Logiciels de Tomographie Partonique du Nucléon – PARTONS

La réalisation du projet requiert :
- Des logiciels rapides et précis permettant l’exploitation théorique simultanée de mesures relatives à plusieurs processus expérimentaux distincts.
- Une stratégie robuste de propagation des incertitudes statistiques et systématiques associées aux données expérimentales, et une évaluation des incertitudes systématiques liées à la modélisation.
- Un outil de visualisation interactif pour comparer expérience et théorie et permettre la mise à disposition de la communauté internationale la production scientifique du projet.
- Une interface permettant la préparation de nouvelles expériences sur des installations existantes ou futures.
- Des bases de données exhaustives d’informations de natures théorique ou expérimentale sous des formes très diverses.
Ceci nécessite une amélioration substantielle des outils et technologies communément utilisés par les communautés de physique nucléaire ou des particules. Ce projet sera mené à bien par la synthèse de méthodes existantes concernant la modélisation et la représentation de systèmes complexes, la gestion des incertitudes et l’optimisation des méthodes numériques.

Le projet n’a commencé que depuis six mois mais a déjà une production scientifique grâce aux efforts coordonnés des quatre partenaires : Irfu (CEA), IPN et LPT (CNRS et Université d’Orsay) et CPhT (CNRS et Ecole Polytechnique). Citons :
- Une étude d’extension du périmètre de validité d’une modélisation ayant permis récemment une analyse globalement satisfaisante d’un grand nombre de données expérimentales.
- La possibilité potentielle de contraindre la structure en gluons du proton à partir d’un plus grand nombre d’expériences de haute précision qu’envisagé auparavant.
- Une étude préliminaire de propagation des incertitudes expérimentales pour l’obtention de vues en trois dimensions de la structure du proton.

Le programme de physique associé au projet requiert des mesures très précises d’un grand nombre d’observables. Ce travail expérimental continuera au moins pendant les 10 prochaines années dans des laboratoires internationaux, notamment le « Thomas Jefferson National Laboratory” (Jefferson Lab, ou JLab) et le “European Organization for Nuclear Research” (CERN). Les prochaines années seront marquées par des mesures d’une précision inégalée. La structure du proton est aussi une composante clé du programme de physique d’un éventuel futur Collisionneur Electron Ion (EIC) à l’horizon 2025. L’analyse des données à venir et la conception des expériences futures nécessite un outil tel que développé dans le projet PARTONS. Il s’agit d’une des garanties de la pérennité du projet et d’un axe de son développement futur.

Trois articles ont été publiés :
- H. Moutarde, B. Pire, F. Sabatie, L. Szymanowski and J. Wagner, Phys. Rev. D87 (2013) 054029 [arXiv:1301.3819 [hep-ph]].
- M. Guidal, H. Moutarde and M. Vanderhaeghen, Rept. Prog. Phys. 76 (2013) 066202 [arXiv:1303.6600 [hep-ph]].
- C. Mezrag, H. Moutarde and F. Sabatié, Phys. Rev. D88 (2013) 014001 [arXiv:1304.7645 [hep-ph]].

Ce projet consiste en la réalisation d’un environnement logiciel consacré à l’étude de la structure des hadrons en termes de leurs constituants élémentaires, les quarks et les gluons. Cet outil est essentiel pour accomplir un programme sur le long terme à l’intersection de la physique nucléaire et de la physique des particules regroupant des centaines de physiciens dans le monde.

Pendant les années 1970 les physiciens ont établi avec succès une formulation de l’interaction forte, même si celle-ci demeure mystérieuse à plusieurs égards. Il s’agit de la Chromo Dynamique Quantique (QCD). Cette théorie fondamentale stipule que les particules interagissant fortement sont constituées de quarks et de gluons, collectivement dénommés partons. Quarks et gluons sont les degrés de liberté définissant QCD, mais cette théorie décrit toutes les particules interagissant fortement : hadrons et noyaux. Une question majeure est la compréhension de l’émergence des propriétés des hadrons (mass, spin, etc.) à partir de l’organisation collective des partons.

Pendant la seconde moitié des années 1990, des théoriciens ont défini le concept prometteur de Distribution de Partons Généralisée (GPD). Pour la première fois en 70 ans d’études de la structure du proton apparaît la possibilité d’une représentation en 3 dimensions de sa structure interne, ainsi qu’un chemin possible vers la résolution de questions anciennes comme l’origine du spin du proton. Les théoriciens ont aussi proposé plusieurs manières d’accéder aux GPD expérimentalement (elles paramètrent les observables de certains processus d’une manière parfaitement contrôlée théoriquement). Ces résultats ont établi la possibilité d’une tomographie expérimentale des hadrons.

Les premières preuves expérimentales convaincantes ont été obtenues au début des années 2000 et les résultats des premières expériences consacrées aux GPD ont été publiées en 2006 et 2007. Cependant la réalisation de ce programme de physique requiert des mesures très précises d’un grand nombre d’observables différentes afin de permettre une détermination expérimentale complète des GPD. Ce travail expérimental continuera au moins pendant les 10 prochaines années dans des laboratoires internationaux, notamment le « Thomas Jefferson National Laboratory” (Jefferson Lab, or JLab) et le “European Organization for Nuclear Research” (CERN). Les prochaines années seront marquées par des mesures d’une précision inégalée. La physique des GPD est aussi une composante clé du programme de physique d’un éventuel futur Collisionneur Electron Ion (EIC) à l’horizon 2025.

Notre projet est conçu pour répondre aux besoins de la communauté internationale de physique hadronique. Son architecture consiste en :
• Une base de données exhaustive de résultats expérimentaux;
• Une base de données exhaustive de prédictions théoriques;
• Un logiciel rapide et efficace d’extraction de GPD à partir d’observables issues de processus spécifiques;
• Une stratégie robuste de propagation des incertitudes systématiques et statistiques sur les GPD extraites, et d’évaluation des incertitudes systématiques sur les paramétrisations de GPD ;
• Un outil de visualisation pour comparer résultats expérimentaux et prédictions théoriques ;
• Une interface pour relier les éléments précédents à différentes descriptions d’installations expérimentales pour définir de nouvelles expériences;
• Un site web interactif donnant un accès libre aux modèles et aux valeurs expérimentales des GPD, destiné à la communauté mondiale de physique hadronique ainsi qu’à un public plus large (vulgarisation scientifique et ouvertures vers la recherche actuelle pour lycéens et étudiants de l’enseignement supérieur).

L’environnement logiciel décrit ici sera l’outil idéal pour accomplir le pas suivant et achever ce programme de physique. Il aura un impact phénoménologique majeur.