LA PHYSIQUE AVEC DES ANNEAUX DE TRÈS HAUTES ÉNERGIES

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LA PHYSIQUE AVEC DES ANNEAUX DE TRÈS HAUTES ÉNERGIES

F. Renard

To cite this version:

F. Renard. LA PHYSIQUE AVEC DES ANNEAUX DE TRÈS HAUTES ÉNERGIES. Journal de

Physique Colloques, 1976, 37 (C2), pp.C2-73-C2-81. �10.1051/jphyscol:1976209�. �jpa-00216482�

LA PHYSIQUE AVEC DES ANNEAUX DE TRÈS HAUTES ÉNERGIES F. M. RENARD

Département de Physique Mathématique (*)

Université des Sciences et Techniques du Languedoc, 34060 Montpellier Cedex, France

Résumé. — Les anneaux e* x e* offrent la possibilité unique d'étudier le monde des leptons et les interactions qui leur sont propres :

— recherche de leptons lourds de nouveaux bosons {\p, W°, ...), de paires de particules charmées, colorées, ... ;

— étude de l'Electrodynamique Quantique à courte distance ( < 10" 1 6 cm, A > 100 GeV) et des corrections hadroniques et faibles ;

— collisions photon-photon (par e + x e + ou e~ x e~) et structure du photon quasi réel ou virtuel ;

— dynamique de l'annihilation e + e~ -> hadrons, couplage du photon de genre temps aux constituants fondamentaux, production multiple de particules sans effets diffractifs.

Les anneaux e* x p, par la diffusion inélastique des électrons, permettent

— à la limite des transferts q 2 ~ 0, des réactions de photoproduction aux plus hautes énergies (comparables à p x p) et l'étude du Poméron, des mésons vecteurs, de la photoproduction sur cibles virtuelles, des symétries internes des interactions électromagnétiques, des nouvelles particules cou- plées en paires par leur charge, W + W ~ , L + L " , . . . ;

- - dans les régions de profonds transferts q 1 , l'étude de l'invariance d'échelle en relation avec les constituants fondamentaux des hadrons et les interactions asymptotiquement libres, ainsi que des réactions inclusives avec un faisceau de masse variable ;

— l'observation des interférences entre courants faibles neutres et interactions éjectromagné- tiques ;

— l'étude de la structure des courants faibles chargés aux plus hautes énergies par les réactions e + p -* v + X.

Outre les interactions fortes (comportement de <r cl et de <r to „ propriétés inclusives, production de particules à grand moment transverse p T ) que nous discuterons peu ici, les anneaux p x p permettent d'étudier les effets des interactions électromagnétiques et faibles dans les collisions hadroniques (essentiellement par p + p - » h + X à grandsp T ); les réactions

p + p - > 1 + 1 ~ + X et p + p - > / i + v + X

permettront surtout de connaître la distribution des antipartons dans les nucléons et ainsi de complé- ter les analyses faites en diffusion profondément inélastique et en annihilation e + e~.

Abstract. — e* x e* colliding rings give the unique possibility of studying the world of the leptons and of their own interactions :

— search for heavy leptons, new bosons (i/», W°, ...), pairs of charmed and colored particles, . . . ;

— study of Quantum Electrodynamics at short distance ( < 10" 16 cm, A > 100 GeV) and of the hadronic and weak corrections ;

— photon-photon collisions (by e~ x e~ or e + x e + ) and structure of the quasi-real or virtual photon ;

— dynamics of the annihilation e + e~ -> hadrons, coupling of the time-like photon to the fun- damental constituants, multiple production of particles without diffractive effects.

e* x p rings, by inelastic scattering of the electrons, allow :

— at zero transfer (q 2 ^ 0), photoproduction reactions at the highest energies (comparable to those of p x p) and study of the Pomeron, of the vector mesons, of the photoproduction off virtual targets, of the internal symmetries in the electromagnetic interactions, of new particles coupled,by their electric charge ( W + W ~ , L + L ~ , . . . ) ;

(*) Physique Mathématique et Théorique, Equipe de recherche associée au C.N.R.S.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1976209

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— in the deep inelastic region (q 2 large), the study of scaling in relation with the fundamental constituants of the hadrons and their asymptotically free interactions, as well as inclusive reactions with a beam of variable mass ;

— the observation of interferences between weak neutral currents and electromagnetic interac- tions ;

— the study of the structure of the weak charged currents at the highest energies with the reactions e + p -• v + X.

