La structure en spin du nucléon une nouvelle « crise du spin » ? le spin du nucléon, la "crise du spin" L’expérience COMPASS inclusif et semi-inclusif.

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1 La structure en spin du nucléon une nouvelle « crise du spin » ? le spin du nucléon, la "crise du spin" L’expérience COMPASS inclusif et semi-inclusif  q Polarisation des gluons  g/g - fits QCD de g 1 (x,Q 2 ) - charme ouvert - hadrons à grand p T - collisionneur pp polarisé conclusions, une nouvelle crise ? Saclay/SPP 14 avril 2008 JM Le GOFF, IRFU/SPhN

2 Introduction : le spin du nucléon

3 Le spin du nucléon Modèle des Quarks : Q effectifs, structure, 300 MeV N  = Q  Q  Q    =1, cor. relat.   ≈ 0.75 QCD : q fondamentaux, ponctuels, u et d, qq MeV Ellis-Jaffe (  s=0):  ≈ 0.6  accord qualitatif MQ QCD ½ = ½ΔΣ + ΔG + + 

4 Diffusion profond t inélastique Q 2 >1 non polarisé: polarisé: avec Q 2 =-q  2 : résolution Q 2 >1 (GeV/c) 2  échelle dure QCD perturbatif xbj=Q2/2M p (E  -E  ' ) : fraction impulsion quark 0 < x < 1  fonction de structure (x,Q 2 ) Scaling: pas de dépendance en Q 2 (1 er ordre) distribution de partons (pdf) pdf polarisé

5 Asymétries de spin   N  N D : dépolarisation    A exp = fP  P T DA 1 fP  P T D≈0.1  g 1 =A 1 F 1 = A 1 F 2 /2x(1+R)  * +q  q'

6 la mesure de  g1pg1p x Bj SLAC Compatible avec  =0.6  decay hypérons + SU f (3) : a 3 =  u-  d a 8 =  u+  d-2  s 3 équ. pour 3 inconnues  a 0 =  Ellis-Jaffe:  s =0   =a 8 ≈0.6 SLAC (1976-1983) grand  comme attendu

7 La "crise du spin" Un des papiers exp les + cités (DB du SLAC) ∫g 1 p x Bj x Bj g 1 p Ellis-Jaffe  = 0.6 EMC EMC au CERN (1988) petit x   =0.12 ±0.17 !  “crise du spin”

8 Deuxième génération exp. 90's : SMC (CERN), SLAC, Hermes (DESY) Confirment EMC:  = 0.2 – 0.3 (incertitude dominée par contribution petit x) Mesure sur neutron  règle de somme de Bjorken prédiction fondamentale de QCD : SMC (1998) : ok !

9 ½ = ½ΔΣ + ΔG + + Il faut mesurer  G : 1 – gluons polarisés ? 2- anomalie axiale de QCD  exp mesure a 0 =  – (3  s /2  )  G possible: a 0 petit et  grand préjugé grand  G 3 – moment orbital Pourquoi  G ?

10 L’expérience COMPASS

11 Faisceau muons polarisé Cible polar Long (& Transv.)  Polarisation Quark g 1, ,  q, valence et mer  Polarisation Gluon  Transversité  Production de , J/Ψ,  Faisceaux Hadrons  Primakoff: polarisabilité  K  Etat q exotiques, boules glue  Hadrons doublement charmes projet: cible LH 2 + det. recul proton Distributions Partons Généralisées projet: Drell-Yan pour transversité ≈ 240 physiciens, 25 instituts

12 COMPASS at CERN SPS Muons polarisés longitudinalement 160 GeV/c 2.10 8  / spill (4.8s / 16.8s) 2.10 8  / spill (4.8s / 16.8s) P B = -80% P B = -80% Cible deutéron (proton) polarisée Longitudinalement (ou transverse) : 6 LiD P T ~ 50% (NH 3 P T ~ 90%) 6 LiD P T ~ 50% (NH 3 P T ~ 90%) Luminosité: ~ 5. 10 32 cm -2 s -1 M2 beam line

13 Le spectromètre COMPASS 160 GeV  SciFi veto 6 LiD target Si Micromegas GEMs Straws SM1 RICH ECALs & HCALs Filtres/mur  Trigger Hodoscopes MWPCs 50 m SM2 NIM A 577(2007) 455 Drift Chambers

14 Contributions Saclay Contributions initiales pour 2002-04 Micromegas + elec: chip SFE16 + cartes TDC F1 (SEDI) 3 chambres à dérive haut flux 1.5x1 m 2 (SEDI) Slow Control pour micromegas + dérives (SIS) Remise en service solénoïde supra SMC (STCM, SIS) Upgrade pour 2006 1 grande chambres à dérive 2.5x2 m 2 (SEDI) modif micromegas pour faisceau hadrons (SEDI) Réparation et instrument ion solénoïde supra OD (STCM, SIS) Electronique rapide pour le RICH (SEDI)

