LES LEPTONS : SONDE DE LA MATIÈRE HADRONIQUE, LE PASSÉ, LE FUTUR VUS PAR UN EXPÉRIMENTATEUR

(1)

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LES LEPTONS : SONDE DE LA MATIÈRE

HADRONIQUE, LE PASSÉ, LE FUTUR VUS PAR UN

EXPÉRIMENTATEUR

J. Aubert

To cite this version:

(2)

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 3 , supplément au no 6 , Tome 39, Juin 1978, page C3-67

LES LEPTONS

:

SONDE DE LA MATIÈRE HADRONIQUE,

LE PASSÉ, LE FUTUR VUS PAR UN EXPÉRIMENTATEUR

J. J . AUBERT

Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules, B.P. no 909, 74019 Annecy Le Vieux, France

Résumé.

-

Une étude de différentes expériences de diffusion lepton-hadron est utilisée pour mettre en évidence la structure granulaire des hadrons. Les projets expérimentaux en cours de réalisation sont passés en revue.

Abstract. - A study of different lepton-hadron scattering experirnents is used to show the evidence of the granular structure of hadrons. The experimental projects in progress are reviewed.

Les organisateurs de la session hadrons du Congrès m'ont demandé de présenter un exposé pédagogique sur les résultats expérimentaux obtenus dans les diffusions leptons-hadrons, résultats illus- trant la structure granulaire des hadrons. Ce sujet est très vaste e t tout en profitant de l'exposé théorique d e Pechansky sur le même sujet, il ne m'est pas possible dans le temps imparti de traiter les résultats de façon exhaustive. On a donc été amené à faire des choix dans les sujets traités, ces choix ayant été dictés plus par l'exposé lui-même que par l'intérêt intrinsèque de chaque expérience.

L'auditoire n'étant pas supposé être composé de physiciens des Hautes-Energies il nous est apparu utile de présenter dans un premier chapitre une analogie des études actuelles avec les études ancien- nes des interactions électron noyau. L'invariance d'échelle e t le modèle des partons sont introduits dans un deuxième chapitre, à partir des résultats de la diffusion électron-noyau. Dans le chapitre trois les propriétés des partons sont explicitées avec les résultats des interactions vp. Les difficultés expéri- mentales rencontrées avec le modèle des partons sont décrites dans le chapitre suivant e t le dernier paragraphe traite des grands projets européens consacrés à l'étude des diffusions lepton-nucléon (pour des raisons de temps disponible, seuls les projets utilisant la technique des compteurs aux- quels un groupe français est associé ont été retenus).

1. Historique des interactions électron-atome, éIec- tron-noyau.

-

Il n'est pas dans mes intentions de faire un historique complet des expériences de diffusion électron-matière, nous nous limiterons à

l'étude de deux expériences caractéristiques, qui ont mis en évidence la structure corpusculaire de la matière. On insistera sur la continuité de ces expé- riences.

Dans la diffusion d'un électron d'énergie incidente E sur une cible nous allons voir que la mesure de l'électron diffusé (énergie E', angle de diffusion O ) permet de sonder la structure de la cible.

( I N C I D E N T

ELECTRON) ELECTRON)

UNDETECTED

F I N A L STATES

1.1 DIFFUSION ÉLECTRON-ATOME. EXPÉRIENCE DE MOHR-NICOLL (1932) [l].

-

Leur dispositif expérimental est présenté sur la figure 1.

La machine à électrons (source) est constituée d'un filament de tungstène. Un collimateur fixe

FIG. 1. -Dispositif expérimental de Mohr et Nicoll pour l'étude

de la diffusion électron-atome.

(3)

C3-68 J. J. AUBERT

l'angle d'émission des électrons par rapport au filament. Les électrons émis interagissent avec le gaz de la chambre. Les électrons diffusés sont mesurés dans la cage de Faraday. Un jeu de collimateur S et de potentiel ajustable permettent de mesurer l'énergie de l'électron diffusé. Le changement de l'orientation de la source fixe l'angle de diffusion 8.