Apart from the strong interactions (behaviour of a cl and <r, ot , inclusive properties, production of particles at large transverse momenta p T ) that we shall not discuss there, p x p rings allow the study of the weak and electromagnetic effects in hadronic collisions (essentially b y p + p - > h + X a t large p T ); the reactions p + p -> 1 + 1~ + X and p + p - > / * + v + X will mostly allow the deter- mination of the antipartons distributions inside the nucleons in connection with the analyses of deep inelastic lepton scattering and e + e~ annihilation.

1. Introduction. — Les anneaux de collision ont pour caractéristique première la possibilité d'offrir à moindre frais les énergies les plus élevées dans le centre de masse de la collision. Ils constituent donc un outil de recherche de pointe dans la prospection des phénomènes inconnus en physique des particules élémentaires. Les anneaux e + e~ et pp construits jusqu'alors l'ont bien montré par l'importance de physique nouvelle qu'ils nous ont révélée respective- ment dans le domaine des interactions électroma- gnétiques et des interactions fortes.

A plus haute énergie les anneaux e ⁺ e" consti- tueront encore le moyen privilégié d'étude de la physique des leptons (électrodynamique quantique, collisions photons-photons, interactions faibles) du fait de la pureté leptonique de l'état initial, ainsi que d'étude des interactions photon-hadrons (pour un photon de genre temps) par l'annihilation e + e" en hadrons; ces deux propriétés sont spécifiques de ces anneaux de collision. A très haute énergie on peut penser qu'ils fourniront aussi une source de nouveaux bosons Z°.

Le fait de pouvoir disposer des plus hautes énergies confère aux anneaux e ⁺ e", ep (et aussi pp) une place de choix dans la recherche de nouvelles particules très massives (W + W~, L + L~, quarks ?). Ils four- niront certainement les premières indications sur le comportement asymptotique de la photoproduction et de l'électroproduction profondément inélastique qui révèle les constituants élémentaires (partons) des hadrons et leurs interactions (asymptotiquement nulles). Nous attendrons aussi qu'ils confirment la montée des interactions faibles au niveau des interac- tions fortes et électromagnétiques.

Dans ce dernier domaine la compétition avec des accélérateurs conventionnels de plusieurs TeV est possible; l'apport essentiel de ceux-ci serait un flux plus important de particules incidentes permettant une meilleure statistique et par exemple une meilleure séparation des différentes fonctions de structure dues aux courants faibles.

Il ne faut pas attendre, dans le cadre des connais- sances actuelles, que les anneaux pp fournissent beaucoup de renseignements nouveaux sur les interac- tions électromagnétiques et faibles qui resteront

presque partout masquées par les interactions fortes ; mais ce domaine des interactions fortes qui leur est réservé est déjà suffisamment riche ; il vient encore de s'enrichir des nouvelles particules {\j/, particules charmées ou colorées). Et qui peut dire ce qu'une nouvelle gamme d'énergie révélera dans les collisions pp comme dans les autres ?

L'histoire des grands accélérateurs nous a mainte- nant habitués à ce genre de surprises et je ne doute pas que la physique qui se fera dans le domaine du TeV comportera, outre sa part de confirmation et d'infir- mation de phénomènes attendus, de nouvelles décou- vertes et de nombreux problèmes insoupçonnés actuel- lement et qui en constitueront tout l'intérêt.

2. Anneaux e* e*. — 2.1 RECHERCHE DE NOU- VELLES PARTICULES. — La physique des leptons s'est récemment considérablement développée, au moins sur le plan théorique, dans le cadre des théories de jauge unifiant les interactions faibles et électroma-

gnétiques. L'observation des courants neutres dans la diffusion neutrino et la découverte des particules if/

ont apporté un soutien à ces théories.

La recherche des bosons intermédiaires W* revêt alors une grande importance. Ils peuvent être produits en paires par couplage électromagnétique ponctuel dans la réaction e ⁺ e " - > W ⁺ W " (Fig. 1)

<r(e + e- - W + W ) =

_ 3 M ² | _ s J |_ ¹⁺ * J

pour M ^w ~ 50 GeV et , / s = 2 E > 2 m ^w ~ 100 GeV, la section efficace est de l'ordre de 10~ ³⁵ cm ² . Les bosons W ± sont détectables par leurs modes de désintégration leptonique /iv ou ev dont le rapport d'embranchement serait de l'ordre de

<x(e ⁺ e~ -• n ⁺ fi')/o(e ⁺ e" -* had) = 4 » 0,2 à 0,3.

