XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Mesure des Distributions Généralisées de Partons DESY – JLab - CERN (i) Pourquoi ? (ii) Comment.

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1 XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Mesure des Distributions Généralisées de Partons GPDs @ DESY – JLab - CERN (i) Pourquoi ? (ii) Comment ? (iii) DVCS (iv) DVMP (v) Méthodes & Techniques (vi) Développements Futurs (vii) Conclusions Eric Voutier Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie Grenoble, France GPDs ?

2 XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Eric Voutier Pourquoi ? (I) Structure du Nucléon D. Müller et al., FP 42 (1994) 101 A.V. Radyushkin, PRD 56 (1997) 5524 X. Ji, PRL 78 (1997) 610 Les GPDs sont des distributions universelles de partons (quarks et gluons) paramétrant la structure du nucléon M. Burkardt, PRD 62 (2000) 071503 M.Diehl, EPJC 25 (2002) 223 GPDs Impulsion longitudinale initiale Impulsion longitudinale transférée au parton Impulsion transférée au nucléon Relié, par conjugaison de Fourier, à la position transverse dans un espace de paramètre dimpact Distribution transverse de résolution 1/Q des partons d impulsion longitudinale x

3 GPDs ? XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Eric Voutier Comment ? (I) Processus Exclusifs Durs X. Ji, J. Osborne, PRD 58 (1998) 094018 J.C. Collins, A. Freund, PRD 59 (1999) 074009 Les éléments clef de létude expérimentale des GPDs sont la luminosité et la résolution GPD(x,,t) Etiquetage de la sonde ( ) Production dune particule supplémentaire (, t) Identification de létat final Exclusivité Factorisation Couplage aux constituants élémentaires (Q 2 >>M 2 ) Séparation des échelles perturbatives et non-perturbatives (-t<<Q 2 ) Dureté

4 Les GPDs peuvent être observées par des réactions exclusives dans le régime de Bjorken GPDs DVCS Diffusion Compton Profondément Virtuelle Diffusion Compton à grand angle (, ) DVCS (processus élémentaire) DVMP (filtre de saveur) Diffusion Compton de genre temps (,l + l - ) Annihilation pp Collisions GPDs DVMP Production de Mésons Profondément Virtuelle GPDs DA Réponse Longitudinale seulement Gluon dur Q 2 >> M 2 -t << Q 2 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Comment ? (II)

5 Les GPDs apparaissent dans les sections efficaces des processus durs sous la forme dune intégrale sur l impulsion longitudinale du quark intermédiaire Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay GPDs Comment ? (III) Facteur de forme Compton

6 Electroproduction de Photons Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay P. Kroll, P.A.M. Guichon, M. Diehl, B. Pire, M. Vanderhaeghen… Les processus DVCS & BH sont indiscernables MAIS lamplitude Bethe-Heitler est calculable et connue à petit t DVCS (I) COMPASS JLab

7 leptonic plane Amplitude Bethe-Heitler Amplitude dinterférence DVCS / Bethe-Heitler Amplitude DVCS Gluons Twist-2 Twist-3 Structure Harmonique du DVCS A.V. Belitsky, D. Müller, A. Kirchner, NPB 629 (2002) 323 e-e- p e-e- * Eric Voutier hadronic plane XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Section Efficace Les c DVCS,I sont des combinaisons linéaires de facteurs de forme Compton, i.e. dintégrales de GPDs DVCS (II)

8 XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Eric Voutier C. Muñoz-Camacho et al., PRL 97 (2006) 262002 DVCS (III) Limportance du processus DVCS est observée à partir des déviations par rapport à un calcul Bethe-Heitler pur Les facteur de forme Compton de lamplitude dinterférence sont extraits en négligeant lamplitude DVCS

9 XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Eric Voutier Asymétrie de Charge Accès direct à lamplitude dinterférence A. Airapetian et al., PRD 75 (2007) 011103 GluonsTwist-2Twist-3 Mesure de lasymétrie relative de charge dont linterprétation en termes de GPDs est rendue plus difficile par la structure harmonique du dénominateur DVCS (IV) Terme en cos( ) Fit global

