Les protons font partie des principaux constituants de l'Univers visible. Associés aux neutrons, ils forment les noyaux des atomes. Pourtant, des incertitudes demeurent concernant certaines propriétés fondamentales du proton, telles que sa taille, sa structure interne et son spin intrinsèque. En décembre 2020, la Commission de la recherche du CERN a approuvé la première phase (« phase 1 ») d'une nouvelle expérience, qui devrait permettre d'apporter quelques réponses. L'expérience AMBER (Apparatus for Meson and Baryon Experimental Research), succédera ainsi à l'expérience COMPASS.
COMPASS reçoit ses faisceaux de particules du Supersynchrotron à protons du CERN ; ces faisceaux sont envoyés sur diverses cibles afin d'étudier comment les quarks et les gluons forment des hadrons (tels que protons, pions et kaons) et donnent à ces particules composites leurs propriétés caractéristiques. COMPASS a ainsi obtenu un grand nombre de résultats importants, dont plusieurs sur la structure du spin du proton, ainsi qu'une mesure de la polarisabilité du pion ; la polarisabilité d'un hadron correspond au degré auquel les charges positives et négatives qui le constituent peuvent être séparées sous l’effet d’un champ magnétique.
L'expérience AMBER s'appuiera sur l'héritage laissé par COMPASS, et constitue en quelque sorte l’étape suivante. En améliorant les éléments existants de l’expérience, et en utilisant de nouveaux détecteurs et de nouvelles cibles, ainsi que des technologies de lecture perfectionnées, les scientifiques prévoient de réaliser trois types de mesures lors de la première phase de l'expérience.
Tout d'abord, en envoyant des muons, cousins lourds de l'électron, sur une cible d'hydrogène, les scientifiques de l'expérience AMBER espèrent déterminer avec une grande précision le rayon de charge du proton, c’est-à-dire l'étendue de la distribution spatiale de la charge électrique de la particule. Cette mesure permettrait de résoudre l'énigme du rayon du proton, apparue en 2010, lorsque l'on a constaté que la nouvelle mesure qui venait d'être réalisée était sensiblement différente de celles acceptées jusque-là.
Ensuite, en envoyant des protons sur des cibles de proton et d'hélium-4, l’équipe d’expérimentateurs déterminera le taux de production d’antiprotons dans ces collisions, chiffre mal connu (les antiprotons étant l’équivalent des protons dans l'antimatière). Ces mesures amélioreront la précision des prédictions des flux d'antiprotons dans les rayons cosmiques, lesquelles sont nécessaires pour l’interprétation des données des expériences recherchant la matière noire dans le flux d’antiprotons des rayons cosmiques.
Enfin, en envoyant des pions sur des cibles nucléaires, l'expérience AMBER mesurera la distribution des impulsions dans les quarks et les gluons qui constituent le pion. Ces mesures lèveront le voile sur la dynamique des particules qui permet d'assurer la cohésion du pion, et, à terme, sur l'origine des masses des hadrons, dite émergence des masses des hadrons.
Lors de la deuxième phase de l'expérience AMBER (« phase 2 »), les études sur la structure interne des kaons devraient apporter de nouveaux enseignements sur cette notion d’émergence des masses. Pour que ces études puissent être menées, la ligne de faisceau qui alimente COMPASS doit être améliorée afin de pouvoir fournir un faisceau de kaons chargés de haute énergie et de haute intensité.
Ensemble, les résultats obtenus par l'expérience AMBER sur le pion et le kaon permettront de mieux comprendre le rapport entre les deux mécanismes à l'origine de la masse : le mécanisme qui donne leur masse aux hadrons, et le mécanisme de Higgs, qui confère une masse aux particules élémentaires massives.
L'expérience AMBER devrait commencer à collecter des données en 2022, une fois achevée la dernière période d'exploitation de COMPASS, en 2021-2022.
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Pour en savoir plus sur COMPASS et AMBER, lisez cet article dans la lettre d'information du département EP.