FIG. 1.

l'existence du boson neutre Z0 (compagnon des W*

et du y ) couplé directement par interaction faible aux leptons et aux hadrons (Fig. 2). Il devrait donner un pic très étroit dans beaucoup de voies de réaction e + e- pour une énergie Js = m,o (50 à 100 GeV ?).

Ces théories unifiées font appel, pour conférer une masse aux bosons W* et Z0 sans briser l'invariance de jauge, au mécanisme de Higgs et a des champs scalaires @(.Y) couplés faiblement aux leptons et hadrons ; leurs caractéristiques ne sont toutefois pas précisées, en particulier leur masse peut être infiniment élevée ; ils pourraient apparaitre comme le Z0 en état intermédiaire de l'annihilation ef e-.

Certains modèles de théories de jauge font appel à des leptons lourds pour compléter les multiplets du groupe de jauge dans lesquels se trouvent déjà les leptons ordinaires ; exemples :

E + M +

:pEo) ³ ja ^{v p MO)}

et leurs antiparticules Les leptons chargés sont productibles par couplage électromagnétique (comme e + e- et p f p-) ponctuel, les leptons neutres le sont par interaction faible via le boson Z0 (Fig. 3).

Leurs modes de désintégration sont leptoniques (1 + ^v + ^{v )} ou semi-leptoniques (1 + had). Il n'y a pas de prédiction ferme pour leurs masses qui peuvent être de l'ordre du GeV; ils pourraient être mis en évidence avec la prochaine génération d'anneaux.

La recherche de nouvelles particules ne se borne pas aux leptons. Les collisions e + e- sont utilisables pour produire toute paire de hadrons chargés électrique- ment (ef e- -, y -, h + h-), par exemple les fameux hadrons charmés ou colorés; un premier seuil est actuellement soupçonné vers

& = 2 ~ = 2 r n , = 4 G e V ;

vont-ils apparaître pour les autres types ? En relation avec ces nouvelles voies, de nouveaux mésons vecteurs vont-ils apparaitre à la suite de la série actuelle des J/ ? 2.2 ELECTRODYNAMIQUE QUANTIQUE, CORRECTIONS HADRONIQUES ET FAIBLES. - L'électrodynamique Quantique a résisté jusqu'alors à tous les tests auxquels on l'a soumise ; nous en sommes arrivés à un tel degré de précision (IO-'' cm) qu'aucune violation intrin- sèque n'est plus attendue. Par contre les très hautes énergies permettront d'atteindre les corrections à I'Electrodynamique Quantique dues aux interactions fortes et faibles. Les réactions les plus simples pour ces tests sont évidemment e + e- -, e + e-, p + p- et y y ainsi que e + e- y et e + e- yy. La réaction

montre les modifications au propagateur du photon dans la région temps, ainsi que les termes additionnels (2'). La réaction e + e- -, e + e- montre en plus les modifications au propagateur du photon dans la région espace; enfm la réaction e + e- -, 2 y teste le propagateur de l'électron et la présence de nouveaux termes comme e' e- + @ --+ 7.;.

Un effet hadronique sur le propagateur du photon est attendu du fait du processus y -, hadrons -, y (Fig. 4 ) ; de tels effets renforcés par des résonances étroites (cp, +, J / ' ) ont déjà été observés. Une modifi- cation continue due à l'ensemble de la production hadronique intervient dans le propagateur du photon :

- 20 nb jusqu'à 15 GeV Le cas extrême où a;,;' -h''d -

conduirait à 10 % de modification de D(q2) obser- vable dans e + e - - , p + p - .

Un terme d'interaction faible (diagramme avec Zo) se manifestera (avant de donner un pic à Js = m,) par son interférence avec le diagramme à un photon et provoquera par violation de Parité et conjugaison de charge des asymétries et effets de polarisation.

Un couplage Z%y,(g, + g, y 5 ) e provoquera :

- une modification en valeur absolue de o(ef e- -, p t p - ) ;

- une polarisation longitudinale des p' (violation

de Parité) ; on peut séparer cet effet d'un effet dû à un

éventuel diagramme à 2 photons en prenant la combi-

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naison antisymétrique azimutale P(cp)-P(ir-cp) qui éli- mine ce dernier;

- un effet de la polarisation d'un seul faisceau d'électrons sur la section efficace différentielle ;

- une asymétrie dans la distribution d'un muon par rapport à 8 = ir/2 pour des électrons polarisés.