10 XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Eric Voutier Séparation de type Rosenbluth Projected Data c1, 0 sont des grandeurs cinématiques dépendant de lénergie du faisceau P.Y. Bertin, C. Hyde-Wright, C. Muñoz Camacho, J. Roche et al., JLab Proposal E07-007, 2007 GPDs La variation de lénergie du faisceau, pour un même * et un même t, permet de séparer lamplitude DVCS de lamplitude dinterférence Extraction des termes bilinéaires de lamplitude DVCS DVCS (V) Twist-2 Twist-3

11 XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Eric Voutier Asymmétrie de Spin du Faisceau GPD Les s DVCS,I sont des combinaisons linéaires de GPDs à ± DVCS (VI) Twist-2 Twist-3 C. Muñoz-Camacho et al., PRL 97 (2006) 262002

12 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay DVCS (VII) Asymmétrie de Spin de la Cible Polarisation Longitudinale A. Biselli, K. Joo, L. Elouadrhiri, S. Niccolai et al., JLab Proposal E05-114, 2005 Gluons Twist-2 Twist-3 Accès à un autre facteur de forme Compton, soit une autre combinaison linéaire de GPDs

13 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay DVCS (VIII) Asymmétrie de Spin de la Cible Polarisation Transverse F. Ellinghaus et al., EPJ C46 (2006) 729 Z. Ye, Doctorat Thesis, Hamburg (2006) M. Diehl, S. Sapeta, EPJC 41 (2005) 515

14 Le Neutron & les GPDs Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay DVCS (IX) Asymmétrie de Spin du Faisceau Asymmétrie de Spin de la Cible ( Polarisation Longitudinale ) Asymmétrie de Spin de la Cible ( Polarisation Parallèle ) Asymmétrie de Spin de la Cible ( Polarisation Perpendiculaire )

15 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay DVCS (X) La contribution des quarks au moment angulaire du proton dans le cadre dune interprétation dépendante de modèle… Complémentarité du Neutron M. Mazouz et al., ArXiv:nucl-ex/0709.0450 Les mesures sur le neutron sont sensibles à J d (quark u dans le neutron) Les mesures sur le proton sont sensibles à J u (quark u dans le proton) u d

16 Electroproduction de Mésons Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay La production dure de mésons agit comme un filtre de GPDs et de saveur selon la nature et le contenu partonique du méson K. Goeke, M.V. Ployakov, M. Vanderhaeghen, PPNP 47 (2001) 401 DVMP (I) … ω, η, a i, f i, b 1 … Méson Scalaire Méson Vecteur GPDs

17 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay DVMP (II) Observables Expérimentales Seule la composante longitudinale de la section efficace est reliée aux GPDs Méson VecteurMéson Scalaire Pas déquivalent BH M. Diehl, PR 388 (2003) 41 Asymmétrie de Spin de la Cible ( Polarisation Perpendiculaire ) Section Efficace

18 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay DVMP (III) Contribution au Moment Angulaire La distribution angulaire des produits de désintégration est sensible à la polarisation du méson 2J u +J d 2J u -J d Lasymétrie de spin transverse de la cible en production de mésons vecteurs est une observable primordiale pour la chasse au moment orbital des quarks

19 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Méthodes & Techniques (I) Exclusivité Expérimentale Hall A @ JLab = 9 MeV p-DVCS et n-DVCS @ 5.75 GeV Triple coincidence (e,e p) Lidentification des processus tire avantage dune très grande résolution sur lélectron (HRS) et dune très bonne résolution sur le photon DVCS en Double Coïncidence (e,e ) + DVMP 0 Contamination restante < 3 %

20 0 0 M (GeV) = 7.5 MeV Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Méthodes & Techniques (II) Hall B @ JLab DVCS en Triple Coïncidence (e,e p) + DVMP 0,, Lélectron est détecté dans CLAS et le photon dans un calorimètre additionnel à petit angle Très Bonne Résolution

