JRJC 2009 CEA-Saclay/IRFU/SPhN et la Fondation Nationale de Science. - - PowerPoint PPT Presentation

Études sur Le Rôle de la Polarisation des Gluons dans le Spin Total du Proton Par la Production de Hadrons Astrid Morreale

JRJC 2009

CEA-Saclay/IRFU/SPhN et la Fondation Nationale de Science.

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SPIN INTRINSÈ QUE

Le spin est une propriété quantique responsable du moment magnétique du proton.

• Cette propriété est si fondamentale que sans elle nous n'existerions probablement pas.

Le proton n'est pas une particule élémentaire: il est constitué de quarks et de gluons. Tout comme le proton, les quarks et gluons possèdent aussi la propriété de Spin. Un modèle simple peut décrire le proton comme un assemblage de trois quarks (appelés quarks de valence.) Toutes les propriétés du proton - dont le spin - sont partagées entre ces constituants. Mais.... En 1988, l' équipe europenne (EMC*) au CERN a obtenu des résultats expérimentaux indiquant que les trois quarks de valence ne sont responsables que d'une petite fraction du spin du proton : Le modéle du proton est bien plus compliqué.

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Modè le pQCD:

Le spin du Nucléon est subtile: les quarks (valence +mer), les gluons et leur moment angulaire contribuent au spin totale du Nucléon

Double Spin Asymmetries (pp,SIDIS)‏ Chiral-odd Fragmentation functions (Collins,IFF,λ)‏

Transverse Spin ??

Bakker, Leader, Trueman Phys.Rev.D70:114001,2004 1

2 =S x=1 2 δΣ+Lx

Sivers effect??

• ΔG , ΔΣ=are the

probabilities of finding a parton with spin parallel or anti parallel to the spin of a longitudinally polarized nucleon.

• Lz :orbital angular momenta
• f the quarks and gluons
• δΣ: Difference of quarks with

parallel and antiparallel polarization relative to transversely polarized proton

Longitudinal Spin. (Infinite Momentum Frame):

1 2 =S z= 1 2 ΔΣ+ΔG+Lz

W-production (pp)‏ Exclusive processes (DVCS,etc)‏

G: Les outils principaux sont les mesures des asymétries: A||, ALL

Qui est responsable pour le spin du Proton? (Regle de la sommation des spin)

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Principe de l'Mesures: Asymé tries.

Théorème de la Factorisation:

• (N) Nombre d'evé nements
• (R) Luminosite
• (P) Polarisation

Section Efficace Non-polarisé e (le denominateur.)

• La probabilité d'interaction d'une particule pour une

réaction donnée.

• Point de référence
• Il aide a vérifie que le régime pQCD s'applique.

(ou même vérifier les calculs théoriques LO, NLO NLL etc.)

• Plus difficile à mesurer: Une connaissance détaillée

et précise d'une méthode de détection.

Section Efficace: la Vérification dans le Modéle pQCD (ALL)

Vérifie la production des hadrons prévue dans pQCD factorisée

consacré

• RHIC @ New York : RELATIVISTIC HEAVY ION COLLIDER:

2 anneaux independants. Protons polarisés avant d’entrer en collision.

• COMPASS @CERN (Prevessin): COMMON APPARATUS FOR MUON

SPECTROSCOPY: Faisceau tertiaire de muons produits de collisions de

protons accélérés dans le super synchrotron à protons du CERN: DIS.

Experience pQCD

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Production de Hadrons au COMPASS et au RHIC

I

Increasing x, pT

Direct Resolu

pp→π±X (these): Acess directe au Delta G. Energie plus haute qui guarantit une sonde d'interaction fort

• -Choix du FF crucial.

μN→μ'h±X (DIS, postdoc): La section efficace expérimentale représente la somme des contributions des photons directs et résolus. Cette somme est une quantité significative si elle est calculée au sein du meme schema de factorisation.

Qua rks :ch a rge colorée (R,B ,G) et élec trom a g nétiq ue.

0.5GeV/c 10GeV/c

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Principe de l'experience I: Collisions entre protons-RHIC

• Protons polarisés avant d’entrer en collision: les spins protons d’un même

faisceau seront orientés préférentiellement dans une même direction.

• Accès direct a la distribution polarisee du gluon. Production du pion (a fort

moment transverse) provenant de collisions avec √s =200GeV

• Diffèrentes sensibilités possibles avec des charges diffèrentes (π+ vs π-):

Δu et Δd →accès au signe du ΔG via diffusion entre quarks et gluons (qg.)

Principe de l'experience II: Diffusion d'un lepton(µ ) sur un nucleon Compass@CERN

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• Les muons de faisceau sont

naturellement polarises.

• Cible polarise: LiD ~0.5
• Photoproduction – bas Q2

Production inclusive hadrons chargée.

• lN

l'h±X (Hadrons observe a haut pT) Faisceau tertiaire de muons produits de collisions de protons accélérés dans le super synchrotron à protons du CERN.

