Contribution to the G0 experiment on parity violation : calculation and simulation of radiative corrections and background study Hayko Guler Institut de.

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1 Contribution to the G0 experiment on parity violation : calculation and simulation of radiative corrections and background study Hayko Guler Institut de Physique Nucléaire dOrsay Groupe PHASE

2 1. Introduction : From parity violation to strange quarks 2.G0 experiment 3.Electromagnetic radiative corrections 4. Simulations with GEANT 5. Study and calculation of the inelastic background and comparison to experimental datas 6.Conclusion & outlook

3 1.Introduction : de la violation de la parité aux quarks étranges 2.Lexpérience G0 3.Les corrections radiatives électromagnétiques 4.Simulations avec GEANT 5.Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales 6.Conclusion

4 Strange quarks in proton proton gluons Paires de quarks ( u, u ) et ( d, d ) de la mer u u Paires de quarks ( s, s ) de la mer s s Quarks of valence u u d Do strange quarks contribute to proton properties ? Proton mass ( -N scattering ) ~ 30 % Proton spin (D.I.S.) ~ 10 % Contribution of s quarks to charge and magnetic current of proton ?

5 What role do strange quarks play in nucleon properties? u u d u u s s valence quarks non-strange sea (u, u, d, d) quarks strange sea (s, s) quarks proton gluon Spin: Mass: Charge and current: Contribution of s quarks to charge and magnetic current of proton ?

6 Electromagnetic form factor of the nucleon Electric form factor Magnetic form factor Q2Q2 Form factor decomposition over quark flavours Proton Neutron Electric charge of each quark

7 Electromagnetic form factor of the nucleon Electric form factor Magnetic form factor Q2Q2 Form factor decomposition over quark flavors Proton Neutron Isospin Symmetry between proton and neutron quark uquark d ( Violation : ~ 1% )

8 Electromagnetic form factor of the nucleon Electric form factor Magnetic form factor Q2Q2 Form factor decomposition over quark flavors Proton Neutron Electromagnetic interaction : 4 equations and 6 unknowns

9 Weak form factors of nucleon Form factor decomposition over quark flavors Electric weak form factor Pseudo-scalar form factor Magnetic weak form factor Axial form factor Weak charge of each quark ( )

10 Weak form factors of nucleon Form factor decomposition over quark flavors Electric weak form factor Pseudo-scalar form factor Magnetic weak form factor Axial form factor ( ) em. interaction + weak 6 equations et 6 unknown Weak coupling measurement Access to strange quarks If we neglect the axial form factor

11 Weak process extraction of Weak process very small in compare to electromagnetic interaction : at Q² = 1 (GeV/c)², But, weak interaction violate the symmetry of parity Experimental method : electron-proton elastic scattering, with longitudinally polarized electronse, e D p e, e G p

12 Electron-proton scattering cross section e e p p Z0Z0 e e p p + 2 * 2 D/G Z Z 2 2 Z )(M2Reσ MM MMM ++=+ * Parity violation asymmetry calculation

13 Asymmetry can be decomposed as S0 PV AAA Parity violation asymmetry Kinematical parameters : Basic constants : 2 FW G,, sin Asymmetry : deviation from A 0 2 p M 2 p E s A p M s M p M s E p E 2 F S GG GGGGGG 24 QG A

14 Electric and magnetic form factors proton neutron

15 Kinematical domain Forward angles (PVA4, Happex, G0) Backward angles (Sample, G0) Pour G0 : measure at forward angles and backward angles on LH2. AND measure on LD 2 at backward angles. Rosenbluth separation Q 2 = 0.25 (GeV/c) 2

16 1.Introduction : de la violation de la parité aux quarks étranges 2.Lexpérience G0 3.Les corrections radiatives électromagnétiques 4.Simulations avec GEANT 5.Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales 6.Conclusion

17 G0 Experiment Strange form factors separation Q 2 = ( 0.3, 0.5, 0.8 ) (GeV/c) 2 PART 1 : Measurement at forward angles Detect recoil protons between 48 et 77° Q 2 [ 0.16, 1. ] (GeV/c) 2 Liquid hydrogen target PART 2 : Measurement at backward angles Detect electrons ~ 110º Liquid hydrogen target Measure at backward angles Deuterium target

