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Publié parEstelle Brunelle Modifié depuis plus de 8 années
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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
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Introduction : le spin du nucléon
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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 + +
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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
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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'
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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
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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”
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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 !
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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 ?
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L’expérience COMPASS
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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analyses inclusive et semi-inclusive (données 2002-2004)
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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
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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)
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“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
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asym semi-inclusive, d ' h X séparer valence et mer
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Asym difference charge LO:
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Distrib quarks valence polarisé pour x>0.3 mer << valence g 1 d (x) u v (x)+ d v (x)
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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
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Polarisation des gluons
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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
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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
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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 )
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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
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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
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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
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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 :
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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
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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
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Données vs MC Pythia nominal sauf k T = 1 0.5 GeV/c Bon accord pour toutes les variables
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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 :
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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 ||
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Réseau de neurones fractions LO, QCDC, PGF : Monte Carlo vs réseau neurones R MC /R NN R MC & R NN
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Leading hadron Sub-leading hadron Monte Carlo vs données
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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
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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
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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
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G(x) à RHIC Calc. par W.Vogelsang et M.Stratmann “3 sigma” G.Bunce Dubna Spin07
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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
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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
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spares
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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
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L 2005 STAR preliminary Systematic error band Measured Jet P T (GeV)
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Contributions to cross-section (Q 2 <1) Resolved photons
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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
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2006 Improved D 0 peak in 2006 S/B improved by a factor ≈ 2
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L
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