Low-energy Muon-Nucleon scattering experiment: LUNE (White Paper)

Le proton, ce minuscule noyau chargé positivement au cœur de chaque atome, n'est pas une bille solide et immuable. C'est un système dynamique et bouillonnant composé de particules encore plus petites appelées quarks, maintenues ensemble par une force si puissante qu'on l'appelle l'interaction forte. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de mesurer la taille exacte du proton, plus précisément son rayon de charge électrique, qui décrit jusqu'où sa charge électrique se diffuse dans l'espace. Cette mesure est cruciale car elle sert de règle fondamentale pour comprendre comment la matière est construite. Cependant, un mystère important est apparu : lorsque les scientifiques mesurent la taille du proton à l'aide d'électrons, ils obtiennent une réponse, mais lorsqu'ils utilisent des muons — un cousin plus lourd de l'électron — ils obtiennent une réponse légèrement différente et plus petite. Cette divergence, connue sous le nom de « puzzle du rayon du proton », suggère que notre compréhension actuelle des lois de la physique pourrait être incomplète, ou qu'il existe des effets subtils dans la manière dont ces particules interagissent que nous n'avons pas encore pris en compte.

Pour résoudre ce puzzle et explorer la structure profonde de la matière, une nouvelle collaboration internationale appelée LUNE a proposé une expérience dédiée au sein de la structure de l'accélérateur de faisceaux d'ions lourds à haute intensité (HIAF) en Chine. Cette installation est conçue pour produire des faisceaux de muons avec une large gamme d'énergies, une capacité qui est unique au monde. L'équipe de LUNE a élaboré un plan complet pour utiliser ces faisceaux de muons afin de bombarder de l'hydrogène et d'autres noyaux atomiques, en observant comment les muons se diffusent sur eux. Ce faisant, ils visent à mesurer la taille du proton avec une précision sans précédent, à étudier comment la structure interne du proton change dans différentes conditions, et à rechercher de nouvelles particules entièrement nouvelles qui se situent au-delà de notre compréhension actuelle de la physique.

Le cœur de la proposition de LUNE est un plan en deux étapes qui correspond aux capacités de l'accélérateur à mesure qu'il se développe. La première étape se concentre sur la question la plus immédiate et la plus critique : la taille du proton. Les chercheurs prévoient de tirer un faisceau de muons sur une cible faite de polyéthylène, un plastique riche en atomes d'hydrogène. À mesure que les muons frappent les protons à l'intérieur de l'hydrogène, ils rebondissent selon divers angles. En mesurant l'angle et l'énergie des muons diffusés avec une précision extrême, les scientifiques peuvent calculer le rayon de charge du proton. Le document suggère qu'avec la haute intensité du faisceau de l'HIAF et un détecteur spécialement conçu, LUNE pourrait déterminer le rayon du proton avec une précision d'environ un pour cent. Ce niveau de précision est vital car il permettra aux scientifiques de voir si la différence entre les mesures basées sur les électrons et celles basées sur les muons est réelle, ou si elle provient d'erreurs expérimentales subtiles ou d'oublis théoriques.

Une caractéristique clé de l'expérience LUNE est sa capacité à utiliser des muons positifs et négatifs. Alors que les électrons sont toujours chargés négativement, les muons viennent en deux variétés, tout comme les charges positives et négatives d'une pile. Cette dualité permet à l'équipe d'étudier un effet quantique spécifique appelé échange de deux photons. Dans la vision standard de la diffusion de particules, un seul grain de lumière, ou photon, est échangé entre le muon et le proton. Cependant, en réalité, deux photons peuvent être échangés simultanément. Cet effet est minuscule mais devient significatif lors de mesures de haute précision. Comme les muons positifs et négatifs interagissent différemment avec ces échanges de deux photons, la comparaison des résultats des deux faisceaux permet aux scientifiques d'isoler cet effet. C'est une chose qui ne peut pas être faite avec des faisceaux d'électrons seuls, car les électrons n'ont qu'une seule charge. En mesurant soigneusement ces différences, l'expérience vise à affiner notre compréhension de la force électromagnétique et à garantir que la mesure de la taille du proton n'est pas biaisée par ces interactions complexes.

Au-delà du proton, l'expérience examinera également d'autres noyaux atomiques légers, tels que le deutérium, qui se compose d'un proton et d'un neutron. Tout comme il existe un puzzle concernant le proton, il existe des divergences similaires dans les mesures de la taille du deutérium. LUNE prévoit d'utiliser des faisceaux de muons pour se diffuser sur des cibles de deutérium, fournissant un contrôle indépendant de ces mesures. L'équipe a également l'intention d'étudier comment les muons interagissent avec des noyaux plus lourds, comme le carbone ou le plomb. Ces interactions sont compliquées par les champs électriques puissants des noyaux lourds, qui peuvent dévier la trajectoire du muon entrant avant même qu'il ne frappe une particule cible. En comparant la façon dont les muons positifs et négatifs sont déviés par ces champs, les chercheurs espèrent mieux comprendre et corriger ces distorsions, menant à des mesures plus précises de la structure nucléaire.

