Nouvelles des Laboratoires

Nouvelles des Laboratoires

Diagramme de l'exploitation du LEP en 1989 montrant une encourageante croissance de la luminosité intégrée (nombre cumulé de collisions électrons-positons). Pendant les périodes de développement de la machine (MD), le LEP a continué à fonctionner, mais sans produire de collisions pour les expé- riences. Les «jours critiques» sont des pério- des d'arrêt imposées afin de réduire la consommation d'électricité par temps froid.

CERN Le LEP

tient ses promesses

Il y a un an, alors que le catalogue mondial des particules Z (porteuses électriquement neutres de la force nucléaire faible) ne contenait que quelques centaines d'exemplaires, les prétentions des défenseurs du nouveau collisionneur électron-po- siton LEP, qui promettaient cent mille Z pour Noel 1 9 8 9 , parurent extravagantes.

En dépit des difficultés rencon- trées lors de la mise en service du plus grand accélérateur de particu- les jamais construit, d'un calendrier chargé de périodes de mise au point de la machine (essentielles pour cette dernière mais improduc- tives pour la physique) et d'une sé- rie d'arrêts prévus (par exemple, pour la cérémonie d'inauguration officielle le 13 novembre) et impré- vus (pour économiser l'énergie les jours de grand froid), les quatre ex- périences (ALEPH, OPAL, DELPHI et L3) ont atteint conjointement l'objectif des cent mille Z juste avant l'arrêt de la machine à la fin de l'année.

La brève période d'essai du mois d'août a été suivie en septembre et au début d'octobre par deux explo- rations systématiques de la région des Z autour d'une énergie de colli- sion de 91 GeV. Vers la fin de cet- te période, les quadrupôles supra- conducteurs à faible bêta sont en- trés en action pour la première fois pour comprimer davantage les fais- ceaux et tripler la fréquence de col- lisions. Les premiers résultats de ces sessions d'expérimentation ont permis de fixer avec précision la masse du Z et montré qu'il n'y a place que pour trois types de neu- trino (voir numéro de décembre

1 9 8 9 , page 19).

Les sessions suivantes ont été essentiellement consacrées à l'élar- gissement du champ d'exploration

des Z. L'intensité de chaque fais- ceau s'est normalement établie en- tre 1 et 1,5 milliampère tandis que la luminosité des faisceaux en colli- sion a atteint 4,9 x 10 ^{3 0} par c m² par s. La durée de vie des fais- ceaux a régulièrement dépassé dix heures.

La venue de l'hiver s'est accom- pagnée des premiers arrêts impo- sés par suite des arrangements spéciaux du CERN avec son four- nisseur français d'électricité (l'EDF).

Malgré ces interruptions et d'autres non prévues, la moisson de Z a continué à s'enrichir régulièrement, ce qui a permis aux expérimenta- teurs de raffiner leurs paramètres relatifs au Z et d'étudier de plus près les schémas de désintégration de cette particule et ainsi de vérifier qu'elle a les mêmes affinités pour les canaux d'électrons, de muons et de leptons tau (universalité lep- tonique).

Vers la fin de l'année, un premier essai de circulation de protons de 2 0 GeV sans accélération a eu lieu dans l'anneau de 27 kilomètres

pour une comparaison precise avec les performances de positons de 2 0 GeV, en vue d'obtenir un meil- leur étalonnage de l'énergie du LEP.

Précédemment, les mesures du Z étaient obscurcies par une incertitu- de systématique de 4 5 MeV quant à l'énergie des faisceaux.

Le développement de la machi- ne, tant en 1989 que lors du redé- marrage en mars, vise principale- ment à accroître l'intensité et à comprimer davantage les faisceaux, afin que le LEP puisse se rappro- cher de sa luminosité nominale de

1,7 x 10 ^{3 1} et aussi, à plus long terme, d'énergies et d'intensités de faisceau plus élevées.

Les expérimentateurs se lance- ront à la recherche de la particule de Higgs, génératrice de masse dans le modèle électrofaible, dont la découverte est attendue depuis longtemps, cependant que les étu- des de la machine en cours auront aussi pour but de déterminer la possibilité pour le LEP d'accélérer des faisceaux à spin orienté (polari- sés).