15

16 Chambres à dérive 3 x 8 plans + 3 x 8 plans + 8 plans 2.5x2 m 2 8 plans 2.5x2 m 2  220  m  220  m

17 remarquablement fiable Aimant cible polarisée Réparation & instrumentation du nouvel aimant cible 70 mrad  180 mrad Homogénéité champs ~3×10 -5 obtenue à Saclay Opération délicate (1 bobine correction court-circuit), cependant… DAPNIA/ SACM & SIS

18 extraction asymétries de spin si pour éliminer fausse asymétrie résiduelle renversement polarisation plusieurs fois chaque année     2 cellules cible  upstream downstream B rotation toutes 24 heures B B   upstream downstream B B  

19 Fausses asymétries    toutes 24 heures Cible 3-cellules     1 2 A false 1 ≈ -A false 2 MC: fausse asym réduite par un ordre de grandeur vérifié sur vrais données

20 Pondération des événements gain sur FoM: pas optimal statistiquement Evts portent plus ou moins d’info selon la valeur de fP  D Pondérer les evts par w=fP  D

21 Prises de données COMPASS 1998-2001 : construction 2002-04 :  d 6 LiD (+ run pilote hadron en 2004) 2005 : pas de faisceau, upgrade spectro 2006 :  d 2007 :  p NH 3 (pour  G/G: FOM d ≈ 2.8 FOM p ) 2008-09 : faisceau hadron

22 analyses inclusive et semi-inclusive (données 2002-2004)

23 asym inclusives,  d   'X Bon accord entre exp. COMPASS: gain facteur 4 à petit x compatible avec zéro à petit x Q 2 >1 PLB647(2007)8

24 g 1 et contrib. au spin du nucléon  1 =∫g 1 (x)dx : correction 2% seulement petits x non mesurés (avant correction de 50%)  1  a o =0.35±0.03±0.05 et a s =-0.08±0.01±0.02 (COMPASS seul)

25 “Hadronic Uncertainties in the Elastic Scattering of Supersymmetric Dark matter” Ellis, Olive, Savage arXiv:0801.3656 Interprétation recherches indirectes de matière noire (Edelweiss, XENON10, CDMS) dépend de  elast (DM,Nucleon)  elast dépend de  presque 1 ordre de grandeur  elast dépend de donc de a 0, a 3, a 8 qui sont maintenant assez bien mesurés : erreur d’un facteur 2

26 asym semi-inclusive,  d   ' h X séparer valence et mer

27 Asym difference charge LO:

28 Distrib quarks valence polarisé pour x>0.3 mer << valence g 1 d (x)   u v (x)+  d v (x)

29 Mer sym ou asym ?  u v +  d v = ∫  u v (x)+  d v (x)dx = 0.41±0.07±0.05 la mer semble asymétrique  u v +  d v  1 et a 8

30 Polarisation des gluons

31  G par analyse QCD de g 1 équations d’évolution (DGLAP) au NLO quand résolution (Q 2 ) augmente : g  q anti-q évolution de g 1 avec Q 2   G(x,Q 2 ) marche très bien en non polarisé avec F 2 collisionneur Hera + NMC (cern)  g(x,Q 2 ) polarisé: gamme de Q 2 trop limitée il faudrait un collisionneur ep polarisé 1998 :  G ≈ 1 ± 1  préjugé  G >0 et grand  il faut une mesure directe 2008: données précises COMPASS, HERMES et JLab   G < 0.3-0.4

32 Fusion Photon Gluon (PGF) 2 signatures : qq=cc : charme ouvert (D 0 ) - pas bruit physique -  petit, BR(K  )= 4%  faible stat - échelle m c 2 (pas de coupure Q 2 >1) paires hadrons à grand p T - grande stat - bruit physique  MC - analyse Q 2 >1 analyse Q 2 <1: échelle p T 2

33 reconstruction méson D 0 cible épaisse: no decay vertex masse reconstruite D 0  K   bruit combinatoire coupure cinématiques RICH pour identifier particules D *  D 0  slow coupure sur M(K  )-M(K  )

34 Extraction de  G/G evts pondérés par w s ou w B dans u, u', d, d'  extraction simultanée de  G/G et A bckg

35 Pouvoir d’analyse a LL 1 seul D 0  cinématique ambigüe  paramétrisation avec réseau de neurones dépend x, Q 2, y, z D, p T (D) a LL change de signe  gain stat important a LL généré a LL reconstruit

36 Rapport S/(S+B)  = Paramétrisation S/(S+B) à partir des données Dépend cinématique + réponse RICH 5 bins en  = S/(S+B) [S/(S+B)] fit

