et $\sqrt{s} < 4,5$ GeV/nucléon pour les collisions $d-d$. Cette phase se concentre sur :

   • La diffusion élastique polarisée $p-p$ et $d-d$.
   • Les effets de spin dans la production d'hyperons et les résonances multiquarks.
   • La production de charmonia proche du seuil.
   • Les études de la polarisation tensorielle dans les deutérons.

2. Programme de physique principal (Haute énergie) : Opérant à $\sqrt{s} \leq 27$ GeV. Les objectifs primaires incluent :

   • Hélicité des gluons : Déterminer $\Delta g(x)$ via les asymétries de spin doubles ($A_{LL}$) dans la production de charmonium, de charme ouvert et de photons prompts. Les photons prompts sont spécifiquement notés pour leur capacité à déterminer le signe de l'hélicité des gluons.
   • TMD des gluons : Étudier la fonction Sivers des gluons et d'autres TMD PDF via les asymétries de spin simple transverses (SSA).
   • Transversalité des gluons : Rechercher une transversalité non nulle des gluons dans le deutéron, ce qui indiquerait de nouveaux degrés de liberté au-delà de la simple somme des contributions des nucléons.
   • PDF de gluons non polarisés : Contraindre la densité de gluons non polarisés à $x$ élevé ($x > 0,5$) dans les protons et les deutérons.
   • Limites de factorisation : En balayant les énergies du régime non perturbatif (quelques GeV) au régime perturbatif (27 GeV), le SPD vise à déterminer expérimentalement les limites d'applicabilité de diverses approches de factorisation.

Résultats et affirmations
Le document ne présente pas de données expérimentales, car l'installation est en cours de construction. Il présente plutôt les spécifications de conception et la portée physique attendue. Les auteurs affirment que le SPD :

• Offrira un accès unique aux TMD des gluons et à la distribution de transversalité des gluons dans le deutéron, qui sont inaccessibles dans d'autres installations.
• Comblera le fossé énergétique entre les expériences à cible fixe à basse énergie et le RHIC, permettant une étude continue des structures de spin partoniques.
• Offrira un laboratoire unique pour étudier la structure tensorielle du deutéron à travers des faisceaux à polarisation tensorielle.
• Complétera les programmes de physique de l'Electron-Ion Collider (EIC) et d'autres installations en se concentrant sur la gamme d'énergie intermédiaire et des sondes de gluons spécifiques dans les collisions hadroniques.

Signification
La signification du projet SPD réside dans son potentiel à faire progresser la tomographie 3D du nucléon, en se concentrant spécifiquement sur le secteur des gluons. En tant que seul collisionneur de hadrons polarisés prévu au monde pour le futur proche, NICA/SPD offre une opportunité unique d'étudier les effets dépendants du spin dans les collisions nucléaires sur une large gamme d'énergies. Le projet vise à résoudre les questions ouvertes concernant l'amplitude et le signe de la contribution de l'hélicité des gluons au spin du proton et à explorer la structure interne du deutéron à travers la polarisation tensorielle. Le document souligne que la mise en œuvre du programme complet de physique des gluons est prévue pour les années 2030, positionnant le SPD comme un composant critique et complémentaire de l'effort mondial pour comprendre l'interaction forte.