Pour fixer un ordre de grandeur, si l'on prend le modèle de Weinberg ces effets devraient être de l'ordre de 10 % pour $ ^E 30 GeV.

On peut ajouter dans le cadre de ces effets d'interao tion faible, une modification de la forme générale en a + b cos2 O de la réaction inclusive e + e- + h + X due au diagramme à un photon ; un terme Z0 provo- querait une interférence observable en polarisant un seul faisceau d'électron ainsi qu'une asymétrie avant- arrière. Des effets similaires seraient également obser- vables dans les réactions e + e - -, baryon + anti- baryon.

2.3 COLLISIONS PHOTON-PHOTON. - Les collisions e* e* (particulièrement e- e- ou e f e+ pour lesquelles l'annihilation ne peut pas se produire) constituent une source intéressante de photons dont les caractéris- tiques (énergie-impulsion, masse) peuvent être déter- minées par identification (marquage) des électrons diffusés.

Ces photons sont produits de façon dominante à petit angle et avec une faible masse (Fig. 5).

Ils peuvent être considérés comme quasi réels.

A l'approximation du spectre de photons équivalents on peut écrire :

(k: = 0, ^{= O, s = 4 co,} où

s = m i = (k, + ^k2)2

avec

Les réactions yy + e+ e- et p + p - ont déjà été observées et semblent en accord avec les calculs faits avec l'électrodynamique quantique. En ce qui concerne la production de hadrons, on pourra tout d'abord étudier de façon simple les résonances de conjugaison de charge paire (no, v , q', s, S, f, f', A , , ...) couplées

à 2 photons. On pourra ensuite étudier le comporte- ment de la réaction yy + hadrons dans la région diffractive et faire une comparaison avec les collisions hadroniques. Le modèle de la dominance des mésons vecteurs, valable pour les réactions y + ^hadrons,

nous permet d'attendre cette ressemblance pour la section efficace totale (échange du Poméron) :

comme pour les réactions inclusives y + y + h + ^X

dans les régions de pionisation et de fragmentation des photons. Mais ce modèle est-il toujours vrai pour 2 photons en collision et n'y aurait-il pas quelque terme d'interaction ponctuel qui n'apparaîtrait que dans cette situation ?

En choisissant d'autres configurations cinématiques pour l'un des électrons finals, on pourra étudier la diffusion profondément inélastique- e + y, c'est-à-dire la réaction y, + ^y, et tester cette fois la structure (hadronique ?) du photon réel comme on le fait maintenant pour les hadrons; une relation de facto- risation

nous laisse espérer une section efficace e + y de l'ordre de cm2 avec des anneaux de

15 GeV x 15GeV.

De même, en fixant les configurations cinématiques des deux électrons finals, il serait possible de faire de la diffusion profondément inélastique sur photon virtuel (e + y,) et vérifier encore plus loin l'analogie photon-hadron; les sections efficaces deviendront toutefois de plus en plus faibles.

2.4 ANNIHILATION e + e- EN HADRONS. - Cette réaction, qui procède par le canal à un photon, cons- titue actuellement le principal sujet d'intérêt des anneaux e + e- ; il en sera probablement encore de même jusqu'aw énergies où les effets d'interaction faible deviendront compétitifs ($ ^E 100 GeV). On connaît déjà une bonne liste de problèmes liés au couplage d'un photon de genre temps avec des hadrons; les anneaux de haute énergie pourront probablement donner des réponses à la plupart de ces questions brûlantes.

2.4.1 Comportement ak la section eficace totale. -

Les modèles à constituants fondamentaux (partons) avec interactions asymptotiquement libres prédisent :

La valeur précise du rapport asymptotique R = 1 Q z

dépend de la charge Qi et du nombre de constituants

élémentaires de la matière hadronique (quarks, avec charme ou couleur, avec charges fractionnaires ou entières.. .). L'approche logarithmique au comporte- ment asymptotique est caractéristique des interactions asymptotiquemedt libres. Sera-t-elle observée dès la prochaine génération d'anneaux (Js 2 8 GeV) ou de nouveaux effets de seuil et de nouveaux mésons vecteurs viendront-ils encore moduler la section efficace totale ? Il est bon de noter à ce propos la limite d'unitarité située à 40 GeV pour une section totale constante de 22 nb.

2 . 4 . 2 Réactions inclusions simples e

e- 4 h ,+ ^X.

