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L'expérience COMPASS au CERNF.Kunne – CEA Saclay
GDR Physique subatomique et calculs sur réseau
Autrans. 6-7 juin 2005
• Spin du nucléon, contribution des quarks et des gluons
• COMPASS au CERN; faisceau muons +cible polarisée
Mesure de G
Fonctions structure en spin, Transversité
Autres résultats: prod. 0, recherche pentaquark , ...
• (>2007 faisceau hadrons)
• 2010-2015 : GPDs
F.Kunne
Autrans, 6-7 juin 2005
½ = ½ ΔΣ + ΔG + <Lz >
Spin du nucléonquarks
gluons
moment orbitalΔΣ = u + d + s EMC, SMC,
SLAC, HERMES…
COMPASS, RHIC
Comment mesurer ? Deep Inelastic polarisé
Photon absorbé par quark d’hélicité opposée
2/32/1
1 A1
A meastb fDPP
(QPM))(
)(
1
1
xF
xg
),( 21 Qxg fonction de structure en spin longitudinal
q(x)= q+(x) - q-(x)
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et le premier moment de g1
Neutron decay gA/gV a3
hyperon decay 3F-D a8
a0 u+d+sEMC, SMC, SLAC, HERMES
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½ = ½ ΔΣ + ΔG + <Lz>
• Quarks constituants ~ 1. 0. 0.
• +corr. relativistes ~ 0.75 0. 0.13
• QPM + s = 0 (Ellis-Jaffe) ~ 0.60 0. 0.2
Contribution des quarks majoritaire
• En Deep Inelastic polarisé, mesure de g1 (fct de structure en spin)
• Premier moment de g1 relié à a0 (
Les expériences trouvent a0 ~ 0.2 - 0.3
très différent de ce qu’on attend…
ΔΣ ΔG Lz
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Expériences de Deep Inelastic SLAC, EMC, SMC, HERMES a0 ~ 0.2- 0.3
QPM: a0 = ΔΣ
QCD: a0 = ΔΣ –(
s/2)nf
ΔG
ΔΣ et s dépendent de ΔG
Interprétation
Si a0 = 0.3, il faut G ~ 2.5 (et Lz ~ - 2.3) pour retrouver ~ 0.6
Nécessité d'une mesure directee de G
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polarisé – g1p (Q2) non polarisé - F2
p (Q2)
Besoin de données plus précises de g1(x,Q2) et meilleure couverture en x et Q2
G & équations évolution de g1
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Collaboration COMPASS au CERNCommon Muon and Proton Apparatus
for Structure and Spectroscopy
Saclay : 11 physiciens +2 postdocs+ 2 doctorants
Bielefeld, Bochum, Bonn (ISKP, PI), Burdwan and Calcutta, CERN, Dubna, Erlangen, Freiburg, Heidelberg, Helsinki, Lisbon, Mainz, Moscow (INR, LPI, MSU), Munich (LMU, TU), Nagoya, Prague, Protvino, CEA Saclay, Tel Aviv, Torino (Univ., INFN), Trieste (Univ.,INFN), Warsaw (SINS, TU)
220 physiciens, 26 instituts
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• DIS inclusif • Asymétrie spin longitudinal
Fonction structure en spin g1 deuton
• Mesure la plus précise 0.004 < x < 0.03
• Nouveau fit NLO QCD, précision sur a0 améliorée facteur 2 (Q2 = 4 GeV2)
Nouvelles données COMPASS: PLB 612 (2005)
154
= 0.24 0.02
(0.20 0.04 sans données COMPASS)
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Détermination de ΔG/G
Fusion photon gluon
qqg •charme c D0 K
signal non ambigü de charme statistique limitée: nbBR, identification kaon
•hadrons grand pT q q h+h-
bonne statistique interprétation plus compliquée
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-
ΔG/G - paires de hadrons à grand pT
h
hLeading process
h
h Gluon radiation
h
h
Photon Gluon Fusion (PGF)
Q2 > 1 GeV/c2
résultat 2002-2003:
PGF ~ 33 %
G/G = 0.06 ± 0.31 (stat) ± 0.06 (syst) <xg> ~ 0.13
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Q2 < 1 GeV/c2, bruit de fond additionnel
Q2 < 1 10 fois plus de données, mais incertitude supplémentaire: structure en spin du photon résolu
MC simul PYTHIA
PGF
+ …+
+… +
+ …
partie perturbative : calculablepartie non-perturbative: scenarios VMD min/max
G/G = 0.024 ± 0.089 (stat) ± 0.057 (syst)
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ΔG/G - Résultat COMPASS
Données COMPASS 2002-2003Courbes: analyses QCD
xΔG
GAAC00 1.2BB02 (Bluemlein,B) 1.1GRSV00 (Gluck, Reya…) 1.0LSS01 (Leader,…) 0.6
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Mesures semi-inclusives u, d, s
Très prometteur, en particulier pour Δs !
Données à petit x essentielles, accessibles seulement à COMPASS.
p
X
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Transversité h1q(x,Q2)
3 fonctions de structure pour décrire le spin du nucléon au LO.
toutes d’égale importance !