21 + détecteur spécifique pour les particules de recul Amélioration de l exclusivité DVCS et DVMP en Triple+ Coïncidence HERMES @ DESY Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Méthodes & Techniques (III) 27 GeV e ±

22 Eric Voutier Méthodes & Techniques (IV) XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Luminosité & Détection La physique des GPDs requière des expériences de grande luminosité, en vue directe de la cible, à petits angles et distances, dans un environnement hostile 4.10 37 cm -2.s -1 /nucleon (Hall A) 2.10 34 cm -2.s -1 /nucleon (Hall B) Bruit de Fond Blindage Magnétique Champ solénoïdal pour le confinement des électrons Møller e e p γ

23 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Méthodes & Techniques (V) Echantillonnage du Signal Une coïncidence e gèle un Analog Ring Sampler et déclenche lenregistrement du signal sous forme de 128 échantillons dune durée de 1 ns Hors-ligne, une analyse de forme du signal permet résoudre lempilement des signaux séparés dau moins 5 ns Trigger Rapide Lenregistrement dun groupe de 4 blocks adjacents est autorisé lorsque lénergie déposée excède un certain seuil ajustable

24 μ p μ Eric Voutier Développements Futurs (I) XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay COMPASS @ CERN Amélioration de la calorimétrie à grand angle Exclusivité Construction dune cible de 2.5 m LH 2 / LD 2 Luminosité 200 GeV ± Implantation dun détecteur de recul Exclusivité

25 CLAS12 @ JLab Eric Voutier Développements Futurs (II) XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Un nouveau et similaire détecteur pour JLab 12 GeV Initiative européenne autour du détecteur central Saclay, IPNO, LPSC, LPC, Glasgow, Gènes, Rome, Frascati Détecteur de neutres Mesure de temps de vol Micromegas cylindrique en champ fort R & D … Détecteur de vertex Scintillateurs ToF Calorimètre

26 Résumé Eric Voutier Conclusions (I) XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay DVCS & DVMP Proton & Neutron Polarisation du Faisceau & de la Cible Charge du Faisceau Grand nombre dobservables pour séparer les GPDs en nature et en saveur Lexploration des GPDs est en marche ! Les principes & méthodes expérimentales ont été validées Les techniques sont en cours damélioration et dadaptation aux enjeux des prochaines expériences

27 Eric Voutier Perspectives Conclusions (II) XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay xBxB DDVCS e *-> e *-> el + l - Un détecteur de muons pour CLAS12 ? Observables de polarisation Polarimétres de recul ? DVCS sur les noyaux Structure en partons de la matiere nucleaire ? Δ-DVCS, DVSP… à suivre …

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29 Forward Calorimeter Forward Cerenkov (LTCC) Beamline Instrumentation Preshower Calorimeter Forward Drift Chambers Inner Cerenkov (HTCC) Superconducting Torus Magnet Central Detector * Reused detectors from CLAS Inner Calorimeter XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Développements Futurs Eric Voutier Forward Time-of-Flight Detectors CLAS12

30 C EBAF H igh I ntensity P ositron S ource Eric Voutier Développements Futurs XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay P. Perez, A. Rosowsky, NIM A532 (2004) 523 M.A. Gagliardi, A.W. Hunt, NIM B245 (2006) 355 J. Dumas, Master Thesis, UJF Grenoble (2007) Epaisseur Equivalente (mm) N(e + /10 7 e - )/W Incidence 90° Incidence 3° Production e + à partir dun faisceau e - de quelques MeV 10 MeV / 10 mA e - 100 nA e +

31 Eric Voutier XXIV ème Journées Thématiques8 Octobre 2007, IPN Orsay Spectroscopie par Annihilation de Positrons Développements Futurs Le mouvement des électrons atomiques induit une distorsion Dopler de lénergie des émis par annihilation e + e - et une déviation angulaire par rapport à la colinéarité des Etude de la surface et de la puret é d un mat é riau