Une équipe de recherche russe propose une nouvelle méthode pour mesurer le moment dipolaire électrique du proton et du deutéron dans un anneau de stockage unique

Des physiciens de plusieurs instituts de recherche russes ont proposé une nouvelle méthode pour rechercher le moment dipolaire électrique du proton et du deutéron, avec l'espoir d'étudier ces deux types de particules dans un même anneau de stockage. Les institutions participantes comprennent l'Institut de physique et de technologie de Moscou, l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie, l'Université nationale de recherche nucléaire de Moscou et l'Institut de physique théorique Landau de l'Académie des sciences de Russie. Les résultats ont été publiés dans la revue *Nuclear Science and Technology* et ont bénéficié d'un financement du Fonds russe pour la science.

Le moment dipolaire électrique reflète l'existence éventuelle d'une asymétrie infime entre la distribution de charge interne d'une particule et la direction de son spin. Selon les prédictions du modèle standard, le moment dipolaire électrique du proton et du deutéron, bien que non nul, est extrêmement faible, de l'ordre de 10⁻³¹ e·cm, bien en dessous de la sensibilité expérimentale actuelle. Si l'expérience détectait un moment dipolaire électrique à un niveau plus élevé, cela pourrait fournir des indices sur une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

Ce type de mesure est également lié au problème de l'asymétrie matière-antimatière. Le moment dipolaire électrique est très sensible à la violation de CP ; une mesure de haute précision de celui-ci pourrait aider à vérifier s'il existe dans la nature des mécanismes de violation de CP autres que ceux déjà connus.

Sur le plan expérimental, les physiciens utilisent généralement des anneaux de stockage pour faire circuler des faisceaux de noyaux légers polarisés le long d'une trajectoire fermée, et des polarimètres pour enregistrer les changements de direction du spin des particules. La difficulté réside dans le fait que le moment dipolaire magnétique des particules provoque une précession de spin beaucoup plus forte que l'effet du moment dipolaire électrique. Afin d'isoler le faible signal du moment dipolaire électrique, les chercheurs doivent compenser cette précession pour que le spin des particules soit dans un état « gelé » ou « quasi-gelé » par rapport à la direction du faisceau.

Le schéma traditionnel de « spin gelé » pour le proton repose sur un anneau de stockage purement électrostatique ; cependant, en raison du signe différent du moment magnétique anormal du deutéron, il est impossible d'obtenir un spin gelé pour le deutéron de la même manière, ce qui nécessite l'utilisation simultanée de champs électriques et magnétiques. Cela signifie que les mesures du proton et du deutéron nécessitaient auparavant des structures d'anneau différentes, rendant également difficile l'intégration directe de ces dispositifs dans les systèmes accélérateurs existants qui utilisent des éléments magnétiques pour contrôler la trajectoire du faisceau.

Cette étude adopte l'approche du « spin quasi-gelé ». Cette méthode n'exige pas que le spin reste fixe dans tout l'anneau, mais permet une déviation du spin dans certaines régions de l'anneau, des éléments de compensation dédiés annulant ensuite la rotation accumulée, de sorte que le spin revienne essentiellement à son état initial après chaque segment répété de l'anneau.

L'équipe de recherche a comparé le comportement du proton et du deutéron dans la même structure d'anneau et a proposé une exigence de longueur minimale pour les éléments de compensation. Dans ce schéma, les éléments magnétiques maintiennent la trajectoire du faisceau, et les compensateurs sont placés dans les sections droites pour annuler la rotation de spin accumulée lorsque les particules traversent les sections magnétiques courbes. Les chercheurs ont analysé deux types de conception de compensateurs : l'un est un filtre de Wien qui utilise des champs électriques et magnétiques croisés pour ajuster le spin tout en modifiant le moins possible la trajectoire du faisceau ; l'autre est une combinaison de déflecteurs électrostatiques, utilisée pour dévier le faisceau et influencer le spin, puis ramener les particules sur la trajectoire souhaitée.

Les calculs montrent que cette configuration peut s'appliquer simultanément au deutéron et au proton. La commutation entre les différents modes de fonctionnement s'effectue principalement en changeant la polarité ou l'orientation des compensateurs et en ajustant 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 permet de conserver environ 80 % du signal effectif. Les chercheurs estiment que cela impose une exigence de conception claire pour la mesure du proton, à savoir que la structure de l'anneau doit comporter un nombre suffisant de régions répétées, faute de quoi la sensibilité serait affectée.

L'étude indique également qu'à l'énergie optimale, la longueur du compensateur requise pour le faisceau de protons est presque cinq fois supérieure à celle du faisceau de deutérons. Afin de permettre la mesure des deux types de particules dans le même anneau de stockage, l'équipe propose de réduire l'énergie des protons pour raccourcir la longueur du compensateur, mais cela réduirait également la sensibilité de la mesure du proton.

Les chercheurs indiquent que la prochaine étape consiste à valider expérimentalement la méthode du spin quasi-gelé et à atteindre un temps de cohérence de spin de 1000 secondes, tout en développant d'autres moyens de mesure du signal du moment dipolaire électrique. Ce schéma pourrait à l'avenir être étudié dans le cadre du complexe NICA-Nuclotron, ou envisager la construction d'un anneau de stockage indépendant. Cette configuration pourrait également être utilisée pour le contrôle de la polarisation, l'étude de faisceaux à plus haute énergie et la recherche de particules de type axion.