18 G0 experiment at forward angles électrons incidents Cible Collimateurs FP détecteurs Electron beam energy = 3 GeV on 20 cm LH 2 target Detect recoil protons ( ~ 62 - 78 o corresponding to 15 - 5 o electrons) Magnet sorts protons by Q 2 in focal plane detectors Full desired range of Q 2 (0.16 - 1.0 GeV 2 ) obtained in one setting Beam bunches 32 nsec apart (31.25 MHz = 499 MHz/16) Flight time separates p (about 20 ns) and + (about 8 ns)

19 Lexpérience G0 au laboratoire Jefferson Main components : Superconducting toroidal magnet Jefferson Lab. Polarized source ( 40 µA et P = 75 % ) Large acceptance scintillation detector array (0.9 sr) LH 2 (20 cm) target Custom high count rate electronics (2 MHz by detector) Calendar : Design and construction (1993 - 2001) 1 st Commissioning run (October 2002 / January 2003) 2 nd Commissioning run (December 2003 / February 2004) Forward angles detection run (February – April 2004) Backward angles detection run (2005 - 2006)

20 G 0 beam monitoring girder superconducting magnet (SMS) detectors (Ferris wheel) cryogenic supply target service module G 0 installed in Hall C at JLAB

21 Vue générale de G 0 dans le Hall C de JLAB Alimentation cryogénique Détecteurs (Ferris wheel) Module avec cible Moniteur de faisceau G 0 Aimant supraconducteur

22 Detectors G0 made up of 8 sectors or octants (4 French et 4 Nord-American ) One octant made up of 16 detectors One detector = pair of Scintillators in coincidence read by photomultipliors

23 Structure en temps du faisceau YO [START] = 31.25 MHz (499MHz / 16) Helicity is flipped at 30 Hz (every 33 ms) MacroPulse (MPS) : 1 helicity state duration (33 ms) Helicity Flip 500 s Data transfer + + + + MPS Quartet Quartets ( + - - +) or ( - + + - ) randomly distributed

24 DMCH-16x electronic module Discriminators Mean-Timers Time Digital Converter Histogramming 16 channels X pour VXI standard 32 Discriminators 16 Mean-Timers 1/2 Octant 1 DMCH-16X module : 8 detectors EPLD TRIG TDC FIFO DSP Front End DSP VME Lecture Thresholds (Analog 50mV~) Daughter card DFC/MT Histograms over 32ns DFC Droit DFC Gauche Mean Timer Scintillateur Left pm Right pm 250 ps

25 32 photomultipliors entry CFD-MT S-DMCH Flash TDC Front End DSPs DSP Concentrator Module DMCH-16X (IPN/SEP)

26 Time of Flight spectra Pions Inelastic protons Elastic protons 1 4 8 2 3 765 10 12 9 11 14 13 15 16

27 1.Introduction théorique : de la violation de la parité aux quarks étranges 2.Lexpérience G0 3.Les corrections radiatives électromagnétiques 4.Simulations avec GEANT 5.Calcul du bruit de font et comparaison aux données expérimentales 6.Conclusion

28 Energie des électrons incidents Electrons interact with target elements : ionization and external radiative corrections External radiative corrections Incident electron Principal scattering Internal radiative corrections Difference between external radiative corrections and internal radiative corrections Scattered Proton

29 Ionization External radiative corrections Ionization : Energy loss ~ 5 MeV ( 15 MeV) External_RC: Energy loss ~ 40 MeV 3 GeV But more than 95 % of electrons energy loss is smaller than 500 MeV Energy loss

30 Born cross section and experiment TPTP T elas For a fixed angle P : Born cross section onlyExperimentally TPTP T elas T cut 1 2

31 Traitement de la zone 1 Integral calculation : Proton detected : Integration over all directions + Internal Bremsstrahlung diagrams 2

32 Asymmetry calculation in zone 1 Necessity to calculate Z 0 exchange diagrams Electromagnetic interaction Weak interaction + +

