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Groupe Structure du nucléon & QCD

Giens , 03/04/2012. Groupe Structure du nucléon & QCD. resolution de la sonde. π. N. resolution de la sonde. π. N. LQCD/DSE. Quels sont les degrés de liberté et les symétries appropriés selon l’échelle de la sonde ?. Comment les propriétés des états liés émergent

dinesh
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Presentation Transcript

  1. Giens, 03/04/2012 Groupe Structure du nucléon & QCD

  2. resolution de la sonde π N

  3. resolution de la sonde π N LQCD/DSE

  4. Quelssont les degrés de liberté et les symétriesappropriésselonl’échelle de la sonde ? Comment les propriétés des étatsliésémergent à partir des interactions fondamentales ? Quelleestl’origine de la masse et du spin du nucléon(hadrons) ? Proton = u + u + d Masse.938 = 0.003 + 0.003 + 0.003 Spin½ = DS(~20%) + DG(~0% ?) + Lq (?) Comment peut-on “voir” les quarks(quark-gluon structure)? Quelest le rôle des gluons ? Existe-t’il des étatshadroniques non-standards (hybrides, “glueballs”,…) ? La QCD perturbative ne répond pas à toutesces questions !

  5. y z x Petit lexique epaeX (DIS) (Parton Distribution Functions: PDF)

  6. y z y x z x Petit lexique ep a eX (DIS) (Parton Distribution Functions: PDF) epaep (élastique) (FormFactors: FFs)

  7. y z y x z x Petit lexique ep a eX (DIS) (Parton Distribution Functions: PDF) epaep (FormFactors: FFs) pp ae+e-

  8. z x y z y x z x Petit lexique ep a eX (DIS) (Parton Distribution Functions: PDF) epaep (FormFactors: FFs) pp ae+e- ep a epg (DVCS) (Generalized Parton Distributions: GPDs)

  9. z x y z y x z x Petit lexique ep a eX (DIS) (Parton Distribution Functions: PDF) epaep (FormFactors: FFs) pp ae+e- ep a epg pp age+e- (Generalized Parton Distributions: GPDs)

  10. Petit lexique epaepX (SIDIS) z (Transverse Momentum DependentPDFs: TMDs) x

  11. Petit lexique (Fragmentation Functions: ffs) epaepX (SIDIS) z (Transverse Momentum DependentPDFs: TMDs) x

  12. Petit lexique (Fragmentation Functions: ffs) epaepX (SIDIS) z (Transverse Momentum DependentPDFs: TMDs) x epaepp0 (DVMP) z x (Transition Distribution Amplitudes: TDAs)

  13. Petit lexique (Fragmentation Functions: ffs) epaepX (SIDIS) z (Transverse Momentum DependentPDFs: TMDs) x epaepp0 pp ag*p0 z x (Transition Distribution Amplitudes: TDAs)

  14. Standard Parton Distributions Elastic Form Factors Ji’s sum rule 2Jq =  x(H+E)(x,ξ,0)dx x x (nucleon spin)  H(x,ξ,t)dx = F(t)( ξ) H(x,0,0) = q(x), H(x,0,0) = Δq(x) ~ t γ, π, ρ, ω… -2ξ Large Q2 Small t x+ξ x-ξ ~ ~ H, H, E, E (x,ξ,t)

  15. Les projets Français pour les 10 prochaines années Structure du nucléon Les GPDs JLab: e@12GeV Les TDAs 4 IPNO +1 (LPSC) 5 SPhN Les GPDs COMPASS II: m@160GeV Les PDFs (étranges) 9 SPhN Les ffs Les TMDs Les FFs PANDA: p@1.5-15GeV Les GPDs 6 IPNO, 1 LPC, 1 SPhN Les TDAs

  16. Les projets Français pour les 10 prochaines années Physique diffractive et saturation au LHC Les PDFs gluons/ saturation ALICE: p/Pb-Pb@~TeV 2 IPNO + 1 SPhN + autres labos ALICE) AFP: p-p@~TeV Physique diffractive 2 SPP

  17. Les projets Français pour les 10 prochaines années Structure du nucléon Les GPDs JLab: e@12GeV Les TDAs 4 IPNO +1 (LPSC) 5 SPhN Les GPDs COMPASS II: m@160GeV Les PDFs (étranges) 9 SPhN Les ffs Les TMDs Les FFs PANDA: p@1.5-15GeV Les GPDs 6 IPNO, 1 LPC, 1 SPhN Les TDAs