Le courant mesuré dans la cage de Faraday est proportionnel à la probabilité de diffusion de l'élec- tron dans les conditions cinématiques données.

La figure 2 représente la probabilité de diffusion, en fonction de la perte d'énergie de l'électron diffusé, ( V = E - Er) pour le mercure (a), l'hélium (b) et l'argon ( c ) . On observe le pic élasti- que à v = O ainsi que de nombreux autres pics. Ces pics correspondent à des niveaux d'excitation de l'atome considéré (ces niveaux sont identiques à

ceux déterminés par le spectre d'émission). Ces expériences mettent donc en évidence la structure de la matière au niveau atomique avec ces différents niveaux d'excitation.

COLLIMATOR ACCELERATOR BEAM STOPPER LDEFLECTING ' \ MAGNET ;k2 SCATTERING CHAMBER MAGNET CONCRETE SPECTROMETER SHlELDlNG

FIG. 3. - Dispositif expérimental de Hofstadter et al. pour l'étude de la diffusion électron-noyau.

l'énergie de l'électron diffusé sur la figure 4. On remarque d'une part le pic de diffusion élastique et les différents pics d'excitations. Sur la figure 5 la même courbe est tracée pour l'hélium 4 avec un faisceau incident de 400 MeV à un angle de diffusion de 45". Outre le pic élastique on ne remarque pas de pics d'excitations prononcés. Par contre on observe un pic large qui est centré sur le pic de diffusion quasi-élastique sur les nucléons. Ce pic est inter- prété comme la diffusion de l'électron sur les nucléons du noyau. La largeur du pic est due au mouvement de Fermi des nucléons dans le noyau.

L'analyse eN à basse énergie ( E = quelques eV) permet d'étudier la structure de l'atome (niveau d'excitation...), à moyenne énergie ( E = quelques MeV) cette étude a mis en évidence la structure du noyau. Que va révéler l'étude de la diffusion e nucléon avec des énergies de l'électron de l'ordre de quelques GeV ?

ENERGY L O S S ( e - VOLTS)

FIG. 2. - Résultats expérimentaux de la diffusion électron-atome

dans l'expérience de Mohr et Nicoll.

1

CARBON

1

1.2 DIFFUSION ÉLECTRON-NOYAU. EXPÉRIENCE DE HOFSTADTER et al. (1950)

[Z].

- Dans un nouveau saut en énergie, on passe des électrons d'une énergie de l'eV à une énergie du MeV, Hofstadter et ses collaborateurs étudient la diffusion électron- noyau.

La source d'électron (Fig. 3) est maintenant un accélérateur linéaire. Le faisceau d'électrons col- limé est transporté dans une chambre à diffusion qui contient la cible à étudier (gaz avec l'hélium, solide avec le carbone par exemple). Un spectromètre détecte les électrons diffusés, il mesure leur angle de diffusion et leur énergie. Le spectromètre tourne autour de la cible.

Le principe de la mesure est le même que dans l'expérience de diffusion électron-atome.

La probabilité de diffusion à 900 pour une énergie incidente de 150 MeV est portée en fonction de

136 138 140 142 1 4 4 146 148 150 152 ENERGY IN MeV

(4)

600 45O LAB I

m I

I

z 400 M e V

3

œ

a ELASTIC PROTON PEAK-'1

&

4 0 0

'

l

œ ELASTIC ALPHA-PARTICLE PEAK I

a

+--

A \ \

2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 ENERGY OF SCATTERED ELECTRONS I N MeV FIG. 5. - Diffusion 4He : résultats.

2. Histoire récente des interactions électron- nucléon.

-

1960- 1970. Diffusion électron-nucléon.

-

Nous ne ferons ici qu'un résumé des résultats établis et nous conseillons vivement le lecteur inté- ressé de se rapporter aux nombreux articles de revue qui existent sur le sujet.

Cinématique de la réaction.

-

Avec l'électrody-

namique quantique on examinera l'interaction ep par l'intermédiaire du terme du le= ordre du développe- ment

-

terme à l'échange d'un seul photon.

q sera le quadrivecteur impulsion énergie du photon virtuel v = E - E t

Q2 = - q2 = 4 EE'sin2 8/2 W masse hadronique créée.