33 Traitement de la zone 2 Only the integral of 2nd zone has a physical meaning : Le facteur datténuation est calculé en tenant compte des diagrammes suivants : + 2 2 + Corrections radiatives réelles Émission de photons mous Born Vertex Énergie du vide Corrections radiatives virtuelles (I)(II) (III)

34 Traitement de la zone 2 Trois conditions pour déterminer les coefficients a, b et c Condition intégrale : Continuité de la section efficace en E cut Continuité de la dérivée de la section efficace en E cut La section efficace peut être représentée par un polynôme fonction de lénergie du proton :

35 Interpolation de la section efficace Ne passent plus les collimateurs Difficulté dinterpoler directement la section efficace La section efficace est approchée par des polynômes et les coefficients sont interpolés par des splines dans chaque zone

36 1.Introduction : de la violation de la parité aux quarks étranges 2.Lexpérience G0 3.Les corrections radiatives électromagnétiques 4.Simulations avec GEANT 5.Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales 6.Conclusions

37 Simulations avec GEANT Linformation physique est un temps de vol Laimant, les collimateurs, la position des détecteurs (géométrie) et les pertes dans les différents matériaux traversés sont pris en compte dans la simulation 1)Tirage de la position de la diffusion sur la cible 2)Tirage de lénergie des électrons selon la loi de probabilité 3)Tirage de langle de diffusion du proton de recul 4)Tirage de lénergie du proton de recul 5)Interpolation de la section efficace et de lasymétrie 6)Normalisation (calcul du poids) et suivi de la particule Electron incident Proton de recul p 0 20 cm

38 Méthode à poids Le passage dune section efficace à un taux de comptage est faite par une méthode à poids Toutes les variables sont tirées de façon uniforme Lexpression du poids pour la diffusion e-P dépend du nombre de particules dans létat final : Diffusion élastique (2 particules état final) : Corrections radiatives internes ou réactions inclusives (3 particules état final) :

39 Domaine cinématique

40 Effet sur le temps de vol (1-4) Corrections radiatives Diffusion élastique

41 Effet sur le temps de vol (13-16) Corrections radiatives Diffusion élastique

42 Correction au TOF Coupure à 2 sigma (expérience) Les RC diminuent le TOF Leffet est négligeable ( < résolution expérimentale) Corrections radiatives Diffusion élastique

43 Effet sur le Q 2 (1-4) Corrections radiatives Diffusion élastique

44 Effet sur le temps de vol (13-16) Corrections radiatives Diffusion élastique

45 Correction au Q 2 Coupure à 2 sigma (expérience) Les RC augmentent le Q 2 Leffet est inférieur à 1 % sauf pour le détecteur 14 Q 2 par détecteur Rapport des Q 2 : RC-elas (en %) Corrections radiatives Diffusion élastique

46 Correction à lasymétrie Coupure à 2 sigma (expérience) Les RC augmentent lasymétrie Leffet est inférieur à 1 % sauf pour le détecteur 14 Corrections radiatives Diffusion élastique

47 1.Introduction théorique : de la violation de la parité aux quarks étranges 2.Lexpérience G0 3.Les corrections radiatives électromagnétiques 4.Simulations avec GEANT 5.Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales 6.Conclusion

48 Évaluation des inélastiques Fond polluant : protons inélastiques sous le pic élastique Processus calculés : électroproduction et photoproduction (dans la cible de LH2 uniquement) Pions Protons inélastiques Protons élastiques

49 Générateur délectroproduction Exemple de réaction : e + p e + p + 0 Nous voulons évaluer : Avec : Dominé par Q 2 ~ 0 Tend vers : Facteur cinématique à 3 corps Amplitude de photoproduction : Facteur cinématique à 2 corps Données expérimentales

50 Validité du modèle On se place à une énergie de 650 MeV Facteur de flux 3 calculs différents sont effectués : 1.Un calcul exact avec tous les termes (lagrangien effectif ) 2.Un calcul dans lequel on ne garde que la partie transverse 3.Un calcul dans lequel on prend les données de photoproduction

