La physique hadronique : un voyage au cœur du nucléon Silvia Niccolai, IPN Orsay JRJC07, 11/12/2007 atome noyau nucléon La sonde électromagnétique Diffusion.

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1 La physique hadronique : un voyage au cœur du nucléon Silvia Niccolai, IPN Orsay JRJC07, 11/12/2007 atome noyau nucléon La sonde électromagnétique Diffusion d’électrons: histoire Distributions de Partons Généralisées (GPDs) Mesures de  G QCD sur réseau

2 Comment arriver au cœur du nucléon? Avec la sonde électromagnétique,  réel ou  virtuel (e - ): pas de structure interne pas d’interaction forte (seul interaction e.m., bien connue) Pouvoir de résolution: λ~1/Q (Q 2 = impulsion transférée) e’ e γ*(Q 2 ) Q Baisse résolution Haute résolution Q 2 ~0.1 GeV Taille proton ~ 10 -15 m Q 2 ≥ 1 GeV Q 2 de plusieurs GeV

3 ee’ pp’  (Q 2 )  1950: Diffusion élastique : ep→e’p’ Diffusion des électrons sur le proton: histoire  (Q 2 )=F(Q 2 )  Mott (Q  ) Le proton n’est pas ponctuel Mesure des distributions de charge et courant du proton (facteurs de forme, F 1 /F 2 ) Q 2 = 0.2 GeV 1955 Prix Nobel 1961 R. Hofstadter

4 Diffusion des électrons sur le proton: histoire  1967: Diffusion profondément inélastique (DIS): ep→e’X Q 2 = 20 GeV  (Q 2 ) ~  Mott (Q   x ee’ X p  (Q 2 ) d  /d  dE’ = d  /d  Mott [W 2 (Q 2, )] Prix Nobel 1990 J. Friedman H. Kendall R. Taylor Il y a des objets ponctuels dans le proton! = 1/x B Découverte des quarks (ou “partons”) Mesure de distributions d’impulsion et spin des partons: q(x),  q(x) Les quarks portent 50% de l’impulsion du proton → GLUONS

5 Expérience EMC du CERN (mais aussi SLAC et DESY) Et le spin du proton? J = ½·  q +  L q +  G → IL FAUT MESURER  L q et  G ! x ee’ X p  (Q 2 )  1989: Diffusion profondément inélastique polarisée: e p →e’ X L’hélicité totale des quarks  q =  u +  d +  s contribue seulement à ~20% du spin du proton. “Crise du spin” où faut-il prendre en compte des autres facteurs?

6 x Facteurs de forme: distributions transverses de charge et de courant Distributions des partons: impulsion longitudinale et spin des quarks Diffusion des électrons sur le proton: aujourd’hui ?

7  H(x,ξ,t)dx = F 1 (t) (  ξ) H(x,0,0) = q(x), H(x,0,0) = Δq(x) ~ x Facteurs de forme: distributions transverses de charge et de courant Distributions des partons: impulsion longitudinale et spin des quarks  E(x,ξ,t)dx = F 2 (t) (  ξ) Diffusion des électrons sur le proton: aujourd’hui GPDs: H, E, H, E corrélation entre les distributions de charge et les distributions des partons ~~ GPDs Processus exclusifs

8 Diffusion des électrons sur le proton: aujourd’hui GPDs: H, E, H, E corrélation entre les distributions de charge et les distributions des partons ~~ Moment angulaire des quarks (règle de somme de Ji) 2J q =  x(H+E)(x,ξ,0)dx “image 3D” du nucléon Présentations: A. Fradi B. Moreno Expériences en cours à: Jefferson Lab (USA) DESY (Allemagne) COMPASS (CERN) Processus exclusifs GPDs

9 Mesures de  G Le gluon est neutre, il ne se couple pas au  échange de quark entre  and g pair qq dans l’état final Fusion gluon-photon Le quark c est trop lourd pour être dans le nucléon → Production de charme ouvert (D 0, cu) Expériences en cours à COMPASS (CERN) Présentation de F. Robinet

10 Et la théorie? QCD: chromodynamique quantique théorie de champs décrivant l’interaction des quarks et des gluons Energies ~ 1 GeV: échelle hadronique → domaine non-perturbatif de la théorie Solution numérique des équations du QCD sur un espace temps discrétisé Calcul de propriétés du nucléon (facteurs de forme, PDF, etc…) et spectroscopie Hautes énergies → petit distances →  s petit → QCD perturbative Présentations de V. Drach et P.-A. Harraud

11 Plan de la session Ahmed Fradi Premières mesures de sections efficaces d’électroproduction du méson  + sur le proton à JLab Brahim Moreno DeltaVCS et Distributions de Partons Généralisées Vincent Drach & Pierre-Antoine Harraud Méthodes de calcul et résultats numériques dans le domaine non perturbatif de la QCD Florent Robinet Mesure de la contribution du spin des gluons au spin du nucléon

12 DVCS: holographie du nucléon A. Belitsky, B. Mueller, NPA711 (2002) 118 holographic plate L’interférence de la lumière de référence avec la lumière reflétée par l’objet donne une image tridimensionnelle de l’objet sur l’écran

13 DVCS: holographie du nucléon A. Belitsky, B. Mueller, NPA711 (2002) 118 detector DVCS: photon émis par le quark qui a interagi avec le photon virtuel Bethe-Heitler: photon émis par l’électron (incident ou diffusé) L’interférence du DVCS avec le Bethe Heitler produit une asymétrie de spin liée aux GPDs

14 Continuous Electron Beam Accelerator Facility Jefferson Laboratory Newport News, USA Hall B E max = 6 GeV CEBAF Large Acceptance Spectrometer Faisceau d’électrons polarisées de haute intensité

