Vers une description partonique de la transition N-∆? Asymétrie de spin du faisceau pour l’électroproduction d’un état résonant ∆+ et d’un photon sur le proton avec le détecteur CLAS Brahim Moreno 8 Janvier 2010 Séminaire du SPhN

Vers une description partonique de la transition N-∆? Introduction Analyses Résultats Conclusion 8 Janvier 2010 Séminaire du SPhN

Introduction Etude du nucléon Contexte expérimental Expérience

Etude du nucléon: la sonde électromagnétique Particule sans structure Pas d’incertitude supplémentaire pour l’interprétation des données Interaction électromagnétique Décrite avec une grande précision

Etude du nucléon: facteurs de forme (FF) Diffusion élastique Effets de volume Diffusion cohérente sur le nucléon FF liés à l’extension spatiale du nucléon en terme de charge et de courant

Etude du nucléon: distributions de parton (PDF) Diffusion pronfondément inélastique Fonctions de structure Grand Q2 et : observation invariance d ’échelle Réaction inclusive

Etude du nucléon: distributions de parton (PDF) Diffusion pronfondément inélastique Grand Q2 et : observation invariance d’échelle Le modèle des partons permet de rendre compte de l’invariance d’échelle PDF(xb) traduisent la non-élémentarité du nucléon Diffusion élastique sur les constituants du nucléon PDF : distributions en fraction d’impulsion longitudinale des partons dans le nucléon

Etude du nucléon: distributions de parton généralisées Diffusion pronfondément virtuelle Exemple DVCS GPD: paramétrisent le contenu non- perturbatif du nucléon Fractions d’impulsion longitudinales Réaction exclusive et dure Moment transféré

Etude du nucléon Distribution spatiale transverse des quarks Distribution en fraction d’impulsion longitudinale des quarks Corrélation entre position transverse et fraction d’impulsion longitudinale des quarks dans le nucléon Facteurs de forme Distributions de parton GPD

Etude du nucléon Les GPD peuvent être interprétées comme « l’amplitude de probabilité de trouver un quark dans le nucléon à une position transverse et une fraction d’impulsion longitudinale données » GPD = hybride FF et PDF

Exemple du processus DVCS Dans la limite: Grand et fixé ET faible

Exemple du processus DVCS dur mou Dans la limite: Grand et fixé ET faible Diagramme du sac à main

Exemple du processus DVCS dur mou Dans la limite: Grand et fixé ET faible Diagramme du sac à main 2 DVCS BH +

 2 DVCS BH + Interférence entre les processus DVCS et Bethe-Heitler Faisceau de lepton polarisé Asymétrie de spin faisceau (BSA)  plan leptonique plan hadronique β,α dépendent des GPD BSA sensible aux GPD du nucléon Approximation de twist-2

Le processus ΔVCS GPD de transition N-∆ perturbatif non-perturbatif Dans la limite: Grand Q2, xb fixé t/Q2→0 et W2/Q2→0 L.L. Frankfurt, M. V. Polyakov,M. Strikman, M.Vanderhaeghen Phys. Rev. Lett. 84: 2589-2592 (2000) P.A.M Guichon, L.Mossé, M.VanderhaeghenPhys. Rev. D68 034018 (2003)

Le processus ΔVCS GPD de transition N-∆ perturbatif non-perturbatif Description partonique de la transition N-Δ Dans l’approximation “large Nc” : ΔVCS descriptible à partir des GPD de transition N-N

Interférence entre les processus ΔVCS et Bethe-Heitler BH 2 + + Interférence entre les processus ΔVCS et Bethe-Heitler Dans la limite “large Nc” Expérience P.A.M Guichon, L.Mossé, M.Vanderhaeghen Phys. Rev. D68 034018 (2003) Asymétrie de spin faisceau (calculs)