51 Comparaison à 650 MeV

52 Comparaison de la photoproduction avec lélectroproduction La longueur critique pour laquelle la photoproduction est équivalente à lélectroproduction vaut 0.04 longueur de radiation (Tsai) (cible de 36cm) Dans le cas de G0, la cible est de 20 cm de LH2, de densité 0.07 g/cm 3, soit 0.022 longueur de radiation. Lélectroproduction doit donc dominer la photoproduction

53 Comparaison des sections efficaces Réactions en milieu de cible pour différents angles du proton de recul Électroproduction : e + p e + p + 0 Photoproduction : + p p + 0

54 Comparaison des temps de vols e + p e + p + 0 + p p + 0 ( venant du LH2 + de laluminium) + p p + 0 ( venant du LH2)

55 Comparaison aux données de G0 (1-4) Comparaison aux données du commissionning 6-7 mil. inch de fenêtres daluminium

56 Comparaison aux données de G0 (12-15) Effet des fenêtres daluminium ? On reproduit près de 50 % du bruit de fond Comparaison aux données du commissionning 6-7 mil. inch de fenêtres daluminium

57 Comparaison aux données 12/03 (1-4)

58 Comparaison aux données 12/03 (11-14)

59 1.Introduction : de la violation de la parité aux quarks étranges 2.Lexpérience G0 3.Les corrections radiatives électromagnétiques 4.Simulations avec GEANT 5.Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales 6.Conclusion

60 Conclusion Contributions importantes pour linterprétation future des données expérimentales de lexpérience G0 Calcul complet des corrections radiatives électromagnétiques internes sur le proton Effet des corrections radiatives sur le temps de vol, le Q 2 et lasymétrie Début de simulation du fond polluant résultant des protons inélastiques venant de lhydrogène de la cible Limites actuelles : simulation des fenêtres daluminium, et des polarisations

61

62 Détermination de lénergie de coupure E cut Lintégrale de la section efficace entre E min = 2 MeV et E max = E elas ne doit pas dépendre de E cut

63 Traiter les divergences Propagateur P xi proportionnels à 1/E : divergence infrarouge pour E 0 Deux régimes : Ep E cut et Ep E cut Ep E cut photons durs et intégrale non divergente Ep E cut photons mous et intégrale divergente E cut pas une coupure physique mais est un paramètre calculatoire But : calculer

64 Lever la divergence La divergence nest pas physique mais calculatoire Lintégrale de la section efficace de RC est reliée à Born par un facteur datténuation A A contient les RC virtuelles

65 Interpolation pour Ep E cut Difficulté dinterpoler directement la section efficace On approche la section efficace par des polynômes et on interpole leurs coefficients Interpolation (Lagrange) donne trop derreurs sur la valeur de la section efficace Interpolation par des splines Courbes E elas = f( ) pour des énergies incidentes calculées Courbes E elas = f( ) pour lénergie incidente tirée

66 Interpolation pour Ep E cut Difficulté dinterpoler directement la section efficace On approche la section efficace par des polynômes et on interpole leur coefficients Interpolation (Lagrange) donne trop derreurs sur la valeur de la section efficace Interpolation par des splines

67 Différents tests des DMCH-16X Temps mort : mode NPN (Next Pulse Neutralisation) Position des césures Temps mort des discriminateurs (~32ns) Modes de fonctionnement

68 Comparaison aux données de SOS Avant G0, le spectromètre SOS a permit de tester les modèles théoriques (acceptance proche de G0 et E inc =3.245 GeV) On reproduit 70-80 % des données à 58.6 degrés

69 Comparaison aux données de SOS Avant G0, le spectromètre SOS a permit de tester les modèles théoriques (acceptance proche de G0 et E inc =3.245 GeV) On reproduit 95 % des données a 65.6 degrés

70

71 Calcul du nombre de photons Les électrons rayonnent des photons de Bremsstrahlung dont la distribution en fonction de leur énergie est :

72 Vérification de la méthode à poids Comparaison à la loi réelle (cas particulier dune section efficace analytique ) Vérification de la loi reliant lintégrale de la section efficace de RC à Born (à 2% près ) Comparaison avec les données expérimentales

73 Modèle détrangeté dans le calcul dasymétrie Modèle de Hammer :

74 Q² par détecteur