Interactions Fortes et QCD stratégie européenne pour le moyen et long terme à  10 ans stratégie pour de nouvelles infrastructures (au CERN ou ailleurs)

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1 Interactions Fortes et QCD stratégie européenne pour le moyen et long terme à  10 ans stratégie pour de nouvelles infrastructures (au CERN ou ailleurs) Nicole d’Hose version IRFU

2 Interactions Fortes et QCD Moyen terme à COMPASS: ,  200 GeV SPS au CERN Test 2012 + 2015+16: Diffusion Compton Virtuelle (DVCS) + semi-inclusive DIS  PDF + TMD + GPD 2012: symétrie chirale + meson spectroscopie 2014: Drell-Yan polarisé  TMD > 2017: suite du programme GPD avec cible polarisée suite du programme TMD (Drell-Yan et SIDIS) suite du programme spectroscopie Moyen terme à Jlab: e,  12 GeV (premiers faisceaux 2014): même programmes domaine cinématique complémentaire Long terme au-delà de 2020-25: Des expériences en cible fixe vers un collisionneur: préférence pour EIC par rapport à LHeC

3 Les enjeux de QCD Gross, Politzer, Wilczek (NP 2004) Liberté asymptotique Confinement : QCD non perturbatif challenge: comprendre comment les hadrons emergent de QCD Spectroscopie des mésons q-qbar Mais aussi glue-balls g-g ou hybrids q-qbar-g Degrés de libertés: quarks et gluons Colinéarité et Factorisation: Distributions des partons PDF en fonction de q.de mvt longitudinal - avec quelle précision? - contribution au spin: q, g et OAM? Au-delà -> effets transverses: TMD PDF universalité GPDs: tomographie du nucléon

4 Beaucoup de progrès apportés dans les calculs sur réseaux  Necessité d’expériences: - créer des états exotiques de la matière (hybrids, glueball,…) avec des faisceaux de hadrons (ou photons) - sonder la structure du proton avec la diffusion de leptons (ou de hadrons) Exemple de grille montrant la formation D’un tube de flux à 3 quarks Les outils Mais encore des approximations (m quark pas assez petite, volume fini…)

5 LHC SPS CNGS CNGS Gran Sasso COMPASS 60m Les faisceaux de hautes énergies au CERN auprès du SPS : hadrons: protons, pions, kaons 150-270 GeV/c leptons: muons 100-200 GeV/c et 80% de polarisation  Grand domaine cinématique Le détecteur COMPASS: avec cibles fixes - polarisées long. ou transv. - ou 2.5m LH2 - ou cible solide  boost à l’avant  Spectromètre de grande acceptance COMPASS: un équipement unique pour étudier QCD + détecteur de recul autour de la cible

6 COMPASS: un équipement unique pour étudier QCD 160 GeV μ RICH Silicon 12 Micromegas SciFi GEMs 3 Large Drift chambers de 8 plans chacune Straws MWPC 60 m  filter Réalisation ou participation Irfu Le détecteur COMPASS  Spectromètre de grande acceptance Cible polarisée long. (ou transv.) 3 cellules de polarisation opposée placées dans un aimant supraconducteur Pour les expériences polarisées  Beam 3 target cells 6 LiD (d) or NH 3 (p)Target SM2 SM1 ECAL2 ECAL1

7 COMPASS: un équipement unique pour étudier QCD 160 GeV μ RICH Silicon 12 Micromegas SciFi GEMs 3 Large Drift chambers de 8 plans chacune Straws MWPC 60 m  filter Réalisation ou participation Irfu Le détecteur COMPASS  Spectromètre de grande acceptance Cible polarisée long. (ou transv.) 3 cellules de polarisation opposée placées dans un aimant supraconducteur Pour les expériences polarisées 6 LiD (d) or NH 3 (p)Target SM2 SM1 ECAL2 ECAL1  Beam 3 target cells

8 COMPASS: un équipement unique pour étudier QCD 160 GeV μ RICH Silicon 12 Micromegas SciFi GEMs 3 Large Drift chambers de 8 plans chacune Straws MWPC 60 m  filter Réalisation ou participation Irfu Le détecteur COMPASS  Spectromètre de grande acceptance Cible polarisée long. (ou transv.) 3 cellules de polarisation opposée placées dans un aimant supraconducteur Pour les expériences polarisées 6 LiD (d) or NH 3 (p)Target SM2 SM1 ECAL2 ECAL1  Beam 3 target cells

9 COMPASS: un équipement unique pour étudier QCD SM1SM2 160 GeV μ *Réalisations de l’Irfu °Participations de l’Irfu Le détecteur COMPASS  Spectromètre de grande acceptance Pour l’étude de la Diffusion Compton virtuelle μ p  μ ’ p ’  DVCS : μ p  μ ’ p ’  p’ μ’μ’μ’μ’  ECAL2 ECAL1upgraded ECAL0 Phase 1: 2012-16 (COMPASS-II) 2.5 m LH2 target + 4m RPD CAMERA* Phase 2: > 2017 (in future) Polarised Transverse Target integrating RPD + détection du recul