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Variation prévue de l'asymétrie du spin du neutron (axe vertical) en fonction de la frac- tion de l'impulsion du neutron emportée par le quark percuté, montrant les idées ancien- nes et nouvelles et (en ombré) la précision attendue de l'expérience de la nouvelle Col- laboration sur le muon et le spin (SMC) au CERN.

Approfondissement du spin

Lors de la première série d'expé- riences dans la zone Nord du su- persynchrotron à protons SPS du CERN, les études utilisant des fais- ceaux de muons de haute énergie firent l'objet d'un investissement considérable. Celui-ci devait se ré- véler payant et se solder par d ' i m - portantes contributions, en particu- lier dans la mesure du contenu en quarks/gluons (fonctions de struc- ture) des nucléons.

Ces études permirent non seule- ment de démêler la structure intime du proton et du neutron mais enco- re de déboucher sur des découver- tes inattendues, c o m m e celles fai- tes par la Collaboration européenne sur la physique du muon (EMC), à savoir l'«effet EMC» (la structure en quarks des nucléons dépend de leur environnement nucléaire) et le fait surprenant que le spin du pro- t o n n'est pas porté par les quarks qui le composent (juin 1 9 8 8 , page 9). Cet effet de spin apparut de façon encore plus marquée lors- que les données EMC furent c o m b i -

nées à des résultats d'expériences effectuées auparavant à Stanford avec des faisceaux d'électrons p o - larisés.

L'effet EMC devait déclencher une série d'investigations et

conduire à une importante réflexion sur le rôle des quarks et des gluons dans les noyaux lourds (septembre 1 9 8 5 , page 270). L'effet de spin, quant à lui, prit nombre de théori- ciens à contre-pied et donna à pen- ser qu'il est le reflet du jeu intime des forces interquarks.

Pour continuer de creuser cette importante question, une nouvelle Collaboration sur le muon et le spin (SMC) poursuivra la tradition des études sur le muon au SPS en utili- sant des muons polarisés ainsi que, c o m m e cibles, des protons et des deutons. Les spins des cibles se- ront rapidement inversés pour ré- duire au minimum les effets systé- matiques lors de la mesure des asymétries; l'utilisation de cibles de protons et de deutons permettra d'explorer la structure en spin du neutron pour une première vérifica- tion d'importantes prévisions théo- riques.

Le speçtromètre originel de la Collaboration EMC, avec son ordi-

nateur en ligne, son système d'ac- quisition et de détecteurs de trajec- toires supplémentaires, a été consi- dérablement amélioré par la nouvel- le Collaboration sur le muon (NMC) qui a poursuivi et amplifié les me- sures consacrées aux fonctions de structure.

L'expérience SMC utilisera un polarimètre à muons nouveau et un équipement de polarisation des ci- bles amélioré pour le renversement fréquent de la direction du spin des protons et des deutons. Quelques modifications sont en outre propo- sées pour le speçtromètre afin d'améliorer le rendement et la sta- bilité du faisceau et la détection du muon diffusé. Les préparatifs ayant déjà c o m m e n c é , l'expérience de- vrait, selon le planning, procéder à la saisie des données l'année pro- chaine.

Applications des antiprotons de basse énergie

L'anneau à antiprotons de basse énergie LEAR du CERN diminue l'énergie cinétique de ses faisceaux d'antimatière jusqu'à des niveaux très faibles (moins de 10 MeV) pour des expériences de physique d'une diversité exceptionnelle. Mais ces énergies modestes sont même encore trop élevées pour certaines expériences ayant pour but d'ex- plorer les effets de la gravitation sur l'antimatière.

Deux expériences emploient des techniques de piégeage pour pro- duire des antiprotons ultra-refroi- dis. Une équipe Harvard/Mayen- c e / W a s h i n g t o n (voir le numéro de septembre 1 9 8 9 , page 23) a ainsi abaissé l'énergie des antiprotons à quelques milliélectronvolts, tandis qu'un groupe Los A l a m o s / N A S A / Texas A + M/Colorado se pro- pose d'étudier comment les antiprotons cryogéniques déri-

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Ensemble scintillateur-photomultiplicateur à localisation mis au point par une équipe CERN/LAPP (Annecy) pour servir de moni- teur de profil de faisceau dans une expérien- ce à très basse énergie avec l'anneau à anti- protons de basse énergie LEAR du CERN.