La section efficace différentielle moyenne sur les différents états de spin du proton et de polarisation des électrons s'écrit :

d'a 4 v a 2 E f X --

d a 2 d v Q 4 EM diffusion de Mott

= diffusion de Ruther- ford pour des particules relativistes

fonction de structure du nucléon Cette section efficace dépend de deux fonctions de structure (fonction des deux paramètres Q2, v) analogue aux facteurs de formes électrique et magnétique pour la diffusion élastique. Ces fonctions mesurent la non ponctualité du nucléon.

Dispositif expérimental.

-

Les dispositifs expé-

rimentaux utilisés à l'accélérateur linéaire de Stan- ford sont similaires aux dispositifs décrits précédem- ment, excepté la dimension des appareils qui est adaptée à la nouvelle gamme d'énergie de l'accéléra- teur, quelques GeV.

Les spectromètres utilisés ont été décrits abon- damment dans la littérature (Réf. [3]), le lecteur pourra s'y reporter. Mais le principe de la mesure est le même, on détermine la probabilité de diffusion de l'électron à un angle et à une énergie donnés. Un exemple de ces mesures est reporté sur la figure 6

pour des électrons incidents de 4,88 GeV, à un angle de diffusion de 10" en fonction de l'énergie de l'électron diffusé. 1500 - E = 4.879 GeV

-

8 = 10.0" L V) 2, 5 0 0 - II A REDUCED BY FACTOR 15 0 - 1 I 1 1 I I 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6

FIG. 6. - Diffusion ep : un résultat expérimental.

Hormis le pic élastique et de nombreuses résonan- ces, on observe sous les différents pics un continuum très large. On est tenté de rapprocher ce continuum de celui observé dans la diffusion e 4He (Fig. 5 ) , il avait alors été expliqué par la diffusion quasi élastique de l'électron sur les composants de l'hélium, la largeur résultant de la dilution due au mouvement de Fermi. On peut alors spéculer et dire que dans la diffusion ep le continuum représente la diffusion de l'électron sur des ccimposants du nucléon, la largeur étant due à une grande énergie de liaison des constituants du nucléon.

Il est bien évident que cette introduction des partons, constituants du nucléon est hautement spéculative à la seule vue des résultats de la figure 6.

(5)

C3-70 J. J. AUBERT 2.1 LE MODÈLE DES PARTONS.

-

Le nucléon est

composé d e partons et dans l'interaction électron- nucléon, le photon virtuel interagit ponctuellement avec un parton.

On choisit le système de Breit dans lequel l'impulsion du proton est infinie, l'énergie du photon virtuel est nulle et l'axe z correspond à la direction de propagation du proton.

Avant la collision : la cinématique de l'interaction est la suivante : Proton

r-

Photon (x, P, O, O, xP) (O, 0, O, P,photon) E, Px, P y , Pz

P est l'impulsion du proton

x la fonction d e l'impulsion du proton emportée par le parton qui va interagir avec le photon. Pour avoir une diffusion photon

+

parton- parton on montre que P,photon = - 2 Pgarton. Et avec les équations de conservation d e l'énergie impulsion on montre que [4]

Après la collision : le photon est absorbéet l'on a

Dans le système de Breit on peut supposer que xP

+PT

(moment transverse du parton) et donc on peut traiter le parton comme und particule libre.

2.2 L'INVARIANCE D'ÉCHELLE.

-

L'interaction photon virtuel N y » nucléon sera la somme incohé- rente de l'interaction photon-parton. L'interaction photon-parton étant ponctuelle (les partons étant supposés ponctuels), les fonctions de structure vW2 et MW, ne feront intervenir qu'une seule variable x = Q2/2 Mv sans dimension, il n'y aura donc pas

d'échelle dans l'interaction, c'est ce que l'on a appelé l'invariance d'échelle

vM,(qZ, v) -+FAX)

Dans les expériences faites à SLAC la mesure des sections efficaces différentielles d e diffusion à des énergies et des angles différents permet de détermi- ner les fonctions de structure pour différents couples vet Q2. Ainsi ces fonctions sont-elles connues à

des valeurs données de x(x = l / w = Q2/2 Mv) pour des couples différents de u et Q2. Si donc il y a invariance d'échelle les points expérimentaux devront s'aligner sur une courbe unique quand l'on

représente la quantité vW, (ou 2 Mp W,) en fonction de x.

