A bien des égards, le complément naturel d’un faisceau polarisé d’électrons est un faisceau polarisé de positrons. Dans le contexte du programme expérimental DVCS à JLab, la comparaison entre la diffusion de ces deux faisceaux permettrait une séparation expérimentale complète des différentes amplitudes de la réaction (e,e’g) et conséquemment, une détermination plus précise des différentes GPD. L’expérience PEPPo est un premier pas dans la direction du développement d’une source polarisée intense de positrons (SPIP) et consiste en la démonstration expérimentale d’un nouveau concept de SPIP.
PEPPo utilise le rayonnement de freinage d’électrons polarisés de faible énergie (2-8 MeV) dans une cible de charge élevée pour produire des photons polarisés qui, au sein de la même cible, se matérialisent en paires e+e- polarisées. Les performances actuelles des sources polarisées d’électrons, tant en intensité (~ 4 mA) qu’en polarisation (> 85%), permettent d’envisager un avenir prometteur pour ce concept qui n’a cependant jamais été expérimentalement étudié. L’efficacité du transfert de polarisation du faisceau initial d’électrons au faisceau secondaire de positrons, sa dépendance en énergie et l’influence de l’épaisseur de la cible de production sont les grandeurs qui seront mesurées par l’expérience PEPPo.
Le dispositif expérimental PEPPo constitue une nouvelle ligne de faisceau localisée à l’injecteur de JLab. Un premier segment permet de contrôler et caractériser le faisceau arrivant sur la cible où sont produits les positrons. Il est suivi d’un ensemble magnétique permettant de collecter les positrons et de sélectionner leur énergie. Un troisième segment permet de contrôler et caractériser le faisceau secondaire de positrons qui est alors focalisé sur un polarimètre à transmission Compton. Ce détecteur comporte une première cible de tungstène dans laquelle les positrons sont convertis en photons polarisés ; la mesure de l’absorption de ces photons dans une cible polarisée de 7,5 cm de fer en fonction de l’orientation de la polarisation initiale des positrons (soit le faisceau primaire d’électrons) ou de la polarisation de la cible permet de déterminer la polarisation des positrons. Les photons transmis sont mesurés dans un calorimètre électromagnétique constitué de 9 cristaux d’Iodure de Césium dopés au Thallium et lus par des photomultiplicateurs R6236-01 (Hamamatsu).
Réalisations techniques
Le polarimètre à transmission de PEPPo est issu du polarimètre de l’expérience E166 du SLAC qui a opéré dans la même gamme d’énergie. Le LPSC a pris en charge l’ensemble des modifications nécessaires pour adapter le polarimètre aux besoins spécifiques de l’expérience PEPPo. Cet instrument comporte un calorimètre électromagnétique, un aimant d’analyse ainsi qu’un blindage de plomb conséquent (~3 t) entourant le calorimètre. Ces 3 éléments sont placés sur une table dont le plateau supérieur mobile permet d’ajuster précisément la position.
Le polarimètre a entièrement été conçu, réalisé puis installé sur la ligne de faisceau de JLab par les équipes techniques du LPSC. Il faut souligner l’importance et l’efficacité des équipes techniques du LPSC qui ont réalisé ce projet en moins d’une année. Le SDI a assuré la coordination technique du projet, la conception du polarimètre, la réalisation d’un trigger cosmique, la conception et la réalisation d’un système LED d’étalonnage, la mise en place et la participation aux tests du calorimètre, la gestion et le suivi de l’expédition de l’ensemble du polarimètre à JLab et son montage à JLab. Le SE a conçu et suivi la fabrication et les tests de bases amplifiées des photomultiplicateurs, ainsi que de la carte interface. Le SERM a vérifié par des calculs par éléments finis la solidité du bâti de la table et fabriquer à l’atelier les éléments mécaniques composants le calorimètre. Le SA a défini les caractérisations magnétiques de l'aimant d'analyse et a fourni une expertise en polarimétrie. Le SAF a assuré la gestion des commandes, factures et missions relatives au projet.
L’installation de la ligne PEPPo a été réalisé à JLab et les prrises de données se sont déroulées avec succés en mai et juin 2012.
(ou DVCS pour Deep Virtual Compton Scattering)
Dès leur introduction formelle, les distributions généralisées de partons (GPD) se sont affirmées comme une modélisation puissante et universelle de la matière hadronique constituée de quarks et de gluons. Les GPD interviennent dans toutes les réactions exclusives où le pouvoir de résolution de la sonde est suffisamment grand pour permettre d’observer les partons. La diffusion Compton d’un photon virtuel par un hadron est une voie d’observation privilégiée de la structure en partons des hadrons.