- Deux types de modèles s'opposent actuellement : - les modèles à jets où le photon se désintègre par couplage ponctuel en une paire de partons qui sépa- rément émettent chacun un groupe (jet) de hadrons finals,

- les modèles statistiques où le photon est consi- déré comme une source très massive de matière hadronique qui se disperse aléatoirement dans l'espace.

Les énergies actuelles sont encore insuffisantes pour séparer ces deux processus ; il faudrait que l'impulsion moyenne

oùp, est le moment transverse moyen des hadrons émis en jets (on pense généralement que

comme dans les collisions hadroniques) ; si la multi- plicité moyenne ( nh ) ne croit pas trop vite (comme il semble que ce soit le cas au moins pour les particules chargées), on pourra peut-être séparer les jets à partir de Js = 8 à 10 GeV. Les prédictions sont alors :

- _{d cos 8} do - ^{(1 + cos2 8)}

ou sin2 8 si les partons ont un spin 4 ou zéro (8 est l'angle du moment de h avec la direction des faisceaux).

La distribution inclusive s do/dx (avec x = 2 E,/$) devrait être invariante d'échelle (indépendante de s). Si l'émission des hadrons par le parton est similaire à l'émission de partons par le hadron cible dans la diffusion profondément inélastique de leptons, alors les relations de Gribov-Lipatov entre fonctions de structures d'annihilation et de diffusion inélastique devraient être satisfaites :

Deux jets opposés sans interaction conserveraient la charge initiale du parton ; si celle-ci est fractionnaire et si l'on ne veut pas envisager cette possibilité, il faut admettre l'existence d'échanges de charges dus a des partons mous (wee partons) ne provoquant que de faibles échanges d'impulsion ; l'invariance d'échelle pourrait être préservée, mais la distribution en rapidité y du hadron h détecté devrait présenter un plateau entre les deux pics correspondant aux positions des jets. La multiplicité totale devrait au plus croître logarithmiquement ( n, ) a logs (du fait de ce plateau). L'impulsion moyenne ( p h ) devrait croître comme Js.

A l'opposé les modèles statistiques prédisent un comportement exponentiel pour la distribution inclu- sive :

avec violation de l'invariance d'échelle, une multi- plicité croissant comme une puissance de l'énergie ( nh ) cc s" (O < a < i) et une impulsion moyenne limitée (p, ) = 0,4 GeV/c.

La mesure des intensités relatives des productions de divers types de particules h= n', no, K, N, . . . ^don-

nera des indications supplémentaires sur la nature du couplage hadronique du photon et ses symétries internes (isospin, U-spin, SU ,... ^).

2 . 4 . 3 Réactions inclusives multiples

Ces études pourront être menées de pair avec les études similaires faites dans les collisions hadroniques.

Il s'agira d'étudier les corrélations (à courte ou longue portée), la formation d'amas (clusters) ou de résonances, quel que soit le mécanisme primaire, jets ou statistique. On peut se demander quelle influence a le fait de se trouver dans une seule onde partielle (JPc = 1--) et de ne pas avoir de terme diffractif. Le photon est-il lui-même un cluster ou une boule defeu au repos ? Quelles relations y a-t-il avec l'annihilation nucléon-antinucléon (qui ne possède pas les mêmes nombres quantiques internes) ?

2 . 4 . 4 Réactions exclusives et facteurs de forme. - Ce chapitre contient beaucoup de questions. Quel est le comportement avec l'énergie d'une section efficace exclusive a n particules ? est-il statistique

on(s) = e-a *sn

ou bien invariant d'échelle

Y a-t-il des voies dominantes dues aux couplages

particuliers du photon ' Les symétries internes (Iso-

spin, U-spin, SU,, SU, ...) prédisent de nombreuses

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relations entre les couplages du photon à 2 particules ou résonances qui peuvent être testées directement dans l'annihilation e + e-.

Les effets de mésons vecteurs supérieurs assez larges, noyés dans la section efficace totale, peuvent apparaître plus clairement dans des voies exclusives simples où ils sont particulièrement couplés.

Quel est le comportement asymptotique des facteurs de forme des mésons (donnés par e C e- + n + n-, K

K - , . . .) et des baryons (e' e- -, pj5, YY, . . ^{.) ?}

Les relations de dualité (à la Bloom-Gilman) avec les réactions inclusives e + e- -, h + X sont-elles satis- faites ? Ce comportement est-il reliable, analytique- ment avec celui de la région espace (diffusion électron- hadron) ? Les règles de sommes et inégalités, par exemple

sont-elles satisfaites ?