10 QCD at low energy Primakoff experiments with π, K or inverse Compton Scattering on π, K the point-like cross section is measured with the muon beam Deviation due to  polarisabilities Chiral perturbation theory (ChPT) predicts the low-energy behavior of σ  π (or Κ) γ Q2  0Q2  0 s = ( p  +p  ) 2 γ

11 Pion Polarisabilities and Chiral predictions The pion: fundamental role for QCD at low-energy Goldstone boson (spontaneous breaking of chiral symmetry) lightest quark-gluon bound state system  understanding its internal structure is a fundamental challenge The polarisabilities give the deformation of the pion shape by an EM field   > 0 S=0 diamagnetic contr.   <0 2-loop ChPT prediction:   +   = (0.2  0.1) 10 -4 fm 3   -   = (5.7  1.0) 10 -4 fm 3 Experiments:   -   from 4 to 14.10 -4 fm 3  0.025  0.66 Précisions COMPASS (Leaders: Munich + Russie)

12 hybrids, glueballs, multiquark states La spectroscopie des mésons Les mésons conventionnels: Allowed J PC combinations: 0 -+, 0 ++, 1 --, 1 +-, 1 ++,… "Exotic" J PC combinations: 0 --, 0 +-, 1 -+, 2 +-, … forbidden by the quark model + d’autres états dans QCD  Diffractive dissociation: one of the lightest hybrids  1 - (1600) with exotic numbers J PC = 1 -+

13 Isobar model: X decay is chain of successive two-body decays Very sophisticated analysis: Partial wave analysis (PWA) in mass bins with up to 53 waves fit of spin-density matrix for major waves Nécessite: - un détecteur de grande acceptance - une grande statistique (facteur 100 / passé) π − p  π − π + π − p

14 a 1 (1260)  1 (1600) Recherche de l’hybride J PC =1 - + dans the réaction  - p   1 - (1600) p   - p   +  -  - p Phase between  1 (1600) and a 1 (1260) Phys. Rev. Lett. 104, 241803 (2010)

15 2004 Pb 2008 proton`work in progress’ Recherche de l’hybride J PC =1 - + [  1 (1600)] 420k events 96M events 2.4M events Un signal clair (changement de phase à la résonance) Il existe un grand bruit non-résonant (effet Deck) et une dépendance en A

16 Recherche des états exotiques Potentiel de découverte J PC =1 −+ [  1 (1600)] observé à COMPASS avec un faisceau de pions non observé à Jlab avec un faisceau de photons Programme à COMPASS période 2017-2020+: - avec une énergie plus grande 280 GeV - avec un faisceau de protons ou enrichi en kaons : pour enrichir la production d’états avec un ou deux échanges de Pomeron pour atteindre des masses plus élevées COMPETITION et STRATEGIE: COMPASS (leader: Munich) jusqu’en 2020+ puis PANDA@GSI GLUEX @ JLAB 12 GeV BELLE-II, BES-III

17 PxPx  p   ’X Deep Inelastic Scattering  Q²x B x p γ* γ* Parton Distribution PDF q( x ) x boost x P z y QCD at high energy: QCD at high energy: Deep Inelastic Scattering Deep Inelastic Scattering ’’ While unpolarised light quark PDF well constrained, strange quark distributions are not so well known COMPASS

18 Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering  Q²x B x p γ* γ* ’’  p   ’ h X h Semi-Inclusive DIS h tags the flavor of the quark σ  p   ’ h X = q (x, Q 2 )  FF h q (z,Q 2 ) PDF quark Fragmentation Function depend on x depend on z (z=E h /E  * ) Final goal: extensive measurements (x, z, Q 2, … ) to provide input and deal with to NLO global analysis for PDF and FF Leader: Saclay LO

19 Projection for 1 week with 2.5m LH 2 target  high statistics Strange quark distribution s(x)

20 hh Asymmetries in the azimuthal angle  h of the outgoing hadron around the virtual photon can reveal quark transverse spin and quark transverse momentum (k T ) effects beyond the collinear approximation At leading twist, not only f 1 (x, k T ), g 1 (x, k T ), h 1 (x, k T ) but also 5 other Transverse Momentum Dependent TMD PDF (q T (x, k T )) which do not survive after integration on k T Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering 2 famous examples of TMDs (T-odd) (leader: Italy) The Boer-Mulders function correlates the quark k T and the quark transverse spin (unpol N) The Sivers function correlates the quark k T and the nucleon spin (transv. Pol. N) σ  p   ’ h X = q T (x, k T, Q 2 )  FF h q (z, p T, Q 2 )  OAM