37 Systématiques et résultat Fausse asym: 0.05 S/(S+B): 0.07 (D 0 ) 0.01 (D * ) a LL (m c ): 0.05 (D 0 ) 0.03 (D * ) P T, P , f : 0.025 chacun  G/G     G/G Nouveau : données 2002-06, présenté DIS08  G/G = -0.49 ± 0.27 (stat) ± 0.11 (syst) @ ~ 0.11, ~ 13 (GeV/c) 2 Charme ouvert :

38 Paires hadrons à grand p T + PGF ~30% Leading Order QCD Compton  résolus 50% Q 2 < 1 (GeV/c) 2 a LL : asym. partonique, calculable R PGF : Monte Carlo pour R PGF et A bckg

39  coupure  p t 2 > 2.5 (GeV/c) 2  échelle dure A || /D = 0.004 ± 0.013 (stat) ± 0.003 (fausse asym)  Pythia + Geant pour estimer R PGF et A bckg   résolus =50%. Contribution à A || dépend des pdf polar des q et g dans le  : hypothèses min et max  err. syst Analyse Q 2 <1 (GeV/c) 2

40 Données vs MC Pythia nominal sauf k T  = 1  0.5 GeV/c Bon accord pour toutes les variables

41 Systématiques et résultat pdf polarisé  : 0.013 fausse asym: 0.014 MC: varier param dans une gamme où accord données ok effet le + grand pour k T du photon (30% sur R PGF ) : 0.052 nucleon photon kTkT kTkT  G/G= 0.016 ± 0.058 ± 0.055 @ X g ≈ 0.09 et ~ 3 (GeV/c) 2 Données 2002-2004, publié en 2005 grand p T Q 2 <1 :

42  paramètrisation des R, a LL, x g, x C, evt par evt avec réseau neurones entrainé avec LEPTO Analyse Q 2 >1 (GeV/c) 2 10 fois moins evts que pour Q 2 <1 échelle dure Q 2 : pas besoin coupure  p t 2 > 2.5 pondérer chaque evt w = P  fa LL R PGF extraire direct t  G/G sans passer par A ||

43 Réseau de neurones fractions LO, QCDC, PGF : Monte Carlo vs réseau neurones R MC /R NN R MC & R NN

44 Leading hadron Sub-leading hadron Monte Carlo vs données

45 Systématiques et résultat  fausse asym : 0.010  ambiguïté sur x c : 0.012  MC : 0.037 grand p T Q 2 >1 :  G/G = 0.077 ± 0.094 (stat) ± 0.042 (syst)   @ = 0.082,  2 ~ 3 (GeV/c)2 Nouveau : données 2002-04, présenté DIS08

46 New high p T mesures directes de  G/G New open charm GRSV,  G std, 0.6 min, 0.2 QCD Fits |  G| < 0.3-0.4 max, 2.5

47  G(x) avec collisionneur pp Prompt  (golden channel)  +jets+X  à grand p t : beaucoup de stat mais convolution et equ 2 nd deg en  G/G  ambiguïté

48  G(x) à RHIC Calc. par W.Vogelsang et M.Stratmann “3 sigma” G.Bunce Dubna Spin07

49 Qu’a-t’on appris ? avant COMPASS - a 0 ≈0.2-0.3, syst dominée par extrapolation petit x - attend  G = 2 ou 3 (anomalie axiale   ≈ 0.6) - on suppose mer symétrique maintenant - g 1 à petit x  a 0 =0.30±0.01±0.02 -  G/G(x≈0.1)  G pas trop grand   ≈ a 0 =0.30  nouvelle crise annoncé par COMPASS grand p t Q 2 <1 confirmé par RHIC et COMPASS grand p t Q 2 >1 - mer semble asymétrique

50 scenarios possibles :   G L z ½ = 1/2 × 0.3 + 0.35 + 0 ½ = 1/2 × 0.3 + 0.0 + 0.35 ½ = 1/2 × 0.3 - 0.35 + 0.70  G(x) : plus stat à RHIC et  prompt bin en x à COMPASS mesure  G=∫  G(x)dx  collisionneur ep polarisé Hera abandonné, projets USA (BNL,JLab) GPD à JLab et COMPASS (>2010)  L z ? Perspectives

51 spares

52 Big lever arm in x and Q 2 → High precision for G(x) Proton Structure Functions (x,Q 2 ) F 2 p unpolarized DIS g 1 polarized DIS protondeuteron

53 L 2005 STAR preliminary Systematic error band Measured Jet P T (GeV)

54 Contributions to cross-section (Q 2 <1) Resolved photons

55 ΔG/G from high p T hadron pairs Two parameters: O 1 & O 2 to express fractions R (PGF, LO or QCDC) for each high p T event

56 2006 Improved D 0 peak in 2006 S/B improved by a factor ≈ 2

57 L