Introduction Etude du nucléon Contexte expérimental Expérience

Contexte expérimental (DVCS) Mise en évidence (2001) Résultats 1° expérience dédiée (2006) Résultats 1° expérience dédiée Hall B (2008) (2007) (2009) (2003) (2005) CLAS (1) HERMES (2) H1 (3) Hall A (6) Hall A (7) CLAS (8) t (années) CLAS (9-10) COMPASS (11) ZEUS (4) H1 (5) Publications: (1) S. Stepanyan et al. (CLAS Collaboration) Phys. Rev. Lett. 87, 182002 (2001) (2) A. Airapetian et al. (HERMES Collaboration) Phys. Rev. Lett. 87, 182001 (2001) (3) C. Adloff et al. (H1 Collaboration) Phys. Lett. B 517, 47 (2001) (4) S. Chekanov et al. (ZEUS Collaboration) Phys. Lett. B 573, 46 (2003) (5) C. Aktas et al. (H1 Collaboration) Eur. Phys. J. C 44, 1 (2005) (6) C. Muñoz Camacho et al. (Hall A Collaboration) Phys. Rev. Lett. 97, 262002 (2006) (7) M. Mazouz et al. (Hall A Collaboration) Phys. Rev. Lett. 99, 242501 (2007) (8) F.X. Girod et al. (CLAS Collaboration) Phys. Rev. Lett. 100, 162002 (2008) (9) Proposal: http://www.jlab.org/exp_prog/proposals/06/PR06-003.pdf (10) Proposal: http://www.jlab.org/exp_prog/proposals/05/PR05-114.pdf (11) http://wwwcompass.cern.ch/compass/gpd/index.html ... Collaborations: CLAS (Jlab, USA) HERMES (DESY, Germany) H1 (DESY, Germany) ZEUS (DESY, Germany) HALL A (Jlab, USA) COMPASS (CERN)

Contexte expérimental (ΔVCS) Transition N-Δ décrite par les facteurs de forme de transition t (années) t (années) Mise en évidence DVCS Ma thèse (2001) (2009) 1° tentative ΔVCS (2004) CLAS Thèse Sylvain Bouchigny Collaborations: CLAS Publications:

Contexte expérimental (ΔVCS) 1° tentative ΔVCS (2004) Ma thèse (2001) t (années) Mise en évidence DVCS CLAS ep→eΔ+γ→enπ+(γ) ep→eΔ+γ→enπ+γ ep→eΔ+γ→epπ0γ La non-détection d’une des particules de l’état final induit un bruit de fond difficile à traiter Détection de TOUTES les particules de l’état final requise Analyses menées à partir des données de la première expérience dédiée au DVCS dans le Hall B

Contexte expérimental (ΔVCS) 1° tentative ΔVCS (2004) Cette thèse t (années) Mise en évidence DVCS CLAS ep→eΔ+γ→enπ+(γ) ep→eΔ+γ→enπ+γ ep→eΔ+γ→epπ0γ Ce qui est attendu: DEMONSTRATION de la faisabilité Si faisabilité demontrée: extraction de l’asymétrie de spin du faisceau ANALYSE EXPLORATOIRE

Introduction Etude du nucléon Contexte expérimental Expérience

Thomas Jefferson Laboratory (Virginia, USA) Hall B Hall A Hall C Hall B

détecteur de photon pour la séparation γ/π (DVCS) Le détecteur CLAS Aimant toroïdal Calorimètre électromagnétique (EC, LAC) Chambres à dérive (DC) pour la détection des particules gerbifiantes acceptance angulaire: pour la détermination de la trajectoire des particules chargées Compteurs de temps de vol (TOF) Calorimètre interne (IC) acceptance angulaire: Détecteurs Cherenkov pour la discrimination e/π détecteur de photon pour la séparation γ/π (DVCS)

Première expérience dédiée à l’étude du DVCS dans le Hall B L’expérience e1-dvcs Durée: de Mars à Mai 2005 Ebeam = 5.776 GeV Polarisation du faisceau: 75-80 % Intensité: 20-25 nA Cible: H2 liquide (2.5 cm) Luminosité integrée: 3.3×107 nb-1 Première expérience dédiée à l’étude du DVCS dans le Hall B

Introduction Analyses Résultats Conclusion Asymétrie de spin faisceau pour l’électroproduction d’un état résonant Δ+ et d’un photon sur le proton avec le détecteur CLAS Introduction Analyses Résultats Conclusion

ep→eNπγ dans la région du Δ+ Analyses ep→eNπγ dans la région du Δ+ ep→epπ0γ ep→enπ+γ Identification des états finaux eNπγX epπ0γX enπ+γX Soustraction du bruit de fond (ππ)

ep→eNπγ dans la région du Δ+ Analyses ep→eNπγ dans la région du Δ+ ep→epπ0γ ep→enπ+γ Identification des états finaux eNπγX epπ0γX enπ+γX Soustraction du bruit de fond (ππ) 29

Identification des événements ep→epπoγX → epγγγX Le photon le plus énergétique Noté γD TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 proton, 3 photons Par défaut: les autres photons sont supposés provenir de la décroissance du π0