21 After SIDIS, polarised Drell-Yan to study TMDs π - p    +  - X Drell –Yan π - p    +  - X Cross sections: In SIDIS: convolution of a TMD PDF with a fragmentation function In SIDIS: convolution of a TMD PDF with a fragmentation function In DY: convolution of 2 TMD PDFs In DY: convolution of 2 TMD PDFs  complementary information and universality test  complementary information and universality test - Au-delà de la production de J/  4 < M  +  - < 9 GeV Note: antiproton beam would be the best: σ DY =  ’ u|  -   u|p σ DY =  ’ u|p   u|p Same valence TMD PDF COMPASS future after 2017

22 Compétition: COMPASS (Leaders: Italie + Russie + USA) / RHIC… Experimental check of the change of sign of Experimental check of the change of sign of TMDs confronting Drell-Yan and SIDIS results TMDs confronting Drell-Yan and SIDIS results the Boer-Mulders and Sivers function should be zero due to their T-odd character (full time reversal invariance of QCD) Boer-Mulders Sivers In order not to be forced to vanish by time-reversal invariance the azimuthal asymmetry requires an interaction phase generated by a rescattering of the struck parton in the field of the hadron remnant FSI ISI Need experimental verification new members

23 Deeply Virtual Compton Scattering Generalized Parton Distribution H( x, ,t ) ℓp ℓ’p’ℓp ℓ’p’ P’ GPDs ** Q²x B x+  x-  p  t x P y z bb x boost ( P x, b  ) from inclusive reactions to exclusive reactions from inclusive reactions to exclusive reactions in 1 dimension in 1+2 dimensions PxPx ℓ p  ℓ ’ X Deep Inelastic Scattering ℓ Q²x B x p γ* γ* Parton Distribution q ( x ) x boost x P z y ℓ’ℓ’ (or meson) Link to OAM : J q =  dx x (H (x, ,t=0 ) + E (x, ,t=0 ) )

24 Programme Cohérent à COMPASS et JLab  +  - 160 GeV e- 12 GeV Gluons et quarks de la merquarks de valence HERA in the past EIC in the future with high lumi  Analyses globales combinant toutes les expériences ‘Global networking’ (fits globaux – phénoménologie) (rôle de Saclay, ANR)

25 Résultats attendus : imagerie 3D du proton dans la région des quarks de valence Leader: Saclay Court et moyen terme à JLab Projet Irfu : trajectographes Micromegas Démarrage expérience : 2015 (200 jours de faisceau) Trajectographe Micromegas Deep VCS Bethe-Heitler d   |T DVCS | 2 + |T BH | 2 + Interference Term

26 Court et moyen terme à COMPASS CAMERA: détecteur de proton Saclay- Freiburg-Mainz-Warsaw Cout et MO: 50% pour Saclay actuellement au CERN  ’= 0.8 in 2 weeks in 2012 with 40 weeks in 2015-16 as soft Pomeron =  2/3  0.8 fm d  DVCS /dt ~ exp -B|t| B(x B ) = ½ B(x B ) = ½ Projets Irfu : CAMERA + pixelMicromegas Perspective > 2017: cible polarisée + détecteur de recul pixelMicromegas Résultats attendus : imagerie 3D du proton dans la région des quarks de la mer Leader: Saclay d   |T BH | 2 + |T DVCS | 2 + Interference Term

27 Already approved in black for 2012-2016 Proposal after 2017 Strange quark FF and PDF COMPASS future plans

28 Le futur à long terme Un laboratoire idéal pour le futur ~2025: Collisionneur donc domaine plus vaste en (Q 2 et x) Faisceaux d’e- et p hautement polarisés >70%, d’ions jusqu’à A=200 Haute luminosité (jusqu’à10 34 cm -2 s -1 ) Détection autour de la cible (lepton, hadron) et très à l’avant (pour signer l’exclusivité, mesurer t) proposition aux USA (120 phys, 2013 white paper pour NSAC) EIC = e- + RHIC (eRHIC1-2) ou Jlab + proton/ion (MEIC ou ELIC) 2 étapes: s=45 GeV puis s=140 GeV Programme: - Proton spin - Tomographic image of the proton in the gluon sector - Correlation of fast moving proton and confined transverse motion of q and gluons - Quark hadronization - QCD matter at extreme gluon density: gluon saturation, F2, FL Fort intérêt des communautés Jlab et COMPASS

29 Le futur à long terme COMPASS JLab

30 Le futur à long terme LHeC: LHC + e- 60 (140) GeV physique du LHC Gluon saturation 200 phys., design report

31 Conclusion Un programme de l’IRFU cohérent à COMPASS et Jlab Leader des programmes SPIN et GPD - DVCS 2012-17: tomographie du nucléon, extraction de la GPD H (cible LH2) + Strange Quark Fragmentation Function et PDF 2017: extraction de la GPD E (exp. cible polarisée transversalement) liée à la contribution OAM au spin du proton Fort intérêt de la communauté au collisionneur EIC aux USA et participation à sa définition

32 Jlab COMPASS Et un futur collisionneur: EIC HERA HERA HERMES HERMES RHIC Les principaux acteurs pour observer le nucléon à 3Dim