La physique

La compréhension de la structure des hadrons, en particulier le nucléon, en termes de quarks et de gluons (leur distribution spatiale, leur contribution a l’impulsion et au spin du nucléon etc...) est un des plus importants défis de la recherche actuelle à l’intersection de la physique nucléaire et de la physique des particules. Le formalisme des Distributions de Partons Généralisées, introduit depuis une quinzaine d’années, procure une description universelle de la structure partonique du nucléon. Dans un certain régime cinématique, les GPDs se ramènent aux distributions de partons ordinaires — mesurées en diffusion de leptons profondément inélastique (eN->eX) et décrivant la distribution d’impulsion longitudinale des quarks dans le nucléon — et aux facteurs de forme — mesurés en diffusion élastique (eN->eN) et décrivant la distribution spatiale des courants dans le nucléon. Les GPDs représentent les corrélations entre partons dans différents états quantiques. Elles peuvent s’interpréter comme des distributions, dans le plan transverse au déplacement, des partons portant une certaine impulsion longitudinale. La connaissance simultanée de l’impulsion longitudinale et de la position transverse permet de relier les GPDs au moment angulaire des quarks ou des gluons.

La détermination des GPDs est ainsi en mesure d’éclaircir ce qu’on a communément appelé la "crise du spin", c’est-à-dire les mesures indiquant que les quarks ne portent que de 20% à 30% du spin du nucléon. Les GPDs permettent d’estimer le moment orbital des quarks, qui est un ingrédient fondamental pour la résolution de ce problème. La richesse d’informations contenue dans les GPDs se traduit dans leur complexité : pour chaque saveur de quark (u, d, s), il y a, au premier ordre en QCD, 4 GPDs, H, H_tilde, E, E_tilde, chacune dépendant de trois variables cinématiques indépendantes. Expérimentalement, on peut accéder aux GPDs par la diffusion d’électrons sur le proton ou le neutron, dans des réactions exclusives (où tout l’état final de la réaction est identifié) "dures", c’est-à-dire où la masse du photon virtuel échangé (Q2) est bien plus grande que la masse du nucléon-cible. Le processus le plus simple est la diffusion Compton profondément virtuelle (en anglais "Deeply virtual Compton scattering", DVCS), correspondant à l’électro-production d’un photon sur un des quarks du nucléon (eN->eNgamma). Des mesures de plusieurs observables (sections efficaces polarisées et non-polarisées, asymétries de spin-faisceau et spin-cible, etc...) pour le DVCS sont nécessaires pour pouvoir établir des contraintes sur les GPDs. Les GPDs sont aussi accessibles dans l’électroproduction dure de mésons, comme illustré ci-dessous.

Les sections efficaces pour ces types de réactions étant très petites (de l’ordre du pb pour le DVCS), il est nécessaire de disposer d’un faisceau d’électrons de haute intensité, et aussi d’un détecteur couvrant un grand espace de phase, pour pouvoir échantillonner la dépendance cinématique complexe des GPDs. L’accélérateur d’électrons polarisés de haute intensité (CEBAF) du Jefferson Laboratory aux USA (JLab) est parfaitement adapté aux mesures des réactions d’électroproduction exclusive (DVCS et électroproduction de mésons) qui permettent d’accéder aux GPDs. De mème, le détecteur à grande acceptance CLAS (dans le Hall B du JLab) est particulièrement adapté à l’étude des réactions exclusives à plusieurs particules dans l’état final, et permet d’étudier simultanément un vaste espace de phase. Le spectromètre a haute résolution du Hall A, de son coté, permet de mesurer avec haute précision et résolution les petites sections efficaces des processus d’électroproduction exclusive, dans une région choisie de l’espace de phase. Le groupe de physique hadronique de l’IPN mène, depuis plusieurs années, un programme de mesures des GPDs auprès du JLab dans le Hall A et dans le Hall B. Ce programme continuera avec l’"upgrade" à 12 GeV de CEBAF, qui nous permettra d’atteindre des régions cinématiques encore plus adaptées pour l’étude des GPDs (notamment, un transfert d’impulsion Q2 plus grand de l’électron au nucléon, atteignant 11 GeV2).