2.4.5 Annihilation via plusieurs photons. - On s'attend généralement à ce que le diagramme à deux photons ne donne dans les sections efficaces totales qu'une correction en a 2 = Dans cer- taines réactions exclusives e + e - + hadrons, au pic de résonances de conjugaison de charge C = + ^{1, on}

pourrait observer une asymétrie avant-arrière du fait de l'interférence entre le terme à un photon et le terme à 2 photons (Fig. 6), mais celle-ci ne serait au plus que de quelques %.

(q2 = (pe - Pe.)2 = O), on obtient essentiellement les réactions de photoproduction y + p -, X. En mesurant complètement l'électron diffusé e' on peut isoler les réactions dues à des photons monochro- matiques; l'énergie maximale est celle de l'électron incident. Les anneaux ep permettront donc de pro- voquer des photoproductions aux plus hautes énergies (comparables à celles des anneaux pp).

Les photons réels sont une source de paires de particules chargées et donc un moyen de recherche de nouvelles particules (leptons lourds, bosons inter- médiaires ou tout autre paire, Fig. 8). La section efficace doit être de l'ordre a 3 / ~ i soit

crn2/M; (GeV) .

Ce mode de production est pariiculièrement inté- ressant lorsque ces nouvelles particules n'ont pas d'interactions fortes et ne sont donc pas produites directement dans les collisions hadroniques.

A très haute énergie (Js > 100 GeV) il est possible que les termes à deux photons (faiblement massifs) deviennent importants dans certaines voies par exemple e f e- -, p0 p0 + 4 ni (Fig. 7) : L'ensemble des effets de ce genre n'a toutefois pas été étudié de façon très approfondie.

3 . Anneaux e * p. - La diffusion lepton-hadron peut procéder soit par interaction électromagnétique (échange de photons) soit par interaction faible (échange de W* et ZO). Elle renseigne, d'une part sur la nature et la forme de ces interactions, d'autre part sur la structure interne du hadron.

3 . 1 RÉACTIONS DE PHOTOPRODUCTION. - A la limite des transferts nuls dans la diffusion

Les réactions y + p -, Wf + X (par couplages électromagnétiques et faibles) devraient aussi avoir des sections efficaces de l'ordre de 10-34 cm2.

Les collisions y-proton de très haute énergie permettront de vérifier si le comportement hadronique du photon réel, observé jusqu'alors, se poursuit.

La section efficace totale suivra-t-elle celle de la réaction pp :

La diffusion élastique yp -, yp ou yp + Vp (où V est

un méson vecteur de préférence étroit (a, cp, 1,9) de

façon à éviter les problèmes de bruit de fond) possé-

dera-t-elle les caractéristiques de la diffusion élastique

proton-proton (structures en bosses et creux de

doldt, conservation de l'hélicité en voie directe) en

rapport avec les propriétés conférées à l'échange du

Poméron ? Par dominance des mésons vecteurs on

aura accès a la diffusion Vp + Vp aux mêmes énergies.

Les réactions à deux corps y + ^{p + méson} + ^baryon

de même que les réactions inclusives y + ^{p -, h} + ^X

pourront-elles s'analyser par les méthodes actuelles employées pour les collisions hadroniques (échanges de Regge, méthodes à la Muller, régions de fragmen- tation et région centrale, comportement en moment transverse) ? Par extrapolation de Chew et Low on peut penser atteindre à haute énergie les réactions de photoproduction sur des hadrons dont on ne peut faire des cibles réelles (y + ^{n, y} + ^{K, Fig. 9), et}

peut-être faire ainsi des tests supplémentaires des symétries internes des interactions électromagné- tiques.

3 . 2 DIFFUSION PROFONDÉMENT INÉLASTIQUE ÉLEC- TRON-PROTON. - On entend par là la réaction e + p ^-+ e' + X à très grand transfert

totiquement, sans modification, les règles de sommes obtenues avec le modèle des partons ; par exemple :

où cn et pn dépendent des constituants sur lesquels est basé le modèle,

Dans le cas d'électrons et de protons polarisés, deux nouvelles fonctions de structure apparaissent et dépendent de façon plus spécifique encore du type et de la dynamique des partons.