  18. y Hu(x,b ) z x x (GeV-1) b Les GPDs ou la tomographie du nucléon

  19. epepg Les extractions de GPD actuelles à partir du DVCS t γ x~xB ~ ~ H, H, E, E (x,ξ,t) La pente en t reflète la taille de l’objet sondé (transf. Fourier) Les quarks de la mer(petits x) s’étendent à la périphérie du nucléon alors que les quarks de la valence(grands x) sont au centre La charge axiale(~Him) est plus « concentrée » que la charge électromagnétique(~Him) ? ~

  20. E=27 GeV E=160 GeV E=27 GeV COMPASS HERMES

  21. epepg JLab12GeV • Collabinternationales aux USA • Hall A & CLAS: ~120 personnes, ~10 pays • Programmes GPDs portés par les français Electron diffusé Faisceaud’électronspolarisés • Hall A • CLAS LH2 / LD2 target g Véto Particule chargée N Calorimètreélectromagnétique Nucléon de recul L~1038cm-2s-1 L~1035cm-2s-1

  22. Simulations Hall A@12GeV Etude de la loi d’échelle en Q2 Validation du formalisme des GPDs 90jours de faisceau DVCS L~1038cm-2s-1

  23. Simulations CLAS@12GeV 90jours de faisceau DVCS L~1035cm-2s-1 Prise de données à partir de 2015 ~400 bins(xB,Q2,t) Première tomographie du nucléon précise dans la région de valence

  24. JLab12GeV Les projets techniques: Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME

  25. JLab12GeV Les projets techniques: Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO): ~350kE

  26. JLab12GeV Les projets techniques: Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO): ~350kE Upgrade du calorimètre DVCS et du polarimètre Comptondu Hall A (LPC): ~500kE (projet déjà accompli)

  27. Mars 2012 JLab12GeV Les projets techniques: Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO): ~350kE Upgrade du calorimètre DVCS et du polarimètre Comptondu Hall A (LPC): ~500kE (projet déjà accompli) Une source polarisée de positrons (1 physicien) (Peppo: expérience de démonstration du principe de production de positrons polarisés à partir d’électrons polarisés (LPSC,LAL): application: SuperB,…) Si faisabilité démontrée, contribution à demander à l’IN2P3

  28. JLab12GeV Les projets techniques: Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO) : ~350kE Upgrade du calorimètre DVCS et du polarimètre Comptondu Hall A (LPC): ~500kE (projet déjà accompli) Une source polarisée de positrons (1 physicien) Les expériences (avec porte-parole français) approuvées (« rated A ») E12-06-114 (DVCS proton faisceau polarisé, Hall A) E12-06-119 (DVCS proton faisceau polarisé, Hall B), E12-11-003 (DVCS neutron faisceau polarisé, Hall B) En préparation/approuvées conditionnellement: DVCS proton cible polarisée transverse, TCS proton faisceau polarisé, f exclusive electroproduction & « gluon imaging » (CLAS), exclusive favec BigByte(Hall A)

  29. Les projets Français pour les 10 prochaines années Structure du nucléon Les GPDs JLab: e@12GeV Les TDAs 4 IPNO +1 (LPSC) 5 SPhN Les GPDs COMPASS II: m@160GeV Les PDFs (étranges) 9 SPhN Les ffs Les TMDs Les FFs PANDA: p@1.5-15GeV Les GPDs 6 IPNO, 1 LPC, 1 SPhN Les TDAs

  30. Collabeuropéenne au CERN • 220 personnes, 12 pays • Porte-parole français • Programmes GPDs et SIDIS portés par les français COMPASS-II Faisceau de Muons de 160 GeV Mesure de DG pour l’étude du spin du nucléon fut un des objectifs majeurs de COMPASS COMPASS-II approuvé pour au moins 5 années: - 2012: 1ers tests du DVCS - 2014: Drell -Yan  étude des TMDs - 2015-16: DVCS, DVMP, SIDIS  étude des GPDs, des PDFs et ffs étranges μ’ SM2 ECAL2 SM1 ECAL1 Nombreux trackers dont des Micromegas et des grandes chambres à dérives construites par l’Irfu μ

  31. COMPASS-II • 2012 et 2015-16: DVCS mp->m’p’g • Contributions techniques: ~750 kE • Nouvelles Micromegasavec une région centrale pixellisée • et une résistance accrue aux décharges • - Réalisation du monitoring de ECAL1 • - Réalisation d’un détecteur de protons de recul CAMERA • (IRFU Maitre d’œuvre – avec l’Allemagne et la Pologne)Prêt pour le 1er Sept 2012 Nouvelles Micromegas Pixellisées  μ’ CAMERA SM2 ECAL2 SM1 ECAL1 p’ μ ECAL0