À mesure que l'installation mûrit, la seconde étape du programme LUNE élargira son champ d'action pour explorer la structure tridimensionnelle du proton et du neutron. Alors que la première étape traite le proton comme un objet global pour mesurer sa taille, la seconde étape regardera à l'intérieur, cartographiant la manière dont les quarks et les gluons sont disposés dans l'espace et comment ils se déplacent. Cela implique de tirer des muons à plus haute énergie sur les cibles et d'observer les débris de la collision. Lorsqu'un muon frappe un proton à haute énergie, il peut éjecter un quark, provoquant la fragmentation du proton et la production d'une gerbe de nouvelles particules. En suivant ces particules, les scientifiques peuvent reconstruire le paysage interne du proton, voyant comment les quarks sont distribués non seulement en termes de moment, mais aussi en termes de position. Cela revient à créer une carte détaillée de l'intérieur du proton, révélant comment le spin du proton est construit à partir des spins et des mouvements orbitaux de ses constituants.

Le document souligne également le potentiel de LUNE pour découvrir une nouvelle physique. Le faisceau de muons à haute intensité peut être dirigé vers des cibles métalliques lourdes pour rechercher des particules hypothétiques qui interagissent très faiblement avec la matière ordinaire, souvent appelées particules du « secteur sombre ». Si ces particules existent, elles pourraient être produites lorsqu'un muon interagit avec un noyau, puis se désintégrer en paires d'électrons ou de photons que le détecteur peut repérer. Parce que le faisceau de muons est si intense et le détecteur si sensible, LUNE pourrait sonder des régions de l'espace des paramètres inaccessibles aux autres expériences, découvrant potentiellement de nouvelles forces ou particules qui pourraient expliquer des mystères tels que la matière noire.

Pour atteindre ces objectifs, les chercheurs ont conçu un système de détection sophistiqué adapté aux besoins spécifiques de la diffusion de muons. Le détecteur est construit en couches, commençant par une cible où les collisions ont lieu, suivie d'une série de chambres de trajectographie qui enregistrent la trajectoire de chaque particule qui s'échappe. Ces chambres de trajectographie sont composées de pixels de silicium, qui sont incroyablement fins et précis, permettant à l'équipe de mesurer l'angle de diffusion des muons avec une résolution de l'ordre de moins d'un millième de degré. Cette précision est essentielle car la taille du proton est déterminée par la façon dont l'angle de diffusion change à de très petits angles. Derrière les traqueurs, le détecteur comprend des aimants pour courber les trajectoires des particules chargées, permettant de calculer leur impulsion, et des calorimètres qui mesurent l'énergie des particules. La conception est modulaire, ce qui signifie qu'elle peut être mise à niveau à mesure que l'accélérateur s'améliore, garantissant que l'expérience reste à la pointe de la physique pendant des années à venir.

Les auteurs du document soulignent que leur détecteur proposé est basé sur des technologies qui ont déjà été prouvées dans d'autres expériences, ce qui réduit le risque d'échec et permet de maintenir des coûts gérables. Ils ont réalisé des simulations informatiques approfondies pour tester leur conception, et les résultats montrent que le détecteur devrait fonctionner exactement comme prévu pour atteindre l'objectif de précision de un pour cent pour le rayon du proton. Ces simulations prédisent également que l'expérience recueillera suffisamment de données pour effectuer des mesures statistiquement significatives des facteurs de forme du proton, des effets d'échange de deux photons et de la structure des noyaux légers. L'équipe est convaincue qu'avec les faisceaux de muons de haute qualité disponibles à l'HIAF, elle pourra apporter une réponse définitive au puzzle du rayon du proton et ouvrir de nouvelles fenêtres sur la nature fondamentale de la matière.

En résumé, le livre blanc de LUNE présente une feuille de route claire et ambitieuse pour une nouvelle ère de la physique de la diffusion de muons. Il propose d'utiliser une combinaison unique de faisceaux de muons à haute intensité et d'un détecteur de précision pour mesurer la taille du proton avec un niveau d'exactitude jamais atteint auparavant. En comparant les muons positifs et négatifs, l'expérience isolera les effets quantiques subtils qui sont depuis longtemps une source d'incertitude. Alors que le projet passe de la première étape de la mesure de la taille du proton à la seconde étape de la cartographie de sa structure interne, il promet d'approfondir notre compréhension de la construction de l'univers à partir des plus petites échelles. Ce travail représente une convergence de la physique nucléaire, de la physique des particules et de la technologie des accélérateurs, offrant une opportunité unique de tester les limites de nos théories actuelles et potentiellement de découvrir de nouveaux phénomènes qui se situent juste au-delà de notre portée.