Une nouvelle étape pourra être franchie avec l'étude de la diffusion inclusive e + ^{p -+ e'} + h + X, c'est-à-dire y, + ^{p -+ h} + ^X ou l'on attend des propriétés nouvelles du fait de la présence d'un photon de masse variable pouvant être très grande.

L'habituel diagramme des rapidités des réactions inclusives devrait s'enrichir de la structure du photon massif (Fig. 1 la et b) :

q2 < O , (Q ⁼ - q2 > O) (Fig. 10) .

FIG. 1 la.

Avec échange d'un seul photon, la section efficace pour des électrons et protons non polarisés a la forme générale bien connue :

-= do 8

dE' dl2 cos2 - W2(o, q') +

7 ²

Q(8) et E t sont les angles et énergie de l'électron diffusé. Les fonctions W,(o, q2) renferment la structure du proton. Le modèle des partons libres conduit à l'invariance d'échelle des fonctions de structure (indé- pendance en q2) :

Par contre les théories des interactions asymptoti- quement libres prédisent des corrections en log Q 2 à ce comportement ; elles redonnent toutefois asymp-

Pour un photon de faible masse (de l'ordre de celle d'un hadron) on s'attend au schéma habituel : (A) région de fragmentation de la cible (partons durs dans le proton), (B) plateau hadronique (partons mous dans le proton) et (C, D, E confondus) région de fragmenta- tion du faisceau (partons durs dans le photon).

Lorsque la masse q2 du photon s'accroîtra, la structure

du courant électromagnétique devrait se révéler,

en gros, telle qu'elle apparaîtrait dans l'annihilation

ef e- -+ y + q?j -r hadrons ; le photon se sépare en

deux partons dont l'un correspond à l'un des partons

de la cible (région (C) dite hole fragmentation) et

l'autre émet à son tour des hadrons finals, des mous

formant le plateau photonique (D) (current plateau)

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et des durs (fragments rapides) a l'extrémité (E) du spectre (parton fragmentation). Cette structure du photon s'étendrait sur une gamme de rapidité de l'ordre de log Q2. La région hadronique s'étend sur le complément log s-log Q 2 = log o. D'après I'expé- rience acquise aux I.S.R., pour faire apparaître ces structures il faudrait log s > 8 soit s > IO4 GeV2 ce qui nécessite bien des anneaux ep. La multiplicité des hadrons finals serait dominée par les deux pla- teaux :

( n ) = Chad l o g o + C e + , - log Q 2 =

= ( nhad ) + ⁽ n e c e - >

ou n,, et ne+,- sont respectivement les multiplicités observées dans les collisions hadroniques et l'annihi- lation e + e- aux énergies correspondantes. Certains modèles donnent Chad = Ce+ ,-, soit ( n ) = ^{C log S.}

Une autre question intéressante concerne le compor- tement des moments transverses p i en fonction de q2 ; le moment transverse moyen est-il dépendant de q2 et dans ce cas l'est-il seulement dans la région de fragmentation du photon ou dans tout le domaine inclusif ?

Enfin le comportement des réactions exclusives en fonction de 8 ^à partir de la photoproduction (q2 = O) permettra d'étudier encore le modèle de la dominance des mésons vecteurs ; ce seront par exemple les réactions e + p + e' + ^p + p de même que les facteurs de forme élastique (ypp) ou inélastique (ypN*) avec étude du fameux comportement dipolaire.

3 . 3 EFFETS DES COURANTS FAIBLES NEUTRES. - A très grand transfert Q2 (si l'énergie incidente est suffisante) les termes d'interaction faible par échange de Z0 pourront venir s'ajouter au terme d'échange du photon dans la diffusion de l'électron (Fig. 12). Le premier effet sera dû a l'interférence entre ces deux diagrammes.

Ecrivons le couplage du Z0 aux leptons sous la forme générale :

il viole la Parité et la Conjugaison de charge. Au premier ordre en ces couplages on obtiendra :

où I dépend de g, et g,, des états de polarisation e, ou e, du faisceau d'électrons et de l'état de charge e + ou e- de œ faisceau.

On obtiendra une asymétrie par rapport aux états de polarisation (violation de Parité) ainsi qu'une asymétrie par rapport aux états de charge (violation de C). Par exemple avec le modèle de Weinberg :

Il faut noter qu'une asymétrie de charge peut aussi apparaître du fait d'un échange de 2 photons, mais la dépendance en Q2 serait différente (en log q2) et on n'aurait pas comme ici la forme générale due aux cou- rants vectoriels et axiaux avec ses fonctions de struc- tures Wi(o, q2), i = l , 2 , 3. Ces effets d'interférence apparaîtraient donc dés Q E 103 GeV2 œ qui néces- site des anneaux de collision ep de l'ordre de 15 x 150 GeV.