  32. Tomographie du nucléon à COMPASS d DVCS/dt~exp(-B|t|) B(xB) = ½ < r2 (xB) > r taille transverse du nucléon ansatz à petit xB inspiré par la phénoménologie à la Regge B(xB) = b0 + 2 α’ln(x0/xB) α’slope of Reggetraject ’= 0.8 si uniquement 1 semaine en 2012 avec 2  140 jours en 2015-16 Rq: 0.65 fm = 2/3  0.8 fm • Détermination de l’évolution de B et de r

  33. L’ensemble du programme à COMPASS-II Mesure des PDF en même temps que la prise de données GPD Les distributions de quarks étranges ne sont pas encore bien connues projection pour 1 semaine de faisceau COMPASS with SIDIS 2014: Mesure des TMD avec faisceau de pions (Drell-Yan)  2017: suite. des mesures avec un faisceau d’anti-protons sont envisagées 2 mois en 2012 et 2 années 2015-16: Mesure de la GPD H avec une cible d’H2  2017: DVCS avec cible polarisée transversalement (accès à la GPD E)

  34. Les projets Français pour les 10 prochaines années Structure du nucléon Les GPDs JLab: e@12GeV Les TDAs 4 IPNO +1 (LPSC) 5 SPhN Les GPDs COMPASS II: m@160GeV Les PDFs (étranges) 9 SPhN Les ffs Les TMDs Les FFs PANDA: p@1.5-15GeV Les GPDs 6 IPNO, 1 LPC, 1 SPhN Les TDAs

  35. PANDA • FAIR • Dynamique et structure des hadrons • Matièrenucléaire et de quarks • Physique des superlourds • Structure Nucléaire et Astrophysique • Physique Atomique, des plasmas et des matériaux • Radiobiologie FAIR au GSI Darmstadt Anneaud’antiprotons High Energy Storage Ring 1.5 – 15 GeV/c L = 2 x 1032 cm-2 s-1 σp/p = 10-4 2x107 int.s-1 Fondation officielle de FAIR: 4/10/2010 Premières expériences: ~2018 PANDA HADES Collaboration Européenne 420 personnes, 53 instituts 17 pays

  36. Mesure des Facteurs de Forme du proton Novel Concept of CRC1044 Spacelike Timelike Diffusion d’électrons annihilation pp e e’ e+ p p e- p p’ “Imaging” distributions spatiales “Frequency-response” meson poles 0 q2 > 4mp2 q2 < 0 Jlab A2/Mainz PANDA 100 10-1 p GM/μp unphysical 10-2 10-3 -10 20 30 Q2(GeV2) 10 -30 -20 0 Sonder le nucléon pour TOUS les Q2: vision unifiée

  37. Geff < 1% ~10% ~23% ~50% - pp  e+e-q2 > 4Mp2; mesure de d/dΩe extraction des FFs|GE| et |GM| R PANDA R=|GE|/|GM| pQCD ? Expected precision @PANDA BES III via ISR : - pp  e+e-° Mesures sous le seuil avec Etude des TDAs avec: - pp  e+e-° (s >> 5 (GeV/c )2) Processus hadroniques exclusifs durs: K+K-, p+p-

  38. PANDA: Contribution technique 1 tranche = 1/16 tonneau = 720 cristaux = 720 kg Calorimètre tonneau: 11000 cristaux de PbWO4 à -25°C • Rôle de l’IPNO: • Structure mécanique et intégration • mécanique générale • Conception de l’ensemble du • refroidissement du tonneau • Réalisation et tests de prototypes. ~200 k€ de R&D sur 8 ans Souhait pour contribution à la construction du calorimètre électromagnétique: ~850 k€ Premières expériences en 2018

  39. PANDA • Complémentarite unique entre aspects théoriques et aspects expérimentaux • Approches phénoménologiques (modèles FF, corrections radiatives, processus hadroniques) • Etudes de faisabilité (FFs, TDA) • Développement de méthodes d’analyse (séparation e/p) • Instrumentation et ingéniérie • HADES: ( 2004  2015) • Effets de milieu: comparaison pp, pA ,AA, projet pA • modification de la fonction spectrale du r, rôle des résonances baryoniques • absorption du w • Reactions exclusives (pp, ‘n’p, projet pp) étude des résonances baryoniques dans les voies hadroniques (Partial WaveAnalysis) et leptoniques (transitions électromagnétiques Timelike)