La figure 7 montre les résultats des années 1970. A la précision des mesures expérimentales, l'invariance d'échelle est vérifiée. Ce résultat est en parfait accord avec le modèle des partons, donc avec l'hypothèse d'une structure granulaire du nucléon.

On notera que dans le modèle des partons, l'invariance d'échelle est une propriété asymptotique et que les résultats expérimentaux présentent cette propriété dès que l'on s'éloigne de la région des résonances èt que q2.> 1 GeV/c2.

FIG. 7.

-

Diffusion ep, vW, et 2 M, W,.

3. Caractéristiques des partons.

-

Nous ne pré- senterons pas ici les démonstrations théoriques des résultats, mais nous comparerons simplement les prédictions théoriques aux résultats expérimentaux.

3.1 SPIN DES PARTONS. - Pour des partons de spin O

alors que pour des partons de spin 1/2 2 xF,(x) = F2(x) (relation de Callan-Gross). Les résultats expérimentaux d e la courbe figure 8 sont plutôt favorables au spin 1/2.

(6)

LES LEPTONS : SONDE DE LA MATIÈRE HADRONIQUE C3-71 1.4

-

CALLAN - GROSS SPIN 112 I

-+-th-/-

t

FIG. 8. - Résultats expérimentaux 2 xF,/F, en fonction de x.

tation des résultats des interactions à courant chargé vP, nous allons donc étudier ces interactions, voisi- nes des réactions

(:)

P, le photon virtuel étant remplacé par un propagateur chargé du type boson.

Fiü. c .

La section efficace s'écrit :

d x d y .rr

où ' G constante de couplage de Fermi

M masse du nucléon

x = q2/2 Mu q2, u défini comme dans l'élec-

y = u / E tro (muo) production.

W,, W2, W3 sont les structures de fonction du nucléon.

Nous noterons que nous avons ici trois fonctions de structure, au lieu d e deux dans l'électroproduc- tion. W3 est un terme d'interférence correspondant à

la violation de la parité.

Si nous admettons que le nucléon est constitué de partons nous avons vu que les fonctions de structure dépendent de x uniquement. Cette propriété est aussi vraie dans l'interaction v. Alors avec l'invariance d'échelle on déduit que;

-

6 2

est une fonction linéaire de l'énergie du neutrino incident E.

-

R = d / c P est indépendant d e E.

-

( $ ) = la valeur moyenne de Q2 est une fonc-

tion linéaire de E.

Les figures (9, 10, 11, 12) montrent des résultats expérimentaux en parfait accord avec les prédictions de l'invariance d'échelle.

i/

$ HPW

Lv Ge'/

FIG. 9'.

-

Résultats expérimentaux d o t .

3.3 CHARGE ÉLECTRIQUE DES PARTONS.

-

Dans des modèles spécifiques de partons on peut relier les fonctions d e structure des neutrinos aux fonctions de structure de l'électroproduction

d u " - G z ME

---

dx n- A V ( x )

dans le modèle S U ( 3 ) avec des charges fractionnaires ou charges entières avec couleur au-dessous du seuil de la couleur

(7)

C3-72 J. J. AUBERT

1 10 1 O0

ET GeV

FIG. 10. - Résultats expérimentaux d o t .

FIG. 13.

-

Comparaison des

eN

et F?N.

-q2,

-

0.20nEv + 0.21

3.4 NOMBRE BARYONIQUE DES PARTONS. 9 =

1

( A u N - A Ü N ) $

L I I 0 1

0 1 2 3 4 6 = 3 - - s 2 dans SU(3)

2

FIG. 11.