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Résultats Asymétries Asymétries + S. + S. Efficace Efficace au RHIC-PHENIX -ma these‏ au RHIC-PHENIX -ma these‏

These

• A. Morreale

These

• A. Morreale

L'incertitude provient de la méthode d'identification Et de l'incertitude du S.E inélastique totale (pp)

http://www.phenix.bnl.gov/WWW/publish/astrid/mythesis/Spires_Traslated/Public_Thesis.pdf

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Asym

Asymé é tries encore. tries encore.

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Asym

Asymé é tries: Futures sensibilites au RHIC. tries: Futures sensibilites au RHIC. Malheureusement, meme avec les prises de donnés les plus optimistes, la sensibilité est trés faible sans un déclenchement consacré et une amélioration dans son identification au sein d'autres détecteurs.

Travail en cours : COMPASS

• Méthode similaire aux

mesures de RHIC.

• Des nouveaux calculs sont

en cours sur la production des hadrons (chargés inclusif) et de pions chargés identifiés.

• Les résultats seront inclus

Dans l'analyse global des distributions polarisées du partons

Travail en cours :COMPASS Sensibilités Sensibilités prévues. prévues.

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Notre But Notre But

1.Obtenir les asymétries et les S.E d'apres les donnees (μN) de compass. 2.Comparer avec des NLO calcules 3.Inclure nos résultats dans les analyses globales. Comprendre un peu plus le rôle joue par les gluons dans le

spin total du proton.

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 Les résultat obtenus dant divers canaux seront combinés en un seul résultat de ΔG(x)‏  Corrélations avec les autres PDFs pour chaque canal seront proprement comptes.  Chaque canal intégre sur un intervalle diffèrent en x. La combinaison des diffèrents canaux aiderait a réduire l'incertitude sur les fonctions de fragmentation.  Le modelé pQCD au NLO est-il satisfaisant?

Δ ΔG(x) Analyse Global

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Ce Ce Qui Qui Nous Savais Nous Savais

L'inclusion de l'abondance Des donnees de compass

• ffrirait une grande contribution

dans la recherche global du spin. Ceci nous aiderait a réduire les incertitudes provenant du les FF.

Robuste pattern de mer SU3 Symétrie brisée ??

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• Le Nucleon est dotte d'une riche structure.
• Bien qu'il y est une indication d'une petite contribution, plus de sondage

doivent etre effectués afin de mieux analyser toutes les contributions dans les proton spin.. → La donne de compass .

• Une analyse globale incluant toutes les données offertes par le monde

scientifique doit etre entreprise a propos de l'extraction du delta G dans le domaine complet du x.

• Compass peux nous aider a contraindre significativement le Delta G.

Resume Resume

ME RCI!

ME RCI!

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EXTRA

NLO Calculations Would like to see the trend for compass. Check if the discrepancy exists at low sqrt(s).

• -->Re-summations

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 Use BBCs at ± 1.5 m from the interaction point to

measure bunch-by-bunch luminosity

 Li=Ni/(σ

• Efficiency) , σ
• Eff.=const.=22.9mb± 9.7%
• Use independent measurement from ZDCs (± 18m) to

check for intrinsic luminosity asymmetry

Relative Luminosity

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Local Polarimetry

• Use Zero Degree Calorimeter

(ZDC) to measure a L-R and U-D asymmetry in forward neutrons (Acceptance: ±2 mrad).

• When transversely polarized, we

see clear asymmetry.

• When longitudinally polarized,

there should be no asymmetry. BLUE YELLOW R a w a s y m R a w a s y m φ φ

Idea: Use neutron asymmetry to study transversely polarized component.

BLUE YELLOW R a w a s y m R a w a s y m φ φ

Spin was first discovered in the context of the emission spectrum of alkali metals - "two-valued quantum degree of freedom" associated with the electron in the

• utermost shell.

In trying to understand splitting patterns and separations of line spectra, the concept of spin appeared. "it is indeed very clever but of course has nothing to do with reality". W. Pauli

The Story of Spin By Sin-Itiro

Tomonaga

In the beginning there was Pauli

Splittings: The Stern-Gerlach Way

Intrinsic angular momentum

Protons, Neutrons, Electrons spin ½ (2 Possible Values) Delta Barions (Δ++, Δ+, Δ0, Δ−) are spin +3/2 particles (four possible values for spin angular momentum.) Vector Mesons, Photons, W, Z Bosons and Gluons, spin +1 (three possible values for spin angular momentum.)

2S+1 Values

Proton Spin Crisis

Hold That Thought

• The Proton has 2 spin-dependent Structure Functions: g1

p(x, Q2) and g2 p(x, Q2)

x is the momentum fraction of the proton carried by the quark and Q2 is the momentum transfer.

• Define the asymmetry: Ap(x, Q2)=g1

p(x, Q2) /F1 p(x, Q2)

• The First Moment of g1

p(x, Q2) -> Γ1 p .

where Δ qi(Q2) is the probability of finding a quark or an anti quark of flavor i , and αs ~1/ln(Q2/Λ2) and ΔΣ =ΣiΔqi These two parameters Γ1

p and ΔΣ can then be used to compare theory to

data,

working out though the quark probabilities and spin favored by the quark parton model, they

came up with the following predictions:

Which lead to a Γ1

p = 0.28 and ΔΣ = 1 (Ap(x, Q2))

Outline of SPIN Structure

Nature's message: LOOK AGAIN... ELSEWHERE!

