Recherche de photons lourds au laboratoire Jefferson – HPS@JLab

L’expérience HPS repose sur la mesure précise de deux quantités: la masse invariante des produits de désintégration du photon lourd (une paire électron-positon) et la position du vertex de désintégration. En plaçant un système de détection immédiatement après la cible dans un aimant analyseur, toute l'information nécessaire pour reconstruire la cinématique du photon lourd peut être obtenue. La proximité entre la cible et le spectromètre permet de maximiser l'acceptance tout en conservant un détecteur compact avec une excellente résolution.

Le spectromètre est composé d'un trajectographe en silicium et d'un calorimètre électromagnétique (ECal) formé de cristaux de tungstate de plomb. Ce dernier à pour rôle de déclencher la prise de données tout en fournissant une information précise sur l'énergie pour assurer la présence d'un électron. En effet, le déclenchement de la mesure dans le spectromètre est basé sur l'énergie ainsi que la position des particules vues dans le ECal et nécessite une coïncidence en temps très fine pour réduire drastiquement le bruit de fond. Pour une recherche de nouvelle particule telle que le photon lourd, le bruit de fond doit être très fortement réduit, mais aussi très bien compris pour éviter tout biais expérimental. L'uniformité et la stabilité du système sont garanties par l'utilisation d'un système de monitorage des gains. Ce système injecte de la lumière à l'avant de chaque cristal à l'aide de LED pour tester le détecteur. Cela permet alors de vérifier la transparence du cristal ainsi que le gain du système d'amplification. Nous utilisons aussi les particules au minimum d'ionisation pour la calibration, car leur dépôt d'énergie est bien connu. Néanmoins la faiblesse du signal dans ce cas a nécessité de réduire le seuil de détection du ECal. Pour cela, l'utilisation de photo-détecteurs (APD) de plus grandes surfaces et l'amélioration du niveau de bruit dans les pré-amplificateurs ont permis d'atteindre le niveau souhaité.

Le calorimètre électromagnétique de l’expérience HPS a été construit à l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (Univ. Paris-Sud et CNRS/IN2P3) durant l'été 2014 grâce au financement de l'ANR. Fort de l'experience avec le calorimètre prototype utilisé lors des tests de faisabilité de 2011, nous avons concentré nos efforts sur les éléments suivant: un nouveau design de cartes mère pour connecter le détecteur à l'électronique; des photo-diodes à avalanche de grande surface (10x10 mm^2) pour collecter une plus grande partie de la lumière produite; des pré-amplificateurs plus rapides et moins bruyants et un système de LED pour le contrôle des gains en direct.

Durant l'automne 2014, le calorimètre a été testé sur faisceau en conditions réelles. Nous avons constaté qu'il remplit toutes nos attentes initiales en terme de résolutions temporelle et en énergie. En particulier, la réponse du détecteur en terme de déclenchement de la mesure des événements d’intérêt a donné des résultats très proches de nos simulations Monte-Carlo. Cette période de réglage du calorimètre s'est conclue en fin d'année 2014, dans les temps par rapport au planning initial.

Durant l'hiver 2015, le trajectographe en silicium a été installé au laboratoire Jefferson par l'équipe de Stanford (SLAC) et son réglage a été effectué durant le printemps 2015. Le trajectographe a rempli lui aussi toutes nos attentes, en particulier il a fonctionné à seulement un demi millimètre du faisceau d'électron sans incident. Durant cette période nous avons été capables de prendre des données d’intérêt pour la physique qui sont à présent en cours d'analyse. En résumé, le détecteur HPS est à présent complet et prêt à enregistrer des données de physique.

En terme de technologie de détection, le système de contrôle des gains du calorimètre électromagnétique a montré d'excellent résultat jusqu'à maintenant. Le développement d'un tel système pour vérifier la stabilité du détecteur à court et long terme au niveau du pourcent est unique. Nous souhaitons continuer de tester le système et mesurer précisément ses capacités à évaluer les dommages due aux radiations dans les cristaux. Nous souhaitons aussi évaluer la capacité du système à accélérer la régénération de ces cristaux.

