Un faisceau de nucléons est dit polarisé quand leurs spins sont alignés. Or les physiciens ont observé que l'interaction forte qui lie les nucléons entre eux est très sensible à cette polarisation. Ils s'intéressent donc à la polarisation des particules produites dans leurs expériences. C'est en particulier le cas de la diffusion élastique d'un électron sur un proton à Jefferson Laboratory : cette expérience requiert la mesure de la polarisation de protons à haute énergie (GeV).
Comment mesure-t-on la polarisation de particules ? Le faisceau à analyser traverse le polarimètre, situé dans le plan focal d'un spectromètre. Le polarimètre est équipé d'un détecteur de trajectoires avant et après une cible secondaire. Si le faisceau n'est pas polarisé, les produits de la réaction secondaire sont émis selon une symétrie cylindrique autour de son axe. S'il l'est, la reconstruction des trajectoires en entrée et en sortie de la cible permet de déterminer les asymétries des produits. Une caractéristique importante du polarimètre – son pouvoir d'analyse – est une mesure de la sensibilité de la réaction secondaire sur la cible à la polarisation des particules entrantes.
Dans les années 1980-90, les physiciens de Saturne à Saclay ont développé et testé un polarimètre de moyenne énergie. Ils avaient alors mis en évidence que le pouvoir d'analyse du polarimètre diminue à plus haute énergie car des réactions parasites affaiblissent le signal utile. Après la fermeture de Saturne en 1997, leur appareil a été transféré à JINR de Dubna (Russie), qui est aujourd'hui le seul laboratoire disposant de faisceaux de protons et de neutrons polarisés de haute énergie.
Réunis dans un programme de mesures systématiques de pouvoirs d'analyse (collaboration ALPOM), les physiciens ont utilisé les faisceaux du Nuclotron (JINR) pour optimiser les performances du polarimètre. Si les pouvoirs d'analyse diminuent quand l'énergie augmente, le passage à plus haute énergie présente aussi quelques avantages. Il n'est plus nécessaire de travailler avec des cibles en hydrogène pur (délicates à manipuler), ni même avec des cibles en CH2 ou en paraffine. Une cible en cuivre suffit. Par ailleurs, l'une des réactions parasites peut être mise à profit : l'échange de charge extrait des protons de la cible frappée par des neutrons. Ce mécanisme permet de détecter des protons émis vers l'avant, plutôt que des neutrons – la détection de particules chargées étant beaucoup plus simple que celles des particules neutres.
Enfin, les chercheurs ont pu améliorer significativement les performances du polarimètre en ajoutant un calorimètre en sortie de la cible secondaire afin de trier les particules en fonction de leur énergie.
Ces mesures doivent maintenant être poursuivies avec la plus grande énergie de faisceaux disponible à Dubna mais d'ores et déjà, ces résultats démontrent à la fois la possibilité de concevoir des polarimètres à haute énergie et la faisabilité des expériences futures à Jefferson Laboratory.