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

Interactions Fortes et QCD Moyen terme à COMPASS: ,  200 GeV SPS au CERN Test : 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 : Des expériences en cible fixe vers un collisionneur: préférence pour EIC par rapport à LHeC

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

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…)

LHC SPS CNGS CNGS Gran Sasso COMPASS 60m Les faisceaux de hautes énergies au CERN auprès du SPS : hadrons: protons, pions, kaons GeV/c leptons: muons 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

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

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

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

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: (COMPASS-II) 2.5 m LH2 target + 4m RPD CAMERA* Phase 2: > 2017 (in future) Polarised Transverse Target integrating RPD + détection du recul

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

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) fm 3   -   = (5.7  1.0) fm 3 Experiments:   -   from 4 to fm 3   0.66 Précisions COMPASS (Leaders: Munich + Russie)

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 -+

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

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, (2010)

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

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 : - 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 puis JLAB 12 GeV BELLE-II, BES-III

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

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

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

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

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

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

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 ) )

Programme Cohérent à COMPASS et JLab  +  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)

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

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 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

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

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

Le futur à long terme COMPASS JLab

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

Conclusion Un programme de l’IRFU cohérent à COMPASS et Jlab Leader des programmes SPIN et GPD - DVCS : 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

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