Projet ANR-13-JS05-0001 – HPS@JLab : Recherche de photons lourds au laboratoire Jefferson
Programme : JCJC - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (JCJC SIMI 5) 2013
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Raphaël DUPRÉ (Institut de Physique Nucléaire d'Orsay)
Partenaires : Institut de Physique Nucléaire d'Orsay
Montant : 256880.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : 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.