Contribution à lexpérience G0 de violation de la parité : calcul et simulation des corrections radiatives et étude du bruit de fond Hayko Guler Institut.

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1 Contribution à lexpérience G0 de violation de la parité : calcul et simulation des corrections radiatives et étude du bruit de fond Hayko Guler Institut de Physique Nucléaire dOrsay Groupe PHASE Thèse de luniversité de Paris Sud

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

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 Des quarks étranges dans le 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 de valence u u d Les quarks étranges contribuent-ils aux propriétés du proton ? Masse du proton (diffusion -N) ~ 30 % Spin du proton (D.I.S.) ~ 10 % Contributions des quarks s à la charge et au courant magnétique ?

5 Facteurs de forme électromagnétiques du nucléon Facteur de forme électrique Facteur de forme magnétique Q2Q2 Q 2 est le quadri-moment transféré au proton Décomposition des facteurs de forme sur les saveurs des quarks Proton Neutron Charges électriques des différents quarks

6 Facteurs de forme électromagnétiques du nucléon Décomposition des facteurs de forme sur les saveurs des quarks Proton Neutron Facteur de forme électrique Facteur de forme magnétique Q2Q2 Q 2 est le quadri-moment transféré au proton Symétrie disospin entre proton et neutron quark uquark d ( Violation : ~ 1% )

7 Facteurs de forme électromagnétiques du nucléon Décomposition des facteurs de forme sur les saveurs des quarks Proton Neutron Facteur de forme électrique Facteur de forme magnétique Q2Q2 Q 2 est le quadri-moment transféré au proton Interaction électromagnétique : 4 équations et 6 inconnues

8 Facteurs de forme faibles du nucléon Décomposition des facteurs de forme sur les saveurs des quarks Facteur de forme faible électrique Facteur de forme pseudo-scalaire Facteur de forme faible magnétique Facteur de forme axial Charges faibles des différents quarks ( )

9 Facteurs de forme faibles du nucléon Décomposition des facteurs de forme sur les saveurs des quarks Facteur de forme faible électrique Facteur de forme pseudo-scalaire Facteur de forme faible magnétique Facteur de forme axial Interaction em. + faible 6 équations et 6 inconnues Mesure du couplage faible Accès aux quarks étranges ( ) Si on ne tient pas compte de la partie axiale

10 Extraction du processus faible Processus faible très petit devant linteraction électromagnétique Or linteraction faible viole la symétrie de parité Méthode expérimentale : diffusion élastique, sur les protons, délectrons polarisés longitudinalement e, e D p e,e G p

11 Section efficace de diffusion électron-proton e e p p Z0Z0 e e p p + 2 * 2 D/G Z Z 2 2 Z )(M2Reσ MM MMM ++=+ * Calcul de lasymétrie de violation de la parité

12 Lasymétrie peut se décomposer en S0 PV AAA Lasymétrie de violation de la parité Paramètres cinématiques : Constantes fondamentales 2 FW G,, sin Asymétrie recherchée : déviation par rapport à 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

13 Facteurs de forme électriques et magnétiques proton neutron

14 Domaines cinématiques Angles avants (PVA4, Happex, G0) Angles arrières (Sample, G0) Pour G0 : mesure angles avants et angles arrières sur LH2. Puis mesure sur LD 2 Aux angles arrières. Separation de Rosenbluth A Q 2 = 0.25 (GeV/c) 2

15 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

16 Expérience G0 Séparation des facteurs de forme étranges Q 2 = ( 0.3, 0.5, 0.8 ) (GeV/c) 2 PHASE 1 : Mesure aux angles avants : proton détecté entre 48 et 77 degrés Q 2 [ 0.16, 1. ] (GeV/c) 2 Cible dhydrogène liquide PHASE 2 : Mesure aux angles arrières : électron détecté ~ 110º Cible dhydrogène liquide Mesure aux angles arrières Cible de deutérium

17 Energie du faisceau délectrons = 3 GeV sur 20 cm cible LH 2 Détection des protons de recul : ( ~ 48 ° – 77 ° ) ~ (23 ° – 5 ° ) électrons Laimant : conçu pour que les FPD couvrent des zones iso-Q 2 Une seule prise de données couvre : Q 2 (0.16 - 1.0 (GeV/c) 2 ) Séparation par Temps de Vol : p (~ 20 ns) et + (~ 8 ns) Expérience G0 : Phase aux angles avant électrons incidents Cible Collimateurs FP détecteurs