  40. Les projets Français pour les 10 prochaines années Physique diffractive et saturation au LHC Les PDFs gluons/ saturation ALICE: p/Pb-Pb@~TeV 2 IPNO + 1 SPhN (+ autres labos ALICE) AFP: p-p@~TeV Physique diffractive 2 SPP

  41. Eskola et al., JHEP 0904:065, 2009 G Effet de la matièrenucléairefroide au LHC avec ALICE • la distribution de gluons dans la matièrenucléaireestinconnue à l’énergie du LHC • des effets non-linéaires de la QCD sontattendusà cetteénergie avec un noyau de Plomb (saturation de la densité de gluons dans le noyau → condensat de verre de couleur) • Collabinternationale au CERN • 1300 personnes, 35 pays Programme ions lourds du LHC pour la prochainedécennie : p-Pb, Pb-Pb, Ar-Ar et p-Ar → analyse de la production de quarkonia en p-A et en collisions ultra-périphériques A-A

  42. 2.5 < y < 4 Rp-Pb p-Pb p-Pb J/ψ → μ+ μ- J/ψ→μ+μ- 一 EKS98 (2→1 kinematics) 一 color glass 1 一 color glass 2 Mesure de la production de quarkonia Collisions p-Pb Fin 2012: collisions p-Pb et Pb-p (Lint = 30 nb-1) Facteur de modification nucléairemesuréjusqu’àpT=0 √s = 4.4 ou 5 TeV → xg,Pb ~ 10-5 !! Collisions Pb-Pb ultra-périphérique (UPC) Unedizaine de candidats de J/Ψ exclusifsobservés en 2010 Mesure de la section efficace en cours

  43. Les projets Français pour les 10 prochaines années Physique diffractive et saturation au LHC Les PDFs gluons/ saturation ALICE: p/Pb-Pb@~TeV 2 IPNO + 1 SPhN + autres labos ALICE) AFP: p-p@~TeV Physique diffractive 2 SPP

  44. ATLAS Forward Tracker: AFP Physique Diffractive: les protons restent intacts et vont vers l’avant Détection des p(exclusivité) apporte de fortes contraintes cinématiques a Luminosité Echange de « singlets  de couleur » ou de photons * Production exclusive de Higgs * « Anomalouscoupling » ggWW, ggZZ,... (EW sym. breaking) * Structure en quarks et gluons du « color singlet » (Pomeron) (densité de gluons dans le Pomeron) * Evolution (DGLAP) dans un domaine jamais exploré * Monopoles magnétiques, résonances KK,…

  45. Projet technique AFP: Trackers Silicium 3D « radiation-hard » à +/- 210m + TOF à 10ps Collaboration AFP: 25 instituts de 9 pays (SPP leader du projet) (LOI approuvée par ATLAS/LHC) Première installation pendant l’arrêt du LHC en 2013-14 Installation finale en 2017 Budget 2.7 MEuros

  46. 2012 COMPASS 9 SPhN JLab12GeV 4 IPNO + 1 (LPSC) +5 SPhN PANDA 6 IPNO + 1 LPC + 1 SPhN HADES 2 IPNO AFP 2 SPP ALICE 2 IPNO + 1 SPhN + autreslabos ALICE 2016 COMPASS 8 SPhN JLab12GeV 4 IPNO + 1 +5 SPhN PANDA 3 IPNO + 1 LPC + 1 SPhN AFP 2 SPP ALICE 2 IPNO + 1 SPhN 2020 Prochain exposé

  47. QCD: unethéorieextrêmementcomplexedonnant lieu à unesérie de phénomènes divers et variés : de la structure du nucléon (et des noyaux) -confinement- au QGP –déconfinement- Des travauxthéoriques en continuelle expansion (concept des GPDs, TDAs, développements QCD surréseau, théories effectives,…) Des expériences complexes et des avancées en instrumentation (micromegas -cylindriques,- sources de positrons, calorimètresélectromagnétiques,…) Un rôle de leadershiptenu par les groupesFrançais (spokesperson COMPASS, CLAS, porte-parole d’expériences et de programmes,…) Dans les 10 prochainesannées, des avancéessignificativesdans la physique de la structure du nucléon(“imagerie”, spin, connection “TL”-”SL”, rôle des gluons,…)

  48. Frontière Hautesénergies Nouvellesterres àdécouvrir Frontière Précision Terresdécouvertes mais à explorer: “terra incognita” Frontière Confinement

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