Notre équipe poursuit depuis plusieurs années au Jefferson Laboratory son programme expérimental (e,e’g) d’étude des GPDs du proton, du neutron, et plus récemment du noyau d’hélium. À l’ordre dominant, ce noyau de spin nul est caractérisé par une seule GPD. En conséquence, la mesure de l’asymétrie relative de la section efficace par rapport au spin d’un faisceau d’électrons permet un accès direct aux parties réelle et imaginaire de l’amplitude de réaction DVCS, à partir desquelles la GPD est extraite. En particulier, la partie réelle de l’amplitude peut être considérée comme une mesure des forces ressenties par les partons au sein du noyau.
Une première expérience exploratoire a été réalisée dans le hall B de JLab avec le détecteur CLAS (détection de l’électron diffusé), complété d’un calorimètre électromagnétique à petits angles (détection du photon réel) et d’une chambre à projection temporelle (détection du noyau d’hélium). Les données acquises à la fin de l’année 2009 sont en cours d’analyse.
La réaction DVCS sur un noyau présente également un canal incohérent dans lequel le photon réel est émis par l’un des partons des nucléons constituant le noyau. Un challenge de l’interprétation de ce canal est la prise en compte rigoureuse des effets de la structure nucléaire et des mécanismes de réaction au-delà de l’approximation d’impulsion. Forte de sa connaissance de la structure nucléaire, acquis d’un programme expérimental antérieur de diffusion (e,e’p), notre équipe a initié et poursuit aujourd’hui des développements théoriques en ce sens en collaboration avec l’Universidad de Sevilla.
Pour en savoir plus visitez la page DVCS du Hall A de TJNAF.
- Christophe FURGET, responsable de l'expérience
EMCal est une section de tonneau couvrant 110° d’arc comme le montre la partie gauche de la figure 2. Il est composé de 11 SuperModules dont chacun est lui-même composé de 288 modules distincts. Dans cette géométrie, chacun de ces modules comprend 4 tours mesurant séparément l’énergie ce qui conduit à 12 672 canaux électroniques individuels. Chaque tour est un empilement de 77 couches alternées de plomb (1.44 mm) et de scintillateur (1.76 mm), correspondant à 20 longueurs de radiation. Les modules sont compressés à une pression de 1.2 kg/cm2. Pour résumer, 4 tours constituent un module. 12 modules sont alignés afin de constituer un StripModule et 24 StripModules vont ensuite être assemblés pour former un SuperModule. Les divers éléments sont représentés sur les figures ci-dessous.
La lumière de scintillation de chaque tour est transportée par des fibres optiques jusqu’à un petit diffuseur optique puis à une photodiode à avalanche (APD). Un préamplificateur de charges est intégré directement sur chacun de ces APD. Après la mise en forme, chaque signal APD est échantillonné 4 à 5 fois dans un flash ADC et transmis au travers d’une unité de contrôle de lecture (RCU – Readout Control Unit) à l’acquisition des données. En parallèle, un processeur de déclenchement (TRU – Trigger Readout unit) somme les signaux des tours pour le déclenchement d’un événement électromagnétique.
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L’intégration du système comprend l’assemblage et l’installation de toutes les structures mécaniques, l’assemblage de tous les modules et SuperModules, l’installation de tous les SuperModules dans ALICE et l’installation, la configuration, l’assemblage et les tests de l’électronique et des connexions de la chaîne de lecture sur le site de ALICE.
Les performances d’un prototype ont été étudiées lors d’un test sous faisceau en novembre 2005 auprès du Fermi National Accelerator Laboratory. Le dispositif a été testé à l’aide de faisceaux d’électrons de 4 à 66 GeV/c avec les cartes de lecture d’électronique, qui seront utilisés dans la version finale. Le signal lumineux obtenue de 4.4 p.e./MeV est légèrement supérieur à celui qui était prédit par la simulation, ce qui donne une marge de sécurité. De plus la résolution en énergie de l’ordre de 
est en accord avec la simulation et adaptée aux besoins de la physique.
La mesure en énergie des jets utilise le système de reconstruction de trajectoires d’ALICE pour la partie hadronique et le calorimètre EMCal pour la partie électromagnétique. La résolution en énergie qu’il est possible d’atteindre dépend aussi d’autres facteurs comme la définition du cône d’acceptance du signal ou encore la limite inférieure en énergie des particules chargées en particulier pour la réjection du bruit de fond. Des simulations montrent que des résolutions de l’ordre de 25 à 30% peuvent être obtenues pour des jets de 100 GeV. L’utilisation conjointe du système de trajectographie et de EMCal permet de reconstruire environ 90% de l’énergie du jet, contre 50% sans EMCal pour un jet de 100 GeV.