3 . 4 COURANTS FAIBLES CHARGÉS. - La réaction e* p + v + X permettra de les étudier a u plus hautes énergies. Il s'agit exactement de la réaction croisée de la diffusion neutrino habituelle. La forme de la section efficace est bien la même :

d2c7'

x [(1 - y) vw; + ^xy2 w: + ^{xy(1 -} y/2) W $ ] où

Avec des partons de spin $, on obtient :

pour

e + p - + V + X et

G 2 s ( Mg ) 2 x ( Y ) 2 y ~ : M - -

d x d y n M $ + Q 2 pour

e ë p - + v + X .

Ces réactions seront observables avec des anneaux

ep de 10 x 100 GeV mais la séparation des diverses

fonctions de structure nécessite des énergies un peu

plus élevées.

4. Anneaux pp. -- Il n'est pas dans notre propos de discuter en détail la physique des interactions fortes avec des anneaux pp de très haute énergie. Nous avons déjà signalé à propos de la structure hadronique du photon l'intérêt de la comparaison entre a(yp) et a(pp) aux plus hautes énergies à propos :

- du comportement de a,,,(s); la séparation entre divers comportements logarithmiques simples néces- site bien & ^{> 400 GeV ;}

- du comportement de daldt élastique ou diffractif permettant d'atteindre la forme du proton ;

- de la production de matière hadronique (clusters ?) ;

- de la production de particules à grand moment transverse (constituants fondamentaux, nouvelles par- ticules massives, tests de symétries internes).

Nous voulons par contre discuter un peu les effets des interactions électromagnétiques et faibles dans les collisions pp. Ceux-ci sont certainement négligeables sur la section efficace totale ; par exemple une diffusion faible parton-parton sans effet d'unitaritk donnerait :

soit 6 x cm2 à Js = 800 GeV, à comparer à 40 x du fait des interactions fortes. Des corrections moins négligeables sont attendues dans la production de particules à grand PT, les interactions fortes étant probablement plus coupées en p, que les interactions ponctuelles électromagnétiques ou faibles;

mais justement le comportement en p, des collisions fortes est très dépendant du modèle (à partons par exemple) ; si

E d a 1

- _d3P - _P? ^{-f ( 4}

avec

alors des interférences sont possibles au niveau de 10-38 cm2/Gev2 ce qui nécessite 6 400 GeV et pT 5 20 GeV/c.

Les réactions purement faibles ou électromagné- tiques telles (Fig. 13)

[ l ] P.E.P. project report LBL no 2688/SLAC no 171 (avr. 1974).

[2] Super Adone design study, Frascati (mars 1974).

[3] E.P.I.C. working Party, Rutherford Laboratory RL-74-098 (juin 1974).

[4] P.E.T.R.A. proposal, Desy (nov. 1974).

compléteront essentiellement les analyses de la struc- ture des nucléons (surtout les distributions des antipartons) faites en diffusion inélastique de leptons et en annihilation e + e-. A - ^{(pp + e f e + X)} Js ^z z 10-"j cm2/GeV 800 GeV on attend

dQ

avec le diagramme de Dreli et Yan pour Q = m e + , - = 50 GeV .

Mais celui-ci est-il vraiment dominant ; y a-t-il bien invariance d'échelle

Quelle est l'influence des nouvelles particules et des seuils de production ?

Pour de grandes masses Q, on devrait voir aussi l'effet du Z0 comme dans l'annihilation e + e-.

Pour la réaction pp -+ W* + X (Fig. 14) on attend une section efficace de l'ordre de cm2 pour m, = ^{50 GeV} à Js = 800 GeV. Il est clair que l'ensemble des réactions e+ e- + hadrons,

permettront de sérieuses vérifications de la cohérence des vues actuelles sur les couplages fondamentaux et les structures des particules élémentaires.

[5] Proceedings of the seminar on e-p and e e storage rings, D.E.S.Y. 73/66 (dec. 1973). _{. ,}

[6] Theoretical Remarks on weak and electromagietic interactions at Multi TeV cnergies (C. H. Llewellyn Smith, Cern 1974).

[7] Should an electron ring be added to a pp colliding ring at Cern

(WIIK, B. H., D.E.S.Y. 1974).