Identification des événements ep→epπoγX → epγγγX TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 proton, 3 photons 3 pics à 0 GeV 1 2 X 1 2 Projections de l’impulsion manquante pic à 0 GeV2 4 3 4 Masse manquante Energie manquante Données avant sélection Données après sélection

Identification des événements ep→epπoγX → epγγγX TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 proton, 3 photons 1 2 Masse manquante Masse manquante γD 1 π0 2 3 4 proton 3 Coupure angulaire Masse manquante 4 Données avant sélection Données après sélection

Identification des événements ep→epπoγX Bruit de fond/contamination → π0γ Bruit de fond combinatoire Electroproduction de méson : ep→ep→epπ0γ combinatoire ep → epπ0γ→epγγγ dans la région du Δ+ état final acceptance/résolution ep→epπ0γ(γ) Double électroproduction de pions: ep→epπ0π0→ epπ0γ(γ) Sujet de thèse En cours de description

Identification des événements ep→epπoγX Bruit de fond/contamination → π0γ Bruit de fond combinatoire Electroproduction de méson : ep→ep→epπ0γ combinatoire ep → epπ0γ→epγγγ dans la région du Δ+ état final Ajustement de la distribution en masse invariante IM3γ Réjection des événements « -résonant » Sujet de thèse En cours de description

Identification des événements ep→epπoγX Bruit de fond/contamination → π0γ Bruit de fond combinatoire Electroproduction de méson : ep→ep→epπ0γ combinatoire ep → epπ0γ→epγγγ dans la région du Δ+ état final acceptance/résolution ep→epπ0γ(γ) Double électroproduction de pions: ep→epπ0π0→ epπ0γ(γ) Sujet de thèse En cours de description

Soustraction du bruit de fond combinatoire 6 Soustraction du bruit de fond combinatoire 3 Méthode du sideband 2nd région Signal S+B Bruit

Identification des événements ep→epπoγ Bruit de fond/contamination → π0γ Bruit de fond combinatoire Electroproduction de méson : ep→ep→epπ0γ combinatoire ep → epπ0γ→epγγγ dans la région du Δ+ État final acceptance/résolution ep→epπ0γ(γ) Double électroproduction de pions: ep→epπ0π0→ epπ0γ(γ) Sujet de thèse Identification des événements ep→epπoγ En cours de description

ep→eNπγ dans la région du Δ+ Analyses ep→eNπγ dans la région du Δ+ ep→epπ0γ ep→enπ+γ Identification des états finaux eNπγX epπ0γX enπ+γX Soustraction du bruit de fond (ππ) 38

Identification des événements ep→enπ+γX TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 neutron, 1 π+, 1 photon 3 1 2 pics à 0 GeV 1 X Projections de l’impulsion manquante 2 pic à 0 GeV2 4 3 4 Masse manquante Energie manquante Données avant sélection Données après sélection

Identification des événements ep→enπ+γX TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 neutron, 1 π+, 1 photon Masse manquante 1 2 Masse manquante γ 1 π+ 2 3 4 neutron 3 Coupure angulaire Masse manquante 4 Données avant sélection Données après sélection

Identification des événements: définition région du Δ+ Spectre en masse invariante π+n 2nd région 3ième région Δ+

Identification des événements ep→enπ+γX Bruit de fond/contamination ep→enπ+γ dans la région du Δ+ acceptance/résolution ep→enπ+γ(γ) Double électroproduction de pions: ep→enπ+π0→ enπ+γ(γ) Sujet de thèse En cours de description

ep→eNπγ dans la région du Δ+ Analyses ep→eNπγ dans la région du Δ+ ep→epπ0γ ep→enπ+γ Identification des états finaux eNπγX epπ0γX enπ+γX Soustraction du bruit de fond (ππ) 43

Soustraction du bruit de fond ππ Bruit de fond (B) Etat final (S) Bruit de fond calculé et soustrait en utilisant des données SIMULEES et EXPERIMENTALES de double production de pions Même procédure pour les deux canaux ep→eNπγ

Soustraction du bruit de fond ππ FOND (B) Etat final (S) S+B S B S+B S B Données expérimentales Données simulées 1 photon détecté tous photons détectés

ep→eNπγ dans la région du Δ+ Analyses ep→eNπγ dans la région du Δ+ ep→epπ0γ ep→enπ+γ Identification des états finaux eNπγX epπ0γX enπ+γX Soustraction du bruit de fond (ππ) Etude expérimentale epπ0π0 Etude expérimentale enπ+π0 Estimation finale du bruit de fond