These integrals of Δ f multiplied by the spin of the parton f will give the amount of spin carried by each parton*.

In a proton with positive helicity we can find a parton:

*i.e for gluons : Amount of carried spin ~ Δ g*1

• We then Define ∆g , ∆q , (∆f) as the probability of finding a

quark, gluon or antiquark with spin parallel or anti parallel to the spin of the nucleon.

∆ q(x,Q2)

=

∆g(x,Q2) = g(x,Q2) =

q(x,Q2)=

+ +

SPIN Dependant Parton Density Functions

Inclusive measurement: A partial measurement. Only a few produced particles, sometimes

• nly one, are singled out for identification and measurement, ignoring the details
• f all other interaction products.

Semi-inclusive: Measurements that detect final state hadrons in coincidence with the scattered probe Pseudorapidity Spatial coordinate describing the angle of a particle relative to the beam axis it is defined as η =-ln(tan(θ/2)) where theta is the angle relative to the beam axis. η does not depend on the energy of the particle, only on the polar angle of its trajectory Factorization theorem: High-energy QCD processes involve both perturbative and non-perturbative

• dynamics. The two dramatically different dynamics (characterized by Q

and by a hadronic scale ,respectively) factorize. Universality of pdf's:They are the same regardless of the process involved.

USEFUL TERMINOLOGY USED

Luminosity is the number of particles per unit area per unit time times the Opacity of the target, usually expressed in either the cgs units cm-2 s-1 or b-1 s-1. The integrated luminosity is the integral of the luminosity with respect to time. The luminosity is an important value to characterize the performance of an accelerator.

Where L is the Luminosity. N is the number of interactions. ρ is the number density of a particle beam, e.g. within a bunch. σ is the total cross section. dΩ is the differential solid angle. is the differential cross section For an intersecting storage ring collider: f is the revolution frequency n is the number of bunches in one beam in the storage ring. Ni is the number of particles in each beam A is the cross section of the beam.

LUMINOSITY

The energy transfer or hardness: The energy of the transferred particle, in the N rest system The square of the mass of the hadronic system: Dimensionless scaling variables Bjorken x Inelasticity Square of the centre-of-mass energy of the l + N system

DIS Variables

Ellis and Jaffe derived an expression in 1974 for the first moment of the polarized structure function from that of the neutron. Γ1

p and Γ1 n

Requiring exact SUf(3) flavor symmetry, they derived Δu -Δd =F+D Δu +Δd -2Δs =3F-D hyperon decays provided the data for F and D (SUf(3) coupling constants) assuming that the quark sea Δs does not contribute (=0) then the up and down contributions are: Δu=2F=0.93 and Δd=F-D=-0.33 Under these assumptions, The Ellis-Jaffe Sum Rule gives us:

Γ1

p=0.19 and Σ=0.60

The Ellis-Jaffe Sum Rule

QCD PICTURE

For interactions between quarks at very short distances

(large momentum transfers) the theory looks more like a free-

f i eld theory, without interactions This is the justif i cation for the parton model (QPM) and the use of perturbative methods for large momentum reactions.

Assume struck quark inside the proton carries momentum ξP and look for ξ

Breaking the Spring

Vertex is assumed at (0, 0, 0). Preliminary calibrations of are done to check the exact center.

(pT = 0.086/α . Angular resolution : dα /α ~ 1 mrad)

Drift Chamber

Precise measurement of charged particle's momentum. Gives initial information for the global tracking in PHENIX Acceptance Acceptance 2 Arms 90◦ in Ф each ±90 cm in Z 0.7 units of η Location Location Radial 2.02 m <R< 2.48 m Angular West -34◦< Ф <56◦ East 125◦< Ф <215◦

Good Momentum Resolution ~1%*pT

Ring Imaging Čerenkov Counter (RICH)

Threshold counter- simple yes/no decision on whether a charged particle is above or below light emitting threshold. A mirror is used to focus the cone of light in to a ring (or a disk, for lower resolutions like

pions)

Radius of ring measures the angle (velocity of the particle). DC tracks are projected w.r.t. RICH mirror. Reflected tracks are projected to the PMT plane

Transverse Momentum Of Particles[GeV/c]

e+ e- 0.017 GeV/c 3.5GeV/c 4.7 GeV/c K+ K- 16GeV/c p+ p- 30GeV/c μ+ μ- π+ π- Particle Threshold[GeV/c] Pions are here

Electromagnetic Calorimeter

• Pb-Scintillator Calorimeter

– A sampling calorimeter.

• Pb-Glass Calorimeter

– Čerenkov detector – 1 Hadronic interaction length

Energy Deposition over momentum of particle

e± π± The EMCAL is Strong Ally in the measurements of π± ALL