Dispositif expérimental pour la Diffusion Compton Virtuelle dans le Régime profondément inélastique Dans le Hall A au Jefferson Laboratory.

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1 Dispositif expérimental pour la Diffusion Compton Virtuelle dans le Régime profondément inélastique Dans le Hall A au Jefferson Laboratory

2 Réaction exclusive : production d’un photon réel à partir d’un photon virtuel k’ k q q’ p’ p 

3 Théorème de Factorisation (Collins et al 1998) Premier moment Deuxieme moment Limite vers l’avant Radyushkin(1996) Ji(1996) Distribution de partons généralisées

4 Section efficace 2.10 -34 cm 2 GeV srd -2 de l’ordre du nanobarn 2 2 

5 DESY HERA H1 ZEUS 27.6 GeV electrons on 820 GeV dans le secteur des gluons HERMES Gas target Jefferson Laboratory Hall B CLAS Secteur des quarks de valence Mesure de l’asymétrie DVCS

6 Observation of exclusive DVCS in polarized electron beam symmetry measurements. S.Stepanyan CLAS collaboration 2001 Phys.Rev.Letter 87

7 Measurement of the beam spin azimutal asymmetry associated with deeply virtual compton scattering A.Airapetian Hermes collaboration 2001 Phys.Rev.Letter 87

8 DVCS associé ep e  différence de 135 MeV Bethe Heitler associé Nécessite d’assurer l’exclusivité ou d’avoir une resolution suffisante pour bien séparer les événements DVCS exclusifs 2 + +

9 Deep  0 production   qui peut être confondu avec un photon si un des photons de désintégration n’est pas détecté   P.A.M. GuichonP.A.M. Guichon, M. Vanderhaeghen (DAPNIA, Saclay),. M. VanderhaeghenDAPNIA, Saclay Prog.Part.Nucl.Phys. 41:125-190,1998 VIRTUAL COMPTON SCATTERING OFF THE NUCLEON 10 -1 1 10 10 2 10 3 10 4

10 –Deep inelastic scattering : section efficace de l’ordre du nanobarn –Réaction exclusive Nécessité de rejeter les autres réactions et donc de bien vérifier l’exclusivité –Mesure de sections efficaces au lieu d’asymétries pour une extraction directe des GPDs Grande statistique Bonne connaissances des détecteurs

11 Jefferson Laboratory Hall A Spectromètre Calorimètre Détecteur de proton de recul Résolution de 10 -4 en impulsion et adapté à la mesure de sections efficaces Haute luminosité Exclusivité Résolution en énergie et position

12 Cinématiq ue Angle électron Angle Calorimètre Q2Q2 IAIA 115.5822.292.322.5 219.3218.251.912.5 323.9114.81.52.5 419.3218.251.914 5.75 GeV x bj =0.36 Faisceau polarisé 77% LH 2 LD 2

13 x bj

14 Courant jusqu’à 100  A

15 Spectromètre a haute résolution  p/p = 4.5% avec un résolution de 10 -4 d  mr d   mr Luminosité de 10 37 cm -2 s -1

16 20x5 = 100 blocks EJ-200 Azimutal coverage 270 degrees Polar coverage 18 to 38 degrees 60 cm from the target 0.7 msrd module Photonis XP2972 PMT signal from proton array XP2972 FWHM 20 ns Rise time 7 ns

17 11x12 = 132 blocks 3cmx3cmx18.6cm located at 110 cm from the target 1msrd per block PMT R7700 Hammamatsu 8 stages Typical gain : 10 4 Rise time 2 ns width 6ns Lead fluoride properties density 7.77 g.cm 3 X 0 =0.93 cm length=20X 0 Moliere radius = 2.2 cm Pure Cerenkov : fast pulse, less sensitive to hadronic background 1 Photoelectron per MeV, Resolution 4.2GeV : 2.7 % Angular resolution : Horizontal 1.3 mrad Vertical 1.8 mrad Radiation hard

18 faisceau

19 Utilisation d’un spectromètre à petite acceptance nécessite de prendre des données a une haute luminosité : 10 37 cm 2 s -1 avec des détecteurs a grande acceptance en vue directe de la cible –Taux simples élevés dans les détecteurs –Possibilité d’empilement –Bruit : particules de basse énergie

20 Taux en Hz Courant 3  A 0.001sr = 1 bloc calorimètre

21 Courant 3  A 0.001sr = 1 bloc calorimètre degrés Taux en Hz 108 107 106 105 104 103 102 101 10 T>100 MeV T>10 MeV Detecteur de Proton Calorimètre

22 Rate in Hz

23 t en ns

24 PMT with high voltage x8 To DAQ x1 Anode current monitoring 10K 

25 Scattering chamber acts as shielding 1 cm Al Exit beam pipe widening to reduce secondary reactions 15 cm 5 cm beam dump Beam LH 2 target

26

27 Système d’échantillonnage pour résoudre l’empilement Nécessite d’un trigger en coïncidence et d’une sélection des voies pour réduire la quantité de données

28 Module construit par le LPC Clermont-Ferrand base sur le circuit ARS0 du CEA Saclay Système de mémoire analogique capacitive permet d’enregistrer 128 ns de signal Information en amplitude et en temps Signal échantillonné en continu a 1 GHz