Identification des événements ep→epπoπo→epγγγγX Reconstruction des πo TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 proton, et 4 photons Photons ordonnés par énergie Indice de combinaison 1° paire de photons 2° paire de photons i = 1 i = 2 i = 3 Masse invariante de la première paire de photon de la combinaison i Masse invariante de la seconde paire de photon de la combinaison i

Meilleure combinaison = la plus proche du cas idéal ( plus faible Di ) 2 minimisé pour la sélection de la combinaison Prise en compte de la résolution

Masse invariante pour la combinaison 3 Résultats de la méthode de reconstruction

Identification des événements ep→epπoπo→epγγγγX TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 proton, 4 photons 1 1 2 3 2 3 4 5 4 5 6 6 Données avant sélection Données après sélection

Identification des événements ep→epπ0π0X Identification des πo Ajustement des distributions en masse invariante Coupure à ±3 pour définition π0

Identification des événements ep→epπoπo Bruit de fond/contamination →π0γ Bruit de fond combinatoire Electroproduction de méson : ep→ep→epπ0γ combinatoire état final ep→epπ0γ →epγγγ dans la région du Δ+ acceptance/résolution ep→epπ0γ(γ) Double électroproduction de pions: ep→epπ0π0→ epπ0γ(γ) ep→ ep→epπ0π0(π0) Sujet de thèse En cours de description

Identification des événements ep→epπoπo Bruit de fond/contamination ep→ ep→ep π0π0(π0) Ajustement de la distribution en masse manquante Réjection des événements « -résonant » Rapport d’embranchement →π0π0π 0: 32.51%

ep→eNπγ dans la région du Δ+ Analyses ep→eNπγ dans la région du Δ+ ep→epπ0γ ep→enπ+γ Identification des états finaux eNπγX epπ0γX enπ+γX Soustraction du bruit de fond (ππ) Etude expérimentale epπ0π0 Etude expérimentale enπ+π0 Estimation du bruit de fond 54

Identification des événements ep→enπ+π0→enπ+γγ TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 neutron, 1 π+, 2 photons 1 1 2 3 2 3 4 5 4 5 6 6 Données avant sélection Données après sélection

Identification des événements ep→enπ+π0 Identification du πo Ajustement des distributions en masse invariante Avant sélection Après sélection Coupure à ±3 pour définition π0

ep→eNπγ dans la région du Δ+ Analyses ep→eNπγ dans la région du Δ+ ep→epπ0γ ep→enπ+γ Identification des états finaux eNπγX epπ0γX enπ+γX Soustraction du bruit de fond (ππ) Etude expérimentale epπ0π0 Etude expérimentale enπ+π0 Estimation du bruit de fond 57

Estimation de la contamination par les voies ep→eNππ R= pourcentage d’évenements eNπγX estimé provenir de ep→eNππ Contamination des événements enπ+γX Contamination des événements epπ0γX 45% en moyenne 30% en moyenne

Introduction Analyses Résultats Conclusion Asymétrie de spin faisceau pour l’électroproduction d’un état résonant Δ+ et d’un photon sur le proton avec le détecteur CLAS Introduction Analyses Résultats Conclusion

Résultats Asymétrie de spin faisceau Interprétation

Asymétrie de spin du faisceau (BSA) ep→eNπγ dans la région du Δ+ ep→epπ0γ ep→enπ+γ BSA BSA Q2 = 2.5 GeV2 W = 2.29 GeV t = -2 GeV2 xb = 0.38 Q2 = 2.44 GeV2 W = 2.37 GeV t = -1.63 GeV2 xb = 0.35 Première observation expérimentale d’une asymétrie pour ces voies Seules les incertitudes statistiques sont montrées

Résultats Asymétrie de spin faisceau Interprétation

Contexte expérimental (ΔVCS) 1° tentative ΔVCS (2004) DIS2009 HERMES Cette thèse (2001) t (années) Mise en évidence DVCS Première observation asymétrie Pas de point de comparaison Collaborations: CLAS HERMES Publications:

Interprétation des données Asymétrie de l’ordre de 20% pour ep→epπ0γ Asymétrie de l’ordre de 25% pour ep→enπ+γ Premier signe d’une interférence entre les processus ΔVCS et Bethe-Heitler ep→enπ+γ Expérience ep→epπ0γ BSA BSA Calculs prédictifs: Incompatibles pour comparaison Données expérimentales: Intégration sur IMNπ