-

Résultats expérimentaux ( q Z ) pour v

= 3 dans SU(4)

= I - - ~ Z modèle de SAKATA 2

(nombre baryonique 1)

Les résultats (Fig. 13) semblent indiquer 9 = 3,1 2 0,6, compatible avec un nombre baryonique fractionnaire.

l

O 1 2 3 4

î'

La valeur expérimentale R = 0,38 .t 0,02 indique que le nucléon est constitué essentiellement de partons. FIG. 12.

-

Résultats expérimentaux ( q 2 ) pour u _{En conclusion on peut dire que l'invariance}

d'échelle donnée par le modèle des partons semble en accord avec l'expérience et les partons semblent Les résultats (Fig. 13) semblent favoriser plutôt la se rapprocher des quarks usuels de SU(3) et de première hypothèse. SU(4). Au risque de se répéter on rappellera que

1-

(8)

LES LEPTONS : SONDE DE LA MATIÈRE HADRONIQUE C3-73

l'exposé n'est pas une description exhaustive du sujet, que l'on trouvera des exposés plus complets dans les références [5] et [6] et qu'en particulier nous avons-ignoré la nécessité d'introduire une mer de partons antipartons dont les effets sont sensibles aux petites valeurs d e x.

4 . Difficultés expérimentales avec le modèle des

partons 194-1977,

-

4.1 VIOLATION DE L'INVA- RIANCE D'ÉCHELLE.

-

Une série d'expériences très précises à SLAC et une nouvelle génération d'expé- riences à FNAL dans un domaine d'énergies plus élevées ont mis en évidence des déviations expéri- mentales avec le modèle des partons. Nous allons faire maintenant une digression sur le pourquoi du faisceau d e muons utilisé à FNAL.

Faisceau de muons.

-

Le muon et l'électron jouent le même rôle de sonde de la matière hadronique mais, à haute énergie, à partir d'un faisceau de protons donné, on peut obtenir un faisceau de muons plus intense qu'un faisceau d'électrons, en effet les électrons proviennent essentiellement de la conversion des y de désintégration du r o

alors que les p proviennent de la désintégration des r et des K

A FNAL ils disposent d'un faisceau d e muons d e

200 GeV de IO6 p/s. Cette intensité est à comparer avec les I O L 3 e/s disponibles à SLAC. Alors qu'avec un accélérateur linéaire d'électrons on va travailler avec un dispositif expérimental à petite ouverture,

avec un faisceau d e muons on va compenser la relativement faible intensité par un appareillage de grande acceptance.

Expérience FNAL, Michigan, La Jolla, Berkeley. (E26).

-

Si l'invariance d'échelle est exacte la section efficace différentielle de l'interaction @

s'écrit :

d 2 a 4 m Z

(

E - =

d x d y 2 ~[ ~ ~ ( x ) ( l - ~ Y ) + ~ x F , ( x ) ~ ] ~ y 2 ~

Pour tester l'invariance d'échelle on peut mesurer les sections efficaces différentielles aux mêmes valeurs d e x et de y mais pour des énergies différen- tes et l'on devra vérifier la relation :

Dans la collaboration citée, deux énergies ont été utilisées (56 et 150 GeV). D'une énergie à l'autre l'appareillage est modifié pour que, aux mêmes x et

y , les mesures soient faites dans les mêmes conditions, de taux, de comptage, d'acceptance et d'erreur d e mesure. L e dispositif expérimental uti- lisé est représenté sur la figure 14, la partie supé- rieure correspondant aux prises de données à 150 GeV, la partie inférieure à 56 GeV. Le principe de cette expérience conduit à une vérification pré- cise de l'invariance d'échelle.