18 Lexpérience G0 au laboratoire Jefferson Les différents éléments : Aimant supraconducteur toroïdal Source polarisée de Jefferson Lab. ( 40 µA et P = 75% ) Spectromètre de grande acceptance (0.9 sr) Cible de LH 2 (20 cm) Electroniques pour traiter des grands taux de comptage (2 MHz par détecteur) Les différentes étapes : Conception et construction (1993 - 2001) 1 er Commissioning (oct. 2002/jan. 2003) 2 eme commissioning (déc. 2003 /fév. 2004) Donnés aux angles avant (fév. –avril 2004) Données aux angles arrières (2005 - 2006)

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

20 Les Détecteurs G0 est constitué de 8 secteurs ou octants (4 français et 4 nord-américains ) Un octant contient 16 détecteurs Un détecteur élémentaire = paire de scintillateurs en coïncidence lus par des photomultiplicateurs

21 Structure en temps du faisceau YO [START] = 31.25 MHz (499MHz / 16) Hélicité renversée toutes les 33ms (30 Hz) MacroPulse (MPS) : durée dun état dhélicité (33ms) Renversement de lhélicité 500 s Transfert des données + + + + MPS Quartet Quartets ( + - - +) ou ( - + + - ) distribués aléatoirement

22 Modules délectronique DMCH-16x Discriminators Mean-Timers Time Digital Converter Histogramming 16 channels X pour VXI standard 32 Discriminateurs 16 Mean-Timers 1/2 Octant 1 carte DMCH-16X : 8 détecteurs EPLD TRIG TDC FIFO DSP Front End DSP VME Lecture Seuils (Analog 50mV~) Carte fille DFC/MT Histogrammes sur 32ns DFC Droit DFC Gauche Mean Timer Scintillateur pm gauche pm droit 250 ps

23 32 Entrées des photomultiplicateurs 16 cartes filles avec 1 moyenneur de temps et 2 discriminateurs Processeur frontal échelles Codeur de temps Processeurs frontaux histogrammation Gestionnaire VXI Processeur concentrateur Logique de coïncidence Module DMCH-16X (IPN/SEP)

24 Spectres en temps de vol Pions Protons inélastiques Protons élastiques 1 4 8 2 3 765 10 12 9 11 14 13 15 16

25 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

26 Energie des électrons incidents Les électrons interagissent avec les matériaux de la cible : ionisation et corrections radiatives externes Corrections radiatives externes Electron incident Diffusion principale Correction radiative interne Distinction entre corrections radiatives externes et corrections radiatives internes

27 Ionisation Corrections radiatives externes Ionisation : perte dénergie ~ 5 MeV ( 15 MeV) RC-externes : perte dénergie ~ 40 MeV 3 GeV mais plus de 95 % des électrons perdent moins de 500 MeV Perte dénergie

28 Section efficace de Born et expérience TPTP T elas Pour un angle P fixé : Section efficace de Born seuleExpérimentalement TPTP T elas T cut 1 2

29 Traitement de la zone 1 Calcul de lintégrale : Proton détecté : on intègre sur toutes les directions du + Diagrammes de Bremsstrahlung interne 2

30 Calcul de lasymétrie dans la zone 1 Nécessité de calculer les diagrammes avec échange du Z 0 Interaction électromagnétique Interaction faible + +

31 Traitement de la zone 2 Seule lintégrale de la zone 2 a un sens physique 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)

32 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

33 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 interpolés, par des splines, dans chaque zone

34 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

35 Simulations avec GEANT Linformation physique est un temps de vol Laimant, les collimateurs, la position des détecteurs (géométrie), 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 de 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 6)Normalisation (calcul du poids) et suivi de la particule Electron incident Proton de recul p 0 20 cm

36 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) :

37 Domaine cinématique

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

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

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

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

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

43 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

44 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

45 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

46 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

47 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

48 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

49 Comparaison à 650 MeV

50 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.

51 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

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

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

54 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

55 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

56 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

57 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

58 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

59 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

60 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

61 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

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

63 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

64 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

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

67 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