Des scientifiques russes proposent une nouvelle méthode pour mesurer les moments dipolaires électriques du proton et du deutéron dans un même anneau de stockage

Nouvelles du 21 août : des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, de l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie, de l'Université nationale de recherche nucléaire de Moscou et de l'Institut Landau de physique théorique de l'Académie des sciences de Russie ont proposé un nouveau dispositif expérimental permettant d'étudier les moments dipolaires électriques du proton et du deutéron dans un même anneau de stockage. Ce dispositif pourrait être utilisé aussi bien dans une nouvelle installation spécialement construite que dans un complexe accélérateur existant après modernisation.

Le moment dipolaire électrique du proton et du deutéron reflète l'asymétrie de la distribution de charge interne de la particule par rapport à la direction de son spin. Selon les prédictions du modèle standard, sa valeur est non nulle mais extrêmement faible, de l'ordre de 10⁻³¹ e·cm, bien en dessous de la sensibilité expérimentale actuelle. Si une expérience parvenait à détecter un signal de moment dipolaire électrique dans la plage de précision actuellement accessible, cela fournirait un indice important pour explorer une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Ce type de mesure est également étroitement lié au problème de l'asymétrie entre matière et antimatière. Le moment dipolaire électrique est très sensible à la violation de CP ; les résultats de détection expérimentale pourraient aider à vérifier s'il existe dans la nature des sources de violation de CP autres que les mécanismes connus.

Étant donné que le signal du moment dipolaire électrique est extrêmement faible, les expériences nécessitent généralement l'utilisation d'un anneau de stockage, où un faisceau de particules polarisées circule plusieurs fois le long d'une orbite fermée, et où les variations de direction du spin sont enregistrées à l'aide d'un polarimètre. La difficulté réside dans le fait que le moment dipolaire magnétique de la particule provoque une précession de spin plus forte, masquant le signal du moment dipolaire électrique. Les chercheurs doivent donc maintenir le spin des particules dans un état « gelé » ou « quasi-gelé » par rapport à la direction du faisceau.

Le dispositif traditionnel de « spin gelé » pour le proton repose sur un anneau de stockage purement électrostatique, qui permet de maintenir le spin du proton aligné avec la direction du mouvement à une énergie spécifique. Cependant, le signe du moment magnétique anormal du deutéron étant différent, le dispositif purement électrostatique ne peut pas être appliqué directement ; il faut généralement utiliser simultanément un champ électrique et un champ magnétique. Cela signifie également que, selon la conception traditionnelle, les mesures du proton et du deutéron nécessitent souvent des anneaux accélérateurs de structures différentes.

Cette étude adopte l'approche du « spin quasi-gelé » : le spin n'est pas maintenu fixe sur tout l'anneau, mais après une déviation dans certaines régions, un élément de compensation annule la rotation accumulée, de sorte qu'il revient proche de son état initial après chaque unité répétitive. L'équipe de recherche a calculé les exigences de longueur minimale des éléments de compensation et a comparé le mouvement et le comportement de spin du proton et du deutéron dans la même structure annulaire.

Dans la structure d'anneau de stockage proposée, les éléments magnétiques sont chargés de maintenir l'orbite du faisceau, et les compensateurs sont disposés dans les sections droites pour annuler la rotation de spin accumulée lorsque les particules traversent les arcs magnétiques. Les chercheurs ont analysé deux conceptions de compensateurs : l'une est un filtre de Wien utilisant des champs électriques et magnétiques croisés pour ajuster la direction du spin ; l'autre est un dispositif composé d'éléments de déflexion électrostatique, conçu pour influencer simultanément la déflexion du faisceau et l'état de spin.

Les résultats des calculs montrent que cette configuration convient à la fois au deutéron et au proton. Lors de la commutation entre les différents modes de particules, il est nécessaire d'ajuster la polarité ou la direction des compensateurs et de modifier l'énergie du faisceau. Pour le deutéron, sur 16 périodes de l'anneau, environ 99 % du signal effectif peut être conservé par rapport à l'état de spin idéalement gelé ; pour le proton, la même structure peut conserver environ 80 % du signal effectif. Les chercheurs estiment que cela fournit une référence pour la conception du nombre d'unités répétitives et de la sensibilité de l'anneau de stockage lors des mesures du proton.

Cependant, à l'énergie optimale, la longueur du compensateur requise pour le faisceau de protons est près de cinq fois supérieure à celle du faisceau de deutérons. Afin de réaliser les mesures des deux types de particules dans un même anneau, l'équipe de recherche propose de réduire l'énergie des protons pour raccourcir la longueur du compensateur, mais cela réduirait en conséquence la sensibilité des mesures du proton.

Les chercheurs indiquent que cette méthode rapproche les mesures des moments dipolaires électriques du proton et du deutéron des conditions expérimentales réelles, et qu'elle pourrait également être utilisée pour le contrôle de la polarisation, l'étude de faisceaux à plus haute énergie, ainsi que la recherche de particules de type axion. À l'avenir, les équipes concernées prévoient de valider la méthode du spin quasi-gelé et d'atteindre des temps de cohérence de spin de l'ordre de 1000 secondes. Le complexe NICA-Nuclotron en Russie est considéré comme ayant le potentiel pour mener ce type de recherches, et les scientifiques discutent également de la construction d'un anneau de stockage indépendant, entre autres options.