Les résultats [7] pour le rapport r(x, y) sont rap- portés sur la figure 15. Ils ne sont pas compatibles avec une valeur r = 1 , il y a donc violation de l'invariance d'échelle. En comparant leurs résultats expérimentaux avec ceux de SLAC ils mettent aussi en évidence une déviation de leurs résultats par rapport aux prédictions de l'invariance d'échelle. A

1

S p a r k Ciharnbcr Modu!e EZ >Mzgnctizsd iron 17.3 K G

7 f'roporticinal Chamber Modale U Damagnztized iron

r

= Countcr Hod3sccpe C t l i ~ h 3znsi!y Coricrc:e Plus

(9)

X

-

1.0 3 . 5 0.2 0.1 0 . 0 5 0.02 0.01 I I I I S I ,, 1.4 1

-

r=(a/a ln

-

w - n=O.096:0.028 w,'6.1-3,6

-

1.2 -

-

% - -0

-

b

...

.

' N 0 A l l data v 0 . 8 -

.

v- 0.021

-

W Y

-

0.OZlcV~ 0.057

-

\ O V=-0.057

-

T

FIG. 15.

-

La rapport r des sections efficaces observées dans l'appareillage de la figure 14 r = 1 si l'invariance d'échelle est

correcte.

FIG. 16.

-

Comparaison des résultats observés dans l'expérience FNAL, Michigan, La Jolla, Berkeley avec les prédictions de

l'invariance d'échelle, données de SLAC.

w fixé pour w

<

5 la production décroît quand q2 augmente et pour w > 5 le phénomène inverse est observé (Fig. 16).

Des résultats très précis de SLAC [8] ont confirmé les résultats de FNAL. Sur la figure 17 sont reportées les fonctions de structure du nucléon pour différentes valeurs de x en fonction de q2.

L'expérience E98 de FNAL [9] a mesuré la fonction de structure vW2 et sur la figure 18 est repré- senté un fit global des différents résultats expéri- mentaux.

FIG. 17.

-

Fonction de structure du nucléon - SLAC.

1

I

0 . 5 6

p

E 9 8 81 M I T - S L A C COMBINED

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

(10)

4.2 IMPLICATIONS POSSIBLES DE LA VIOLATION DE L'INVARIANCE D'ÉCHELLE.

-

Nous devons remar- quer que si l'invariance d'échelle n'est pas exacte les déviations sont seulement de l'ordre de 20 %.

Beaucoup d'explications diverses sur le pourquoi de la violation ont été données, des articles précé- dents ont donné des études détaillées [IO], nous ne donnerons ici que quelques-uns des arguments déve- loppés.

L'invariance d'échelle est une propriété asympto- tique vraie pour v et Q2 tendant vers l'infini, l'asymptote ne serait pas encore atteinte mais l'on devrait alors expliquer l'apparition précoce, aux énergies de SLAC, d'un quasi-état asymptotique.

Dans l'interaction ,LA nucléon, il y a production de

différents hadrons, si donc l'on atteint le seuil de production de hadrons plus lourds, particule char- mée, particule encore plus lourde, etc..

.

on devrait observer une augmentation de la fonction vW2 au-dessus de chaque nouveau seuil. Cette hypothèse ne semble pas, avec les particules charmées, expliquer la déviation de l'invariance d'échelle.

Quand l'on prend le modèle simple des partons on suppose des masses nulles, si l'on tient compte des masses cela revient à changer la variable

x

en variable

5

fonction de v et q2,

&+

x

dans la limite v, q2 + 00. L'importance de cette correction est diffé-

remment appréciée par différents modèles théori- ques [Il].

L'explication la plus communément admise est la liberté asymptotique dans un modèle de chromodynamisme [12]. Dans le modèle naïf des partons il n'y avait pas d'interaction entre les partons, en fait on doit introduire en plus des partons une colle qui donne de la cohésion à notre ensemble de partons, mais cette colle peut émettre des gluons, particules neutres, dans un graphe du type suivant (graphe comparable aux corrections radiatives en électrodynamique quantique). On remarque alors que la variable

x

est affectée par cette émission de gluons et qu'il y a une déviation par rapport à

l'invariance d'échelle.

parton

\

Nous n'avons certainement pas examiné tous les détails de ces explications possibles mais ce qu'il faut noter c'est que l'on a introduit des complica- tions par rapport au modèle des partons tout en conservant l'idée directrice des nucléons constitués de partons.