Introduction Analyses Résultats Conclusion Asymétrie de spin faisceau pour l’électroproduction d’un état résonant Δ+ et d’un photon sur le proton avec le détecteur CLAS Introduction Analyses Résultats Conclusion

Conclusion Analyse exploratoire des voies ep→eNπγ dans la région du Δ+ Démonstration faisabilité Extraction de l’asymétrie de spin du faisceau correspondante Observation d’une asymétrie de l’ordre de la vingtaine de pourcent Environ 20% ep→epπ0γ Environ 25% ep→enπ+γ Interprétable comme le premier signe d’une interférence entre les processus ΔVCS et Bethe-Heitler

Transparents supplémentaires

distribution d’anti-quark Etude du nucléon: GPD lignes de quark x+ξ, x-ξ : fractions d’impulsion longitudinale des quarks p, p’ : 4-impulsion du nucléon initial and final de signe opposé x + - distribution d’anti-quark distribution distribution de quark

Exemple du processus DVCS plan leptonique plan hadronique Faisceau polarisé, cible non-polarisée: Faisceau non-polarisé, cible polarisée longitudinalement: Faisceau non-polarisé, cible polarisée transversalement: Asymétrie de charge du faisceau:

N-Δ GPDs Règles de somme : GPD N-Δ non négligée pour la description du processus ΔVCS : Dans la limite “large Nc”

Illustration de l’optimisation des coupures de sélection Déterminer indépendemment la réponse de chaque partie du filtre de sélection au signal et au bruit Basée sur les données simulées du signal et du principal bruit de fond (données obtenues séparemment)

Identification des événements ep→epπoγX→epγγγX TOUTES les particules de l’état final sont détectées 1 électron, 1 proton, 3 photons 1 Projections de l’impulsion manquante Energie manquante Masse manquante 1 2 3 4 pics à 0 GeV 2 X 3 pic à 0 GeV2 4 Données avant sélection Données après sélection

Aperçu de l’espace de phase ep→epπ0γ Q2 (GeV2) -t (GeV2) Q2 (GeV2) xb W (GeV) xb Q2 (GeV2) = 2.5 W (GeV) = 2.29 t (GeV2) = -2 xb= 0.38

Aperçu de l’espace de phase ep→enπ+γ Q2 (GeV2) Q2 (GeV2) -t (GeV2) xb W (GeV) xb Q2 (GeV2) = 2.44 W (GeV) = 2.37 t (GeV2) = -1.63 xb= 0.35

Incertitudes de mesure: estimations ep→epπ0γ ep→enπ+γ L’incertitude statistique domine

Comparaison données expérimentales/simulées ep→epγγγX Données expérimentales après sélection Données simulées après sélection 70% ep→eΔ+γ→epπ0γ (espace de phase) 30% ep→epπ0π0 (espace de phase) Mélange déterminé expérimentalement Données simulées

Comparaison données expérimentales/simulées ep→enπ+γX Données expérimentales après sélection Données simulées après sélection 55% ep→eΔ+γ→enπ+γ (espace de phase) 45% ep→enπ+π0 (espace de phase) Mélange déterminé expérimentalement Données simulées

Asymétrie de spin faisceau du fond ep→epπ0π0 dans la région du Δ+ BSA Les incertitudes sont statistiques

Asymétrie de spin faisceau du fond ep→enπ+π0 dans la région du Δ+ BSA Les incertitudes sont statistiques

Limites des analyses Multiplicité des particules dans l’état final détection Bruit de fond ππ Faible nombre d’événements acceptance/résolution Statistiques section efficace Bruit de fond combinatoire Neutron détection combinatoire Incertitudes Systématiques Soustraction bruit de fond ππ acceptance/résolution Mesure polarisation du faisceau mesure

Amélioration Multiplicité des particules dans l’état final Bruit de fond combinatoire combinatoire Augmentation période prise de données et/ou intensité faisceau Multiplicité des particules dans l’état final Méthode de reconstruction plus performante détection Faible nombre d’événements Statistiques Bruit de fond ππ acceptance/résolution section efficace Neutron détection Augmentation acceptance et/ou efficacité de détection Résolution en masse manquante inférieure à 30.02 GeV2 Incertitudes Systématiques Soustraction bruit de fond ππ acceptance/résolution Mesure polarisation du faisceau mesure