SPIN DU PROTON

5.  Des expériences décisives

C'est dans ce contexte qu'une équipe européenne obtint au Cern, en 1988, des résultats expérimentaux surprenants, déclenchant ce qu'il a été convenu d'appeler la « crise du spin ». Ces données, malheureusement peu précises, indiquaient que les quarks de valence ne se souvenaient guère de l'orientation du spin du proton : l'image donnée par le trop simple modèle des quarks se révélait radicalement trompeuse. Il devenait nécessaire de confirmer ce résultat par une nouvelle série d'expériences. C'est ce qu'ont accompli, de 1992 à 1995, et de façon indépendante, deux équipes qui ont clairement établi la faible part des quarks de valence dans l'établissement du spin du proton, les gluons jouant sans doute un rôle qu'on avait longtemps sous-estimé.

L'équipe majoritairement américaine (dont quelques physiciens français de l'université de Clermont-Ferrand et du C.E.A. de Saclay) utilisa comme projectile, pour ses expériences, le faisceau d'électrons du S.L.A.C. L'équipe européenne (enrichie, elle, de quelques physiciens américains) opta pour un faisceau secondaire de muons (particules semblables aux électrons, mais de masse deux cents fois supérieure), de plus haute énergie, mais de moindre intensité que le faisceau du S.L.A.C. ; il était obtenu à partir de collisions de protons accélérés dans un grand anneau, le supersynchrotron à protons du Cern.

Les premières analyses présentées par les deux équipes divergeaient sensiblement, et il fallut attendre que chaque collaboration affine ses résultats et réduise au minimum les incertitudes systématiques des mesures pour qu'une conclusion claire apparaisse en 1995. Les quarks de valence ne portent effectivement que quelque 30 p. 100 du spin du proton ; les paires quark-antiquark, issues du vide, et les gluons semblent responsables de la majorité du moment angulaire, tandis qu'une part, peut-être non négligeable, provient de subtils effets de mouvements relatifs des quarks. Séparer l'effet des gluons de celui des paires n'est pas possible dans ce type d'expériences ; un programme complémentaire se met en place, en particulier au futur grand accélérateur de Brookhaven, dans l'île de Long Island près de New York, qui étudiera dans quelques années des collisions de protons polarisés. On pourra alors mieux comprendre comment la nature construit protons et neutrons à partir des quarks, des antiquarks et des gluons.