Il existe d'autres types d'expériences, diffusion aux grandes impulsions transverses, émission de paires de Drell-Yan.. . qui apporte une grande contri- bution à la connaissance de la structure du nucléon, nous n'en parlerons pas. Mais nous allons plutôt voir ensemble ce que sont les nouveaux projets expéri- mentaux dans le domaine des interactions lepton nucléon, et nous nous limiterons à trois expériences utilisant la technique des compteurs, dans lesquelles un groupe français est impliqué.

5. Nouveaux projets expérimentaux. - 5.1 INTER- ACTION NEUTRINO-NUCLÉON. COLLABORATION CERN, DORTMUND, HEIDELBERG, SACLAY.

- Dans l'interaction v-nucléon les diffi- cultés expérimentales proviennent des sections efficaces d'interaction qui sont très faibles (1 picobarn à

100 GeV) et de la difficulté d'avoir un faisceau de neutrinos dont on connaisse l'énergie afin de déter- miner, avec le minimum d'erreur possible, la ciné- matique de l'interaction.

Au niveau du faisceau, ce groupe utilise un faisceau dit à bande étroite, c'est-à-dire que les hadrons, pions et kaons, produits dans l'interaction primaire, sont sélectionnés dans une bande d'énergie donnée. Les neutrinos produits dans la désintégra- tion auront un spectre d'énergie différent suivant qu'ils proviennent des TT ou des K. Parallèlement

l'impulsion transverse étant plus grande dans la désintégration K + p u les neutrinos seront produits

à plus grand angle. Donc au niveau de l'appareillage, il y aura une corrélation entre l'énergie du ü et la position d e l'interaction. Comme par ailleurs, le spectre des u, dans un faisceau à bande étroite est relativement plat en fonction de l'énergie, la déter-

(11)

C3-76 3. J. AUBERT

mination de la cinématique de l'interaction sera donc un gain de l'ordre de 10 peut être espéré quant grandement facilitée dans cette expérience. aux valeurs de q2 que l'on pourra atteindre.

Afin de remédier aux faibles sections efficaces, la collaboration a construit un dispositif expérimental très massif pour disposer d'une cible très lourde (800 tonnes efficaces), (Fig. 19). Le dispositif est un système modulaire composé de 7 modules calorimé- triques à fine granularité pour déterminer avec précision l'énergie de la gerbe hadronique créée et de 12 modules calorimétriques à grain plus gros. Les blocs de fer du calorimètre sont aimantés pour déterminer l'impulsion des muons produits avec un jeu de chambres à dérive qui mesure leur positian.

Cet appareillage est en fonctionnement et les ~ r e m i e r s résultats ort tant sur une centaine d e mil-

5.2.2 Expérience CERN Dubna Munich Rome

Saclay [l4]. Exp. Na4. - La longueur de radiation

dans l'hydrogène pour l'électron est de 8,7 mètres pour le muon, cette longueur est de quelques centai- nes de kilomètres. Donc il sera possible d'utiliser une cible longue. Cette expérience exploite cette propriété et utilise une cible de 40 m de longueur, cible d'HL, de D2 ou de C. Autour de la cible, un détecteur modulaire consistant en un aimant toroï- da1 associé à des chambres proportionnelles et à des

SUPER MODULE

liers d'événements vont être donnés dans un court délai (1).

5.2 INTERACTION MUON-NUCLÉON.

-

5.2.1 Fais- T~~~

ceau de muons du SPS. - Comme l'inter-

action pp a une section efficace qui décroît très vite en fonction de Q2 (échange d'un photon) on a étudié pour le SPS du CERN un faisceau de muons très intense. La grande intensité est obtenue par un système de focalisation et de défocalisation du

faisceau [13] qui permet d e contenir dans un rayon Proportinal -Chambers and Trigger- Counters Counters donné le maximum d'intensité. L e gain escompté par _Beom

hodoscope

rapport à FNAL est de l'ordre d e 100 (voir Fig. 20) h o I o anti-counter

MUON INTENSITY

FIG. 21. - Dispositif expérimental de l'expérience N b .

