Cibles

La polyvalence de l’expérience COMPASS implique l’utilisation de divers types de cibles : légères ou métalliques, liquides ou solides, polarisées ou non. Certaines sont associées à un dé-tecteur de recul permettant de mesurer les caractéristiques des fragments de recul de la cible.

2.1.2.1 Cible polarisée

La cible polarisée (cf. figure 2.2) est utilisée avec un faisceau de muons pour les prises de données dédiées à l’étude de la structure en spin du nucléon. Elle est composée d’une cellule centrale de 60 cm de long et de deux cellules de 30 cm en amont et en aval. La distance entre chaque cellule est de 5 cm et chaque cellule a un diamètre maximal de 4 cm. Cette division en trois cellules permet d’attribuer des directions de polarisation opposées entre la cellule centrale et les cellules latérales.

Le matériau contenu dans les cellules diffère selon les années de prises de données. Pour une cible de deutérons (2002-2006), le6LiD est utilisé ; pour une cible de proton (2007-2011), il s’agit de NH₃. Dans les deux cas, le matériau est à l’état solide pour maximiser la luminosité. Il

se présente sous la forme de cristaux de quelques millimètres cubes, placés dans un bain d’hélium liquide.

Les cellules sont entourées d’un solénoïde fournissant un champ magnétique de 2,5 T dans la direction du faisceau. Cet aimant supraconducteur de 1,5 m fixe l’acceptance de la cible à ±180 mrad. Le champ du solénoïde, bien que très élevé, ne suffit pas à polariser les nucléons. En revanche, à une température de 1 K, les électrons sont polarisés à 96 %. La génération de micro-ondes permet d’utiliser le phénomène de polarisation dynamique nucléaire (DNP) pour transférer la polarisation des électrons aux noyaux [48]. Des fréquences différentes sont utilisées pour obtenir des polarisations opposées. La polarisation peut être maintenue pendant plus de 1000 heures en abaissant la température des cellules à 50 mK.

Afin de supprimer des différences d’acceptance entre les cellules, les spins des noyaux de chaque cellule sont régulièrement renversés en inversant le sens du champ du solénoïde. Durant cette procédure, un champ transverse de 0,42 T est produit par un dipôle afin de maintenir la polarisation. Ce champ est également utilisé lors de prises de données pour l’étude de la transversité. Le signe de la polarisation de chaque cellule est également inversé plusieurs fois par an à l’aide du système micro-onde pour limiter l’effet des différences de flux de muons entre les cellules.

Figure 2.2 – Cible polarisée de COMPASS (depuis 2006) [49].

2.1.2.2 Cible du programme DVCS

Une cible de 2,5 m de long et 4 cm de diamètre remplie d’hydrogène liquide a été utilisée lors de la prise de données DVCS de 2012 [50]. Le volume d’hydrogène est compris dans un cylindre de kapton de 125 µm d’épaisseur. Ce matériau léger est utilisé pour minimiser l’épaisseur de matière sur le parcours des protons de recul émis à grand angle, caractérisés par un détecteur entourant la cible.

Ce détecteur, CAMERA (COMPASS Apparatus for Measuring Exclusive ReActions) [45] représenté sur la figure 2.3, consiste en 2 cylindres concentriques de lames de scintillateurs autour de la cible, de respectivement 48 cm de diamètre par 2,75 m de long et 220 cm de diamètre pour 4 m de long. La détermination de l’impulsion des protons de recul est effectuée en mesurant leur temps de vol entre les deux couronnes de scintillateurs avec une résolution meilleure que 300 ps. Leur identification est effectuée grâce à leur dépôt d’énergie dans les scintillateurs de 5 cmd’épaisseur de la couronne externe, qui permettent d’arrêter les protons d’une impulsion inférieure à 1 GeV/c. L’épaisseur des scintillateurs de la couronne interne est de 4 mm, ce qui réduit le seuil de détection des protons à 270 MeV/c.

Figure 2.3 – Le détecteur de recul CAMERA [45]. On distingue notamment les deux cylindres de scin-tillateurs ainsi que les photomultiplicateurs auxquels ils sont connectés. La cible d’hydrogène liquide est placée dans l’axe des cylindres.

2.1.2.3 Cibles du programme hadrons

Les études en faisceau de hadrons utilisent une cible d’hydrogène liquide ou des cibles solides [51]. La cible d’hydrogène et des cibles de plomb sont utilisées pour les mesures de dissociation diffractive et de production centrale. Une cible de nickel est utilisée pour l’étude de la réaction de Primakoff.

La cible d’hydrogène liquide se présente sous la forme d’un cylindre de 40 cm de long pour 3,5 cmde diamètre. L’hydrogène est contenu dans un tube en mylar de 125 µm d’épaisseur. La cible est associée à un cryostat et un système de refroidissement situés en dehors du parcours du faisceau et de l’acceptance.

Les cibles nucléaires sont des disques de 4,2 cm de diamètre, d’épaisseurs et de composi-tions différentes (plomb, tungstène ou nickel). Elles sont fixées sur un support d’environ 50 cm disposant de 16 positions différentes suivant l’axe du faisceau, installé à la place de la cible d’hydrogène liquide. Pour les études de dissociation diffractive, un jeu de cibles fines (de 25 µm à 250 µm) de Plomb et de Tungstène est utilisé. En ce qui concerne l’étude de la réaction de Primakoff, une cible de Nickel de 4,2 mm d’épaisseur est utilisée.

Dans toutes les études, il est nécessaire de mesurer les particules de recul de la cible, émises à grand angle. Pour cela, un détecteur de recul (RPD, Recoil Proton Detector), est utilisé. Celui-ci a un fonctionnement proche de CAMERA décrit précédemment. Il consiste en deux cylindres

de lames de scintillateurs de 24 cm et 150 cm de diamètre, pour respectivement 50 cm et 173 cm de long. Les cibles sont placées dans l’axe des cylindres.