29 Trigger l’échantillonnage s’arrête et l’information des 128 ns est conservée sous forme analogique par la charge portée sur chaque condensateurs Signal de lecture Un deuxième signal peut alors déclencher l’extraction : la charge de chaque condensateur est encodée séquentiellement à 1MHz Sinon le module se réinitialise ce qui permet de limiter le temps mort du a la numérisation des données

30 S1 Détecteur Cerenkov a Gaz S2 Trigger spectromètre Stoppe les ARS

31

32 Génération du signal de trigger photon : lecture de toutes les voies calcul des sommes en 440 ns 132 Signaux du calorimètre Vers acquisition Validation Réinitialisation Field Programmable Gate Array Trigger spectromètre FPGA Tours à lire FPGA

33 Trigger Mot de contrôle CPU VME Calorimètre Récupère le mot de contrôle donne les tours à lire détermine les voies à lire correspondante lit les voies de modules ARS interface multiplexe vers le bus VME de l’électronique du proton CPU VME détecteur de proton Récupère le mot de contrôle donne les tours à lire détermine les voies à lire correspondante lit les voies de modules ARS

34 Deep inelastic : taux électrons modérés, coincïdences permettent une bonne réduction du bruit de fond Cinématique Trigger spectromètre Taux coincidences Taux acquisition Données En Mo/s Temps mort 12250Hz117Hz70Hz1.540% 2734Hz52Hz38Hz1.227% 2734Hz56Hz50Hz0.510% 3460Hz25Hz21Hz0.614% 42400Hz193HZ122Hz2.137%

35 Nous utilisons le système d’échantillonnage pour déterminer si un empilement a eu lieu

36 La méthode utilisée est un fit linéaire avec un certain de nombre de signaux translates dans une fenêtre en temps. La référence est sous forme d’un tableau S de 128 entiers On appellera S t l’échantillon t. De même, les données sont enregistrées sous la forme d’un tableau, on notera A t l’échantillon correspondant a a l’échantillon t

37 Dans le cas de 2 pulses le signal est ajusté en minimisant le  des paramètres a 1, a 2 et b pour t1 et t2 donnes : Pour t 1 et t 2 donnés Nombre de minimisations :

38 Algorithme

39 Les deux pulses sont déplacés dans le temps et la procédure de fit est effectuée a chaque itération

40 0128ns 0 0 Signal expérimental Formes de références ajustées

41 Ne dépend que de la forme de référence Minimisation Varie événement par événement

42 Temps CPU12.8 heures Nb événements70 000 Nb événement par s 0.65 Hz Nb voies109 Nb de signaux par seconde 71 Hz Rapport 2 pulses sur 1 pulse calorimètre 3% Rapport 2 pulses sur 1 pulse PA 30% 3 eme cinematique : 255 runs Pentium III 1 GHz

43 APPLICATION OF NEURAL NETWORKS AND CELLULAR AUTOMATA TO INTERPRETATION OF CALORIMETER DATA. V. Breton et al. Nucl.Instrum.Meth.A362: 478-486,1995 75 1025300 10015030 4032575 100956 1025 Automate cellulaire

44 Calibration du calorimètre avec la diffusion élastique

45 Spectre de coïncidence spectromètre et calorimètre Le sigma est de 0.7 ns

46 Réaction intéressante pour calibrer le calorimètre Nécessite de soustraire la contribution des  0 Potentiellement permet d’accéder a une autre combinaison linéaire de GPDs

47 Masse invariante des 2  en GeV

48 Temps d’arrivée cluster 1 en ns Temps d’arrivée cluster 2 en ns

49 Masse invariante des 2  en GeV Coupures 1.Bords du calorimètre 2.Énergie des photons 3.Temps de coïncidence 4.Acceptance du spectromètre 5.Masse invariante

50 Masse manquante carrée en GeV 2 Seuil a 2 pions

51 Masse manquante carrée en GeV 2  0 exclusifs  0 expérimentaux Somme   +  

52 Section efficace de photoproduction de pions Intégration sur toutes les hélicités Intégration sur  avec calorimètre symétrisé par rapport au photon virtuel Terme TL mesure 10 -1 1 10 10 2 10 3 10 4

53 e

54 Nous avons montre qu’il était possible d’utiliser des détecteurs pour la mesure du DVCS a une haute luminosité de 10 37 cm -2 s -1 grâce : A la réduction du bruit de fond A la réduction et monitorage du gain et du courant d’anode des PMT Utilisation d’un trigger et d’une électronique dédiée associée a une méthode d’analyse en forme Nous avons extrait la section efficace d’électroproduction de  0 Q 2 =2.32 et s=5.6 GeV 2

55 Le formalisme des GPDs est riche car il donne une information spatiale supplémentaire par rapport au distribution de partons ordinaires. Leur mesures sont pour l’instant le seul accès possible au moment orbital des quarks. De nombreuses mesures devront être faites pour déterminer chacune des GPDs. Cela constitue un vaste programme d’expérience dans le monde comme au CERN avec Compass, a DESY avec HERMES, H1 et ZEUS et a Jefferson Laboratory puisque les GPDs sont un des grands axes moteur de l’upgrade a 12 GeV