5 x 10" INTERACTING PROTONS OF 400 GeV

PER PU1 SE

\

120 200 280

Eo GeV

FIG. 20. - Intensité du faisceau de muons du CERN.

- w+C

CARBON TARGET EVENTS 1 DAY 1.65x10B MUON1 WLSE 10' WLSES I DAY

(12)

LES LEPTONS : SONDE DE LA MATIÈRE HADRONIQUE C3-77

~ ; h

FIG. 23. - Dispositif expérimental de l'expérience NA2.

compteurs à scintillation pour le déclenchement. Le muon qui interagit dans la cible est diffusé.

Les muons de même charge sont alors contenus dans l'aimant (Fig. 21) où l'on détermine l'angle de diffusion e t l'impulsion du muon. Le point le plus éloigné du faisceau atteint par le p diffusé est directement une fonction de Q2.

C e t appareillage a un avantage très grand dû à sa luminosité importante (Fig. 22). Toutefois dans l'état actuel des choses les hadrons produits ne sont pas mesurés et la mesure du muon dans du fer aimanté entraîne des erreurs de mesure plus grande que la mesure conventionnelle dans un aimant à

entrefer.

5.3 EXPÉRIENCE DE LA COLLABORATION EURO- PÉENNE DES MUONS [15]. Exp. NA2.

-

Cette expé- rience a voulu concevoir un dispositif expérimental qui permette d'étudier les différents aspects de la diffusion muon nucléon, c'est-à-dire mesure et identification du muon diffusé et mesure et identification de la production hadronique associée.

C'est un spectromètre conventionnel qui a été retenu par cette Collaboration. L a cible peut être indifféremment une cible de 6 m (ou 3 m) d'Hz (D2) ou une cible calorimétrique lourde (150 cm de fer ou de tungstène).

Un aimant (Fig. 23) avec un entrefer de 1 mètre associé avec des chambres à dérive WlZ3& permet de mesurer l'angle et l'impulsion des particules produi- tes. Le muon est identifié par la traversée d'un bloc de fer aimanté. Sa direction est mesurée dans les chambres W67. Les hadrons chargés sont identifiés dans un système de deux compteurs Cerenkov

multicellulaires Cl et C2, Cl devant et C2 après l'aimant. Un calorimètre permet de mesurer la position et l'énergie des hadrons neutres et chargés émis vers l'avant.

Ce dispositif a donc une plus grande versatilité que l'expérience NA4 mais la luminosité est plus faible. En comparant la cible lourde de l'expérience NA2 avec la cible de carbone de l'expérience NA4 on doit réduire les chiffres de la figure 22 d'environ un facteur 10. On remarquera qu'à ce niveau là même pour des Q2 de l'ordre de 200GeV/c2 les limitations risquent d'être plus liées aux erreurs systématiques qu'aux erreurs statistiques.

Les deux expériences de muons doivent démarrer au début d e l'année 1978.

6. Conclusion. - Nous avons montré :

- comment les diffusions électron-atome et élec- tron-noyau ont permis de comprendre la structure corpusculaire de la matière,

-

comment les diffusions électron-nucléon sug- gèrent une structure du nucléon-parton, quark,

.

. .

,

'

- comment des mesures plus précises ont mis en évidence une structure plus compliquée des partons avec de la colle.

Quelle surprise nous réserve la nouvelle généra- tion d'expériences en cours ?

Remerciements. - Nous tenons à remercier nos collègues de la Collaboration Européenne des Muons et tout particulièrement G. Coignet, Y. Declais, J. Favier, P. Payre, C. Peroni et J. M. Thenard pour de fructueuses discussions.

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FREGEAU J. H. et al., Phys. Rev. 99 (1955) 1503. photon

1

v,*

1

[3] Il a été utilisé différents spectromètres à SLAC, u n , dit de Dans le système de Breit

8 GeV et un, dit de 20 GeV qui fonctionnent tous (le quadrivecteur du proton s'écrit PO O P

(13)

C3-78 J. J. AUBERT

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