• cible polarisée transversalement• mesure semi-inclusive
F2(x)
g1(x)
h1(x)
Tq(x) pas mesurable dans DIS inclusif: renversement d’helicité
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3 méthodes explorées à COMPASS:
1) Mesure polarisation transverse Λ 2) Dépendance azimutale du plan contenant leading et next to leading hadrons
3) Asymétrie de Collins leading hadron h±
S (S’) = azimut du spin du quark fragmentant avant (après) diffusionh = azimut hadron
h
'Ts
'S
Transversité h1q(x,Q2)
C = Φh + ΦS – π
ACollins = A0 ± A1 sin(ΦC)
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Intrinsic kT dependence of the quark distribution
Coll10hh sinΦA1NN
CollT1 ADPfA SivT1 ADPfA
Siv10hh sinΦA1NN
qhq
Dq2q
e
qhq
D0T
ΔqT
Δ2q
e
CollA
Sivers
hq
D0T
Δspin-dependent part for hadronisation of a transversely polarised quark q into a hadron h
Ssin).
2T
k(x, qT0
)2
Tk(x,
q)k(x,
Tq T
Collins
qhq
Dq2q
e
qhq
DqT0
Δ2q
e
SivA
Distributions transverses
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Transversité résultats
deuton COMPASS 2002PRL 94 (2005) 202002
proton HERMES
Projections proton COMPASS 2006
A Sivers
A Collins
x z
x
COMPASS : énergie +élévée, x + petit• Compatible avec 0• Compensation p-n ?
HERMES• A Collins negative• A Sivers positive
h+
h+
PRL 94 (2005) 012002
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• Motivation: candidats pentaquarks Φ– – (ou Ξ--) vus par exp.NA49
– COMPASS : bonne statistique de baryon Ξ (18000 Ξ–, 11000 Ξ+) données 2002/3
– Recherche résonance Ξ– π–
Φ(1860)– – → Ξ– π– → Λπ– π– → p π–π–π–
(1530)+uudds
(1860)--ddssu
Recherche pentaquark Φ(1860)
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Recherche pentaquark Φ(1860)
• Comparaison comptages
– Paires signe opposé: Ξ(1530)0 → Ξ– π+ , 1700 and 920 evts– Paires même signe: nb.evts <79 et <89 à 99% CL
EPJ C41 (2005) 469
Ξ(1530)0
Ξ(1530)0
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Pour toutes les expériences ~même rapport Ξ0 / Ξ–
En supposant le rapport Φ/Ξ– fixe aussi, on attend 400 evts.
Pas de pentaquark Φ(1860) au niveau annoncé par NA49
~ 400
Recherche pentaquark Φ(1860)
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Distributions partons généralisées muons +cible H2 liq, réactions exclusives :
- DVCS Deep Virtual Compton Scattering
- HEMP Hard Exclusive Meson Production
mesurées simultanément…
p’
e’
p
H,E,H,E~ ~ q’qfactorisation
Ex: DVCS section efficace à 190 GeV…
et à 100 GeV Mesure de
l’asymétrie ’’beam charge’’, sensible à interférence VCS-BH
>2010
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E=
190,
100G
eV
lumi x 2
lumi x 5
+ H1 / ZEUS
dépendance Q2 factorisation
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meson
p p’GPDs
γ*
x + ξ x - ξ
t =Δ2
L1/Q6hard
soft
vector mesons pseudo-scalar mesons
ρ,ω,…, π,η,...
Hard exclusive meson production
1/Q4
Production de exclusifs à COMPASS* p p
• Muons polarisés et charges opposées
• Grand domaine en Q2
• Domaine xBJ ~ 0.1
Atouts de COMPASS pour GPDs:
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Résultats de physique - muons
• G/G hadrons grands pT (+charme D0 à venir)
• DIS inclusif A1d
• DIS semi-inclusif : s analyse en cours
Asymétries Collins et Sivert h+ et h-
• Production excl. de 0,
• Mésons , J/,
• hypérons
Cible polarisée longitudinalement
Cible polarisée transversalement
Autres produits
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Futur
-20062006 : :
-- G /GG /G canal Dcanal D00
- spin transverse,- spin transverse, ciblecible pp
> 2007 > 2007 : : faisceau faisceau hadronshadrons
> 2010 : > 2010 : COMPASS bien placé pour mesurerCOMPASS bien placé pour mesurer GPDsGPDs
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Programme ‘’hadrons’’: faisceaux, K 100-300GeV Polarisabilités pion et kaon
Spectroscopie mésons légersRecherche excitations gluoniques (‘glueballs’), et exotiques (‘hybrids’)
Prod. diffractive cible H2 40cm Echange
Prod. centralediff pomeron-pomeron
Recherche états f0(1370-1500-1710) et f2 (1900) vus par WA102
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• Spectroscopie baryons charmés excités
• Recherche baryons doublement charmés
cc-system vu par SELEX
états étroits excités D et Ds
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ΔG/G - charme
c D0 K
c D* D0 s Ks
• Détection : ’, K • Masse invariante K
c
c
1274 D0
S/B = 0.9
MK–MD° (2002+2003)
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Analyses globales QCD NLO de g1(x,Q2) :
uv(x) et dv(x) bien contraints
mais pasG(x) !
forme et intégrale indéterminées.
J.Blumlein & H.Bottcher Q02 = 4
GeV2
11)(1
0 dxxG
Détermination indirecte de G
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Ex: DVCS Asymétrie ’’Beam Charge’’
''Beam Charge'' Asym
Model 2 (Goeke et al.) partons grand x au cœur du nucléon; partons petits x à la périphérie.
Model 1: H(x,ξ,t) ~ q(x) F(t)
stat. pour 150 jours(2/18 de l’ensemble des données)
μμ σσr
μμ σσr
x=0.05
x=0.10
Sensible au terme interférence VCS-BH