Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

À l'intérieur de chaque atome, les protons et les neutrons forment le noyau dense de la matière, pourtant ils ne sont pas des sphères solides et immuables. Au lieu de cela, ce sont des faisceaux dynamiques de particules plus petites appelées quarks et gluons, en mouvement constant. Pendant des décennies, les physiciens ont compris que le spin du proton — la façon dont il tourne comme une toupie — n'est pas seulement la somme des spins de ses trois quarks principaux. Une partie significative de ce spin provient du mouvement orbital de ces quarks alors qu'ils filent à toute allure à l'intérieur du proton, ainsi que des gluons qui les maintiennent ensemble. Pour cartographier ce paysage interne invisible, les scientifiques utilisent des collisions à haute énergie pour sonder la structure du proton. L'un des outils les plus puissants pour cela est un processus où deux hadrons, tels que des protons ou des pions, s'entrechoquent pour créer une paire de muons, qui sont des cousins lourds de l'électron. En étudiant la façon dont ces muons s'envolent, les chercheurs peuvent reconstruire le comportement des quarks qui les ont créés, révélant des détails sur la manière dont le spin du proton est assemblé.

Une présentation récente de Wen-Chen Chang lors d'un symposium international sur la physique du spin examine comment ce processus de collision, connu sous le nom de processus Drell-Yan, est utilisé pour tester notre compréhension de ces mouvements internes. Le travail se concentre sur deux manières spécifiques dont les quarks se déplacent : leur impulsion transverse, qui décrit comment ils se déplacent latéralement par rapport à la direction du proton, et leur corrélation avec le spin du proton. En termes plus simples, les scientifiques cherchent des modèles montrant si le mouvement latéral d'un quark est lié à la direction dans laquelle le proton tourne. Ceci est crucial car une théorie fondamentale en physique prédit que la relation entre le spin et le mouvement latéral doit inverser son signe selon que la collision se produit dans un environnement « espace-forme » ou « temps-forme ». Bien que des expériences précédentes utilisant des faisceaux d'électrons aient confirmé cette inversion pour un type de mouvement, le processus Drell-Yan offre un moyen unique de vérifier si cette règle est vraie pour d'autres types de mouvements et de voir si les mêmes règles s'appliquent lorsque les protons sont frappés par d'autres particules, comme les pions.

La présentation met en lumière des découvertes récentes concernant la fonction de Boer-Mulders, une description mathématique de la façon dont les quarks et les gluons sont corrélés avec le spin du proton. En analysant les données d'expériences passées où des faisceaux de pions ont frappé des cibles de tungstène, les chercheurs ont comparé les motifs observés des paires de muons par rapport à des calculs informatiques complexes basés sur la théorie quantique standard. Les résultats ont montré que, si la théorie standard pouvait expliquer certaines données, elle ne pouvait pas tout expliquer à elle seule. Spécifiquement, les données ont révélé un motif distinct dans les angles sous lesquels les muons émergent, lequel déviait des prédictions de la théorie pure. Cette déviation suggère la présence de l'effet Boer-Mulders. De plus, en combinant ces nouvelles découvertes avec des résultats antérieurs d'expériences de diffusion d'électrons, les preuves soutiennent fortement l'idée que la corrélation entre le mouvement des quarks et le spin inverse sa direction entre les deux types différents de collisions. Cette confirmation est une étape vitale pour prouver que les lois régissant l'intérieur du proton sont universelles, quel que soit le mode de tir de la sonde.

Au-delà de ces découvertes confirmées, l'article explore une nouvelle frontière : utiliser le processus Drell-Yan pour étudier les distributions de partons généralisées. Ce sont des cartes plus complexes qui décrivent non seulement comment les quarks se déplacent, mais aussi où ils sont situés à l'intérieur du proton. Bien que ces cartes aient été partiellement dessinées à l'aide de faisceaux d'électrons, l'article propose une méthode novatrice pour compléter le tableau en utilisant des faisceaux de pions à l'installation J-PARC au Japon. Les chercheurs ont conçu un plan pour tirer des pions à haute énergie sur des protons et rechercher un événement très spécifique et rare où un pion et un proton entrent en collision pour produire un photon virtuel qui se désintègre immédiatement en une paire de muons, laissant le proton intact mais transformé en neutron. Il s'agit d'une mesure extrêmement difficile car le signal est minuscule par rapport au bruit de fond des autres collisions. Cependant, des simulations détaillées suggèrent qu'avec une ligne de faisceau dédiée et un dispositif de détection spécifique, il est possible d'isoler ces événements rares. Les simulations indiquent que le fait de mener l'expérience pendant environ 50 jours avec un faisceau de pions de 15 GeV générerait suffisamment de données pour distinguer différents modèles théoriques de la structure interne du proton.

Le chemin vers cette nouvelle mesure implique une construction par étapes d'une ligne de faisceau de pions à haute impulsion à J-PARC. Des tests précoces ont déjà identifié avec succès les particules secondaires nécessaires à l'expérience, confirmant que l'intensité du faisceau correspond aux prédictions. Si elle réussit, cette expérience offrira le premier regard direct sur la structure du proton à travers un processus temps-forme en utilisant des faisceaux de hadrons, offrant une vue complémentaire aux vues espace-formes obtenues par la diffusion d'électrons. En vérifiant que les mêmes règles sous-jacentes s'appliquent dans ces différents environnements de collision, les physiciens espèrent finaliser une image tridimensionnelle complète du nucléon. Ce travail ne se contente pas de combler les données manquantes ; il teste rigoureusement les symétries fondamentales de la nature, garantissant que notre compréhension de la façon dont la matière est construite reste vraie, quels que soient les moyens que nous choisissons pour l'examiner.