Au sein de l’expérience ALICE, une collaboration de physiciens américains, italiens, russes et français s’est formée afin de construire un grand calorimètre électromagnétique (EMCal – ElectroMagnetic Calorimeter). Il permettra d’étudier de manière complète la physique liée aux particules de grande impulsion transverse. Cette recherche ne pourra se faire, en collisions d’ions lourds au LHC qu’auprès de l’expérience ALICE équipée de cet outil, et est primordiale pour répondre à des questions fondamentales sur la nature du PQG.
En effet, dans les collisions d’ions lourds relativistes, les partons de haute impulsion transverse (pT) interagissent avec le milieu dense produit au cours de la collision. Ceci conduit à une perte d’énergie par rayonnement de gluons de ces partons dans le milieu traversé (le phénomène de jet-quenching). Les gluons rayonnés sont émis le long de l’axe du jet et par conséquent, la mesure de l’énergie totale du jet, qui reste inchangée, ne donnera pas d’information sur cette perte d’énergie. Par contre cette perte d’énergie est supposée modifier la distribution en impulsion des constituants du jet. Cela peut être caractérisé en mesurant les fonctions de fragmentation des jets. Dans ce sens, l’étude des jets peut servir pour sonder les propriétés du milieu dense créé dans les collisions d’ions lourds et permettre de connaître la densité initiale du milieu créé. Cette densité sera, selon sa valeur, compatible ou non avec un plasma de quarks et de gluons ou avec un gaz hadronique.
La perte d’énergie des partons a été mise en évidence à RHIC par la suppression de la production des particules de grand pT. Ce résultat a été interprété comme étant la conséquence de la création d’un milieu extrêmement dense, si dense que les particules perdent une partie de leur énergie dans ce milieu, réduisant implicitement leur impulsion. La confrontation des résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques indique que de telles densités sont compatibles avec un PQG. Des théories récentes, relatives à la physique de la saturation proposent un nouveau concept, le condensat de verre de couleur qui pourrait non seulement expliquer la suppression des jets mais également être un précurseur à l’état de plasma de quarks et de gluons. Cette découverte motive aujourd’hui la volonté d’une partie de ces physiciens pour explorer le secteur des grandes impulsions auprès du LHC. En effet, avec des énergies de collision trente fois supérieures à celle de RHIC, les sections efficaces de production des jets seront bien plus élevées, permettant ainsi des analyses événement par événement. Le régime dur de la physique des ions lourds sera exploré de manière beaucoup plus complète au LHC en particulier grâce au calorimètre EMCal.
EMCal est un calorimètre constitué de 11 SuperModules, chacun comprenant 288 tours utilisant la technologie aujourd’hui bien connue et maîtrisée de la calorimétrie à échantillonnage en Pb–scintillateur. Il va permettre d’augmenter à la fois l’acceptance de la mesure des photons comparé à celle du calorimètre PHOS. L'EMCal pourra également servir de déclencheur afin d’augmenter le nombre de jets mesurés d’un facteur 200 environ. En combinant les informations de EMCal (sensible aux particules chargées et neutres) et du système de trajectographie d’ALICE, la résolution sur la mesure de l’énergie des jets sera grandement améliorée.
Plus précisément il permettra d’étudier :
- La production inclusive de jets de particules et de photons: la comparaison avec les prédictions de pQCD doit permettre de renseigner sur les fonctions de distribution de gluons. Les premiers résultats de l'analyse des corrélations entre les photons et les hadrons dans des colisions proton-proton (pp) qui servira de base pour l'analyse dans l'environement dense des collisions PbPb ont été présentés par un membre du groupe à la conference QM2012 en aout. Les analyses pp et PbPb devraient etre publiés en 2013.
- La production d’événements gamma-jet avec une acceptance accrue: un jet et un gamma sont émis à 180° l’un de l’autre et la mesure de l’énergie du photon dans EMCal comparée à celle du jet doit donner une estimation de la perte d’énergie du jet dans le milieu.
Plus de détails sur notre implication dans la construction et le suivi du calorimètre EMCal sont disponible ici: EMCal dans ALICE. Plus d'information sur le détail de vieilles analyses ici: Analyses avec l'EMCal.
