Un objectif grand angle pour le monde subatomique ✛
Au Jefferson Lab, des électrons sont accélérés jusqu'à 12 GeV et percutent des protons pour leur soutirer leurs secrets. Mais les détecteurs existants ressemblent à des appareils photo à champ étroit : soit on voit beaucoup mais de façon sombre, soit on voit net mais sur une toute petite zone. La diffusion d'électrons est l'outil principal, mais les statistiques manquent pour les effets subtils.
Le nouveau spectromètre SoLID (Solenoidal Large Intensity Device) change la donne. C'est un objectif grand angle pour le monde subatomique : une grande acceptance, c'est-à-dire la fraction de particules que le détecteur capture, combinée à une luminosité allant jusqu'à $10^{39}$ cm^-2 $s^{-1}$, une mesure de l'intensité des collisions. Pour comparaison, la luminosité du Grand collisionneur de hadrons à son démarrage était de cinq ordres de grandeur inférieure. SoLID collectera les électrons diffusés et les particules produites sur une vaste gamme d'angles, sans perdre en netteté.
Les trois missions principales de SoLID sont trois objectifs différents dans une même monture. La première est la tomographie tridimensionnelle du nucléon par diffusion profondément inélastique semi-inclusive : en mesurant non seulement l'électron diffusé mais aussi l'adron émis, les physiciens reconstruisent la distribution en impulsion des quarks et des gluons. La deuxième est la production de mésons J/ψ près du seuil : un processus rare qui donne accès aux facteurs de forme gravitationnels des gluons, caractéristiques de la distribution de masse et de pression à l'intérieur du proton. La troisième est la violation de parité dans la diffusion profondément inélastique : la différence de diffusion entre les électrons gauches et droits, sensible aux interactions faibles et à une éventuelle nouvelle physique.
Avant SoLID, les expérimentateurs devaient choisir : soit une grande acceptance, soit une haute luminosité. CLAS12 et GlueX capturent beaucoup de particules, mais fonctionnent à une luminosité modérée d'environ $10^{35}$ cm^-2 $s^{-1}$. Les spectromètres magnétiques HRS, SBS, HMS, SHMS offrent une haute résolution, mais leur acceptance est faible. SoLID combine pour la première fois les deux qualités, ouvrant la voie à des mesures qui étaient auparavant impossibles par manque de statistiques. Cela permettra de réduire fortement les incertitudes sur les fonctions de distribution des quarks et des gluons, et de tester le modèle standard à basse énergie, là où pourraient se cacher des traces de nouvelles interactions.
L'objectif grand angle de SoLID est pointé vers le cœur même de la matière. Dans quelques années, il commencera à recueillir la lumière des événements subatomiques, et le proton cessera alors d'être une tache floue : nous verrons sa mécanique interne avec une netteté sans précédent.
La luminosité de SoLID dans l'expérience PVDIS atteindra $10^{39}$ cm^-2 $s^{-1}$, soit environ comme si $10^{39}$ particules traversaient chaque seconde une cible d'un centimètre carré. Pour comparaison, la luminosité du Grand collisionneur de hadrons à son démarrage était d'environ $10^{34}$ cm^-2 $s^{-1}$, soit cinq ordres de grandeur inférieure.