En terme de physique, nous avons bon espoir de pouvoir publier de premiers résultats basés sur les seules données prisent lors de la mise en place des détecteurs. Par ailleurs, nous attendons à présent la prochaine période de faisceau disponible au laboratoire Jefferson pour prendre de nouvelles données qui permettrons de rechercher un photon lourd sur l'ensemble du domaine initialement prévu.

Aucun des résultats n'est encore publiés.

HPS (pour recherche de photons lourds) est une expérience sur cible fixe avec des prises de données prévues en 2014 et 2015 de manière discontinue au laboratoire Jefferson (JLab), en Virginie (USA). Nous utiliserons le faisceau d'électrons de haute intensité du JLab pour chercher un nouveau boson vecteur, appelé "photon lourd", dans un domaine de masse allant de 20 à 1000 MeV. La recherche d'un tel boson est motivée par la possible existence d'une nouvelle interaction, transmise par ce boson, qui pourrait aider à résoudre plusieurs problèmes majeurs de la physique moderne. Par exemple, sont concernés, l'anomalie de (g-2)µ, le décalage de Lamb de l'hydrogène muonique et l'excès d'électrons et positrons observé dans les rayonnements cosmiques. De plus, en interagissant avec la matière noire, cette force pourrait aussi expliquer les écarts observés entre différentes recherches directes de matière noire (DAMA/LIBRA et CDMS par exemple).
Ce projet a pour but de produire des photons lourds par émission bremsstrahlung d'un faisceau d'électrons de 2.2 et 6.6 GeV envoyé sur une cible à grand Z. Le photon lourd se désintégrant en paire de leptons (principalement e+-e-) donnerait une signature double : un pic fin dans la distribution de masse invariante des systèmes e+-e- sur un bruit de fond de processus de QED (électro-dynamique quantique) et un vertex de production décalé par rapport au point d'interaction ; ce dernier phénomène étant possible pour les couplages particulièrement faibles qui induisent un temps de vie mesurable pour la particule. En supprimant l'essentiel du bruit de fond QED, cette dernière méthode donne une sensibilité inégalée dans le domaine de masse de 20 à 250 MeV rendant l'expérience HPS unique. Par ailleurs, cette expérience est l'occasion de découvrir le « vrai muonium » (µ+-µ-), un état lié prédit par QED qui n'a jamais été observé. La structure très compacte du vrai muonium fait de cette mesure un important test de précision pour les calculs de QED comportant des muons.
Le projet est mené à l'IPN d'Orsay par un groupe de jeunes chercheurs, correspondant donc aux objectifs du programme JCJC. En effet, avec ce projet R. Dupré prendra de premières responsabilités dans un projet nouveau et original pour le laboratoire avec le support de collègues un peu plus expérimentés. Le projet HPS permettra aussi d'importantes collaborations interdisciplinaires par ses implications touchant les communautés de physique atomique, nucléaire, des particules et des astroparticules. Même négatif, les résultats de l'expérience seront utiles. En réduisant significativement le domaine de phase disponible pour l'existence d'un nouveau boson de jauge, une forte contrainte sera appliquée sur les modèles qui résolvent les anomalies précitées à l'aide d'une nouvelle force. L'expérience HPS a été approuvée par le comité de programmation (PAC) de JLab en 2012 avec la meilleure note, "A". Dans son rapport très positif, le comité déclare "L'expérience a le potentiel pour faire une découverte révolutionnaire si elle est mise en place rapidement".
L'IPN d'Orsay demande l'aide financière de l'ANR dans le but de prendre des responsabilités dans la collaboration avec une importante contribution à la construction du calorimètre électromagnétique, une pièce essentielle du dispositif expérimental. Nous demandons 257 keuros pour financer l'essentiel du matériel nécessaire pour le calorimètre (électronique et système de contrôle), un postdoc de deux ans (pour le développement, la construction et l'installation du système de contrôle) et pour les voyages nécessaires au bon déroulement du projet. Bien que l'expérience se déroule aux USA, car JLab est le seul endroit au monde offrant les caractéristiques de faisceau nécessaires, le financement ANR sera investi en France. La construction et l'assemblage de l'équipement ainsi qu'une partie de l'analyse des données se dérouleront à l'IPN d'Orsay.