15 e’ p Les photons émis a l’avant sont détectés dans un calorimètre EM (IPN Orsay) ep→e’p’   Données prises au printemps 2005 DVCS à CLAS Réaction exclusive: toutes les particules sont détectées

16 Mesurer les GPDs avec la Diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) q(x-ξ) q(x+ξ) p’ p e’ γ e t GPDs(x,ξ,t) γ*(Q 2 ) Q 2 > m p → formalisme du « sac-à-main » Partie « molle » (inconnue): structure du nucléon décrite par les GPDs Partie « dure » (connue): interaction photon-quark et réémission d’un photon réel Réaction exclusive: toutes les particules dans l’état final sont mesurées

17 Résultats: asymétries DVCS Ces asymétries sont comparées aux prédictions de modèles théoriques pour contraindre les GPDs A faisceau ~Im(T DVCS )sin  +… N++N-N++N- N + -N - A faisceau = GPDs (H) These de F.X. Girod e e’ p’  plan leptonique plan hadronique

18 Le futur : DVCS avec cible polarisée Accés à des GPDs différentes ~ Im(T DVCS ) N++N-N++N- N+-N-N+-N- A cible = GPDs (H) ~ But: séparer les GPDs mesure du DVCS avec cible polarisée est aussi nécessaire ~ Re(T DVCS ) (N ++ +N -- )-(N +- +N -+ ) A double = (N ++ +N -- )+(N +- +N -+ ) A cible CLAS PROJECTED Prise de données prévue pour fin 2007 A double CLAS PROJECTED

19 Le futur a long terme: CEBAF à 12 GeV Add new hall CEBAF@12 GeV: grand Q 2, x B Optimal pour l’étude des GPDs dans réactions exclusives : haute intensité bonne résolution de détection grande acceptance et CLAS++ ~2015

20 Conclusions Les premières expériences de diffusion d’électrons nous ont révélé la complexité du nucléon et l’existence des quarks 50 ans après, plusieurs questions sont toujours ouvertes (pour exemple, l’origine du spin du nucléon) Les Distributions de Partons Généralisées, accessibles avec le DVCS, sont un moyen pour élargir notre connaissance de la structure du nucléon et de la dynamique de ses constituants Une vaste programme expérimentale centrée autour des GPDs est en cours a JLab, et poursuivra avec la montée en énergie à 12 GeV

21 Mesurer les GPDs avec la Diffusion Compton profondément virtuelle (DVCS) Q 2 > m p → formalisme du « sac-à-main » x B 2-x B  = 2  – impulsion longitudinale transférée x – fraction d’impulsion longitudinale du quark t – impulsion transverse transférée Partie « molle » (unconnue): structure du nucléon Partie « dure » (connue): Interaction photon-quark x-  x+  p p’ t

22 Some well known facts about the proton Charge: Q p = +1 –It has a neutral partner, the neutron, Q n = 0 Mass: M p ~ 940 MeV/c 2 –Proton + neutron make up 99.9% of the mass of the visible universe Spin: s = ½ћ –Magnetic moment  p  N –Anomalous magnetic moment  a = 1.79  N The exploration of the internal structure of the proton began in the 1950’s with Hofstadter’s experiments. 1950’s: Does the proton have internal structure?

23 structure The nucleon’s shape and complex quark structure beyond longitudinal probability distributions, have become a major focus of hadron physics. JLab’s experiments and theoretical analyses are having a strong impact on these groundbreaking developments, through accurate data on Elastic nucleon form factors ND(1232) transition multipoles (and higher mass N*) Inclusive structure functions and their moments Deeply Virtual Compton scattering Real Compton scattering at high t structure The 12 GeV Upgrade will allow a much broader approach on dissecting the nucleon’s fundamental structure. Today Beyond form factors and quark distributions How are these representations of the proton, form factors and quark distributions, connected? 1950 Does the proton have finite size and structure? Elastic electron-proton scattering  charge and current distribution in the proton, F 1 /F 2 Constituent quarks Elementary quarks (and gluons)  momentum & helicity distributions 1960 What is the internal structure of the proton? We have come a long way in studying the structure of the proton since Hofstadter’s first experiments 50 years ago. QCD is the theoretical framework, and GPDs and the handbag mechanism the tool to study the proton structure in a consistent way.

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25 Electron Scattering as a probe of the Proton Structure e’e’ p e Q p’ elastic vv e’e’ p e Q X inclusive vv e’e’ p e Q p’  exclusive vv Q 2 = -(e-e’) 2 = E e – E e’ x B = Q 2 /2M t = -(p-p’) 2 x B = 1 (for elastic scattering) 1/  Q 2 is spatial sensitivity of virtual 

26 Elastic electron-proton scattering  the proton is not a point-like particle, it has finite size Physics Nobel Prize 1961 R. Hofstadter Proton form factors, transverse charge & current densities Does the Proton have finite size? 1955 d  d  d  /d  n.s. |F(q)| e-e- p e-e- Q p R. Hofstadter

27 Constituent Quark model M. Gell-Mann, 1964 G. Zweig, 1964 The proton is build from three quarks of spin s = 1/2 moving in the s-state (L = 0) and having masses m q ~ 300 MeV. Solely built from the quark spins! Proton mass: Proton spin: !!! Proton spin content: a mystery long thought to be solved !!! Tremendously successful model in description of Hadron mass spectra Magnetic moments e.g., u u d

28 Determine quark momentum distribution f(x). Quarks carry ~ 50% of the proton momentum. What is the internal structure of the proton? => Deep inelastic electron-proton scattering d  /d  dE’ = d  /d  Mott [W 2 (Q 2, )] ep→e ’ X e’e’ p e Q X Nobel prize 1990 J. Friedman H. Kendall R. Taylor Scaling => Quarks are point-like objects! 1968 = 1/x B