Plan de l’exposé 1/ Le JLab/CEBAF : des sondes EM/Faible 2/ Programmes en cours et en projet avec l’upgrade à 12 GeV 3/ Une sélection (biaisée) de résultats et de perspectives 3/ Questions/discussion … Exposé GDR-Autrans, 7 Juin 2005 Serge Kox, LPSC Grenoble Physique hadronique au JLab

Objectifs physique  Compréhension de l’interaction forte/couleur et de sa théorie fondamentale QCD  Confinement, masse des quarks  Construction des hadrons à partir des quarks et gluons  Spectroscopie N*, états exotiques (pentaquarks, …)  Structure du nucléon à différentes échelles  Transition entre force NN et quark-quark  Structure des noyaux légers et degrés de liberté pertinents Les sondes EM et faibles  Sondes ponctuelles, interaction décrite exactement  3 sondes : ,  q , Z 0 (charge faible, PV)  Ajustement L/T, Q 2, … avec la cinématique Programme en cours depuis 30 ans … pourquoi continuer ?? Physique des Hadrons : Contexte

Période actuelle est très favorable!  Progrès récents en théorie  Progrès rapides de LQCD avec CPU et algorithmes.  Modèles (QCD, symétrie Chirale) complémentent le secteur des quarks légers  Nouveaux concepts pour la structure du Nucléon (GPD)  Aspect plus prédictif et meilleur contenu physique  Nouvelle génération d’accélérateurs et détection/appareillages associés  Grands cycles utiles (100%)  Fortes luminosités (  A)  Systèmes de rétroaction et polarisation (PV)  Données précises et plus complètes Physique des Hadrons : Contexte (II) MAMI-II

CEBAF 6 GeV et le projet 12 GeV I e = 200  A P e = %  p/p < CW

Le Jlab en quelques chiffres  Accélérateur fonctionne depuis 1995 et les 3 halls sont opérationnels depuis 1997  Environ 1150 scientifiques de 200 institutions dans 30 pays  Importante contribution IN2P3 (Clermont, Grenoble, Orsay)-SPhN (Saclay)  150 expériences approuvées. 400 publications, 300 exposés, 160 thèses

JLab ELSA Proton : Jlab Avril 2005 … “Pentaquark Debate Heats Up” Avec fois plus de statistique, le signal n’est plus observé sur la cible de proton !! ++  d  K - K + p(n) Programme au niveau mondial  Jlab : photoproduction  Proton et deutérium A venir  Nouveaux résultats  + sur le deuton (2005)  Recherche du    en  Recherche  + sur noyau de Be en 2005 (analogue à SPRING 8) La saga des Pentaquarks

Mésons hybrides Degrés de liberté gluoniques  Confinement du aux gluons (couleur)  Prédiction de Lattice QCD  Formation de tubes de flux dans les interaction q-q  Excitation de ces tubes de flux (gluons)  Nombres quantiques exotiques J PC = 0 --, 0 +-, 1 -+, … Motivation forte pour l’ upgrade  Masse des Mésons hybrides : 1-3 GeV  8-9 GeV photons par bremsstrahlung cohérent  Photons polarisés linéairement  Polarisation linéaire maximum pour 2/3*E beam  Electrons de 12 GeV (en 5 + 1/2 tours)  Nouvel Hall expérimental : D

Facteurs de forme  Diffusion élastique  Distributions spatiale (TF de la distribution en q)  Distribution charges et moments magnétiques  Mesures sur N et A=2-4  Décomposition en saveur (u, d, s) avec sonde faible Fonctions de structure  DIS inclusive  Distributions en x (impulsion) des partons  Mesures pour u, d, s  Spin du nucléon (polar.) Fonctions de structure Généralisées (GPDs)  DIS (exclusive)  Corrélations entre quarks  Holographie ‘’3D’’ (b  et x  Lq) (factorisation  pQCD) Structure des nucléons et sonde leptonique lepton q (Voir exposé de Fabienne)

Panorama  Actuellement précision au niveau de 15% pour Q  1 (GeV/c) 2  Données + paramétrisations  Effet des processus à 2 photons ??  Extension possible aux plus grands Q 2  12 GeV/polarimètres (Facteurs de forme type temps : Saro)

Asymétries de polarisation (Hall A)  Cible 3 He polarisée (neutron) et faisceau d’électrons polarisés  Grands Q 2 et x  1 (valence quarks)  Règles de pQCD (scaling et hélicité)  Comparaison avec théorie  Hélicité n’est pas conservée  Besoin de considérer le moment orbital des quarks pour reproduire les données Spins des quarks u et d  Combinaison des résultats proton et neutron  Spins des quarks u et d de valence sont anti-alignés  Moment orbital Mesures en DIS au JLab

Apport des expériences (Halls A and C)  Extension aux grands Q 2  Séparation des 3 facteurs de forme  Position du nœud de G C (test de la NN force a courte portée)  Accord avec données A= 3 Enseignements physiques  Tests des MEC et modèles relativistes  Description cohérente des noyaux légers  Prédictions p-QCD non confirmées  Approche Nucléon-méson encore valable  Q 2 = 2 (GeV/c) 2  r < 0.5 fm !! Facteurs de forme EM du deuton

Facteurs de forme EM du deuton et A=3, 4 Deuton à grand Q 2 : pQCD ou N-Meson ?? Les difficultés  B(Q) : mesure à 180°  A=2 à qq (GeV/c) 2  cm 2 /sr !  A=3  Q -32

 Mesure d’une déviation à 0, et le rapport minimise plusieurs erreurs (normalisation)  A PV : 1 ppm à 50 ppm (part per million) pour Q 2 = (GeV/c) 2 Contribution des quarks étranges aux FF du nucléon  Quarks de la mer  Facteurs de forme faibles pour décomposition en saveur  A PV = A 0 (SM, s =0) + A S  précision de quelques % sur la mesure ! Diffusion élastique et asymétrie de Violation de Parité Mesure des facteurs de forme faibles    e N    e N   + Z 0 Parité

Quelques enseignements  G s E faible (mais = 0 pour Q 2 =0)  Tendance positive pour G s M  Contredit la plupart des modèles  Contribution à hauteur de 5-10 % au moment magnétique du N (facteur 1/3 !) (Valeurs à 1  Etrangeté dans le nucléon : Résultats pour  S Lattice QCD Vector Meson Dominance Skyrme Kaon Loops QCD equalities, Quark FF … SAMPLE seul SAMPLE + A4 + Happex

Résultats présentés au JLab le 17 Juin Etrangeté dans le nucléon : II

Expériences PV : d’autres aspects de physique Facteur de forme axial   Terme au 1 er ordre (tree-level) : G Z A  Facteur de forme anapolaire F A   Processus d’ordre supérieur, multi-quarks, au niveau du nucléon  R e corrections EW d’ordre supérieur + + D2D2 H2H2 Zhu, et al.

Expériences PV : Mesures de Précision Couplages e-q  PV : couplages A(e).V(N) et V(e).A(N)  SAMPLE et programme futur à JLab  Combinaison C 2i, avec i= u,d et bon accord avec PDG  Mesures en DIS (PR ) à 6 GeV  Amélioration prévue : facteur 8 sur la précision

Test du Modèle Standard  Corrections radiatives Electroweak  sin 2  W varie avec Q   Mesures basses énergies très compétitives  E 158 (Moller), Cs (noyaux), Q weak (proton)  Objectifs Qweak (proton) au Jlab   sin 2  W < ! DIS parity JLab 12 GeV Qweak Expériences PV : Mesures de Précision (II) (Figure : Thèse A. Vacheret-Saclay)