(Photo CERN 153.6.89)

vent sous l'effet de la gravitation.

Un troisième groupe (CERN/Orsay) aura recours à la spectrométrie de masse de précision pour rechercher une éventuelle différence de masse entre le proton et l'antiproton et utilisera dans ce but un quadrupôle radiofréquence pour ralentir les an- tiparticules produites par LEAR.

Dans les expériences conduites avec LEAR, on emploie habituelle- ment des chambres proportionnel- les multifils pour surveiller les pro- fils des faisceaux d'antiprotons mais, à très basse énergie, les par- ticules sont facilement détériorées par les fenêtres de séparation des gaz de ces chambres. Pour résou- dre ce problème, une équipe CERN/LAPP (Annecy) a mis au point une nouvelle technique qui utilise un scintillateur inorganique déposé sur la photocathode d'un modèle commercial de photomulti- plicateur à localisation et qui per- met de recueillir les produits de l'annihilation des antiprotons et d'obtenir des images en deux di- mensions. Des essais sur des fais- ceaux d'ions hydrogène négatifs de très basse énergie (80 keV) pro- duits par le dispositif de l'équipe CERN/Orsay ont donné également de bons résultats. Par son absence de dégazage (produits de sublima- tion), cette technique apparaît pro- metteuse dans des conditions de vide poussé.

ETATS-UNIS D'ici à l'an 2000

Lorsqu'il deviendra opérationnel, l'anneau à protons supercollision- neur supraconducteur de 8 7 km de circonférence (SSC), dont la cons- truction à Ellis County, Texas, est maintenant approuvée, dominera l'horizon de la physique des parti- cules des Etats-Unis. Toutefois, les expériences avec le SSC ne démar- reraient sérieusement que vers l'an

2 0 0 0 et de ce fait, pour assurer une transition régulière dans l'ère du SSC tout en maintenant une continuité dans le programme de base (non-SSC), un sous-comité spécial a été créé par le Comité consultatif de la physique des hau- tes énergies (HEPAP) qui conseille le Ministère de l'énergie américain dans son rôle de grand argentier de la physique des particules des Etats-Unis.

Après une première réunion à Washington l'année dernière consacrée à des questions d'orga- nisation, le nouveau sous-comité, présidé par Frank Sciulli (Columbia), s'est réuni au SSC en janvier et à Cornell en février. Après être passé à Brookhaven, au Laboratoire Fermi et à Stanford en mars, il se réunira à Williamsburg en avril pour établir son rapport.

En prenant divers scénarios bud- gétaires (budget constant, en aug- mentation, en diminution), le sous- comité examinera les relations réci- proques existant entre les installa- tions américaines de physique des hautes énergies (y compris des améliorations) actuellement en ser- vice et celles projetées, l'interface entre le programme de base et le SSC, les implications pour les grou- pes universitaires, l'importance des travaux effectués actuellement en recherche et développement pour les accélérateurs et l'équilibre des programmes, en tenant compte également de l'utilisation d'accélé- rateurs et d'autres installations d'expérimentation existant aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur des Etats-Unis.

Les autres membres du sous-co- mité sont Barry Barish (Caltech), Ed Berger (Argonne), Alex Chao (SSC),

Frank Close (Tennessee), Gail Han- son (Indiana), Walter Hoogland (CERN), David Leith (SLAC), Lauren- ce Littenberg (Brookhaven), Hugh M o n t g o m e r y (Fermilab), Uriel Nauenberg (Colorado), Steve Olsen (Rochester), Marjorie Shapiro (Cali- fornie), Robert Siemann (Cornell), Bruce Winstein (Chicago), Michael Witherell (Santa Barbara), Stan Wojciski (Stanford) et Michael Zel- ler (Yale).

L'objectif est de formuler des re- commandations suffisamment à t e m p s pour l'établissement du bud- get du Ministère de l'énergie pour l'année budgétaire 1992 (qui c o m - mence en octobre 1991).

Frank Sciulli (Columbia) préside un sous-co- mité américain sur la recherche en physique des hautes énergies pour les années 90.