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27 Settembre 2011 SIF 2011 – L’Aquila, località Coppito La sperimentazione al JLab

27 Settembre 2011 SIF 2011 – L’Aquila, località Coppito La sperimentazione al JLab. Evaristo Cisbani / ISS e INFN-Sanità. Introduzione al Jefferson Laboratory e alla collaborazione italiana Sperimentazione fisica Nucleon Structure (Form Factor and Quark Distribution)

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27 Settembre 2011 SIF 2011 – L’Aquila, località Coppito La sperimentazione al JLab

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Presentation Transcript

  1. 27 Settembre 2011SIF 2011 – L’Aquila, località CoppitoLa sperimentazione al JLab Evaristo Cisbani / ISS e INFN-Sanità • Introduzione al Jefferson Laboratory e alla collaborazione italiana • Sperimentazione fisica • Nucleon Structure (Form Factor and Quark Distribution) • Parity Violation Experiments • Meson Spectroscopy • Strumentazione • RICH/Clas12 • Photon Tagger • HD Polarized Target • GEM/SiD Trackers E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  2. Thomas Jefferson National Laboratory • Newport News / Virginia / USA (3 ore da Washington DC) • Finanziamento DOE + Enti Locali (no MOF!) • Direttore: H. E. Montgomery (ex associate director for research al Fermilab) • 2000 Utenti internazionali • Ricerca fondamentale con acceleratore di elettroni e 3+1 sale sperimentali • Ricerca applicata con FEL ed altre facility • Sito Web: www.jlab.org E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  3. Arc Linac Linac Arc Iniettore A C B Acceleratore CEBAF oggi • Acceleratore lineare ricircolante e- a cavità superconduttrici • Fascio polarizzato • Alta corrente (200 mA) • Energia massima 6 GeV • 100% duty factor • Rilascio del fascio simultaneamente alle tre sale sperimentali A, B e C E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  4. Sale sperimentali complementari, oggi E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  5. add Hall D (and beam line) Upgrade magnets and power supplies CHL-2 Acceleratore CEBAF dal 2013 6 GeV CEBAF (< 2013) Max Current: 200 mA Max Energy: 0.8 - 5.7 GeV Long. Polarization: 75-85% E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab 12 GeV CEBAF (>2013) $ 310M Max Current: 90 mA Max Energy Hall A,B,C: 10.9 GeV Max Energy Hall D: 12 GeV Long. Polarization: 75-85%

  6. Sale sperimentali dopo il 2014 E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  7. JLab physics investigations • Origin of quark and gluon confinement (non-perturbative QCD) (B & D) • Gluonic excitations - existence and properties of exotic mesons (and baryons) • Mesons and baryons spectroscopy • Dynamics of the quarks/gluons in the nucleons (A,B and C) • Parton Distributions Functions (and Fragmentation Functions) • New view of nucleon structure via the Generalized Parton Distributions (GPDs) accessed in Exclusive Reactions • Form Factors - improve knowledge of charge and current in the nucleons; constraints on the GPDs • Dynamics of the nucleons in the nuclei (A, B and C) • The Quark Structure of Nuclei (resolving the EMC effect) • The Short-Range Behavior of the N-N Interaction and its QCD Basis • Quark propagation through Nuclear Matter (hadronization) • Standard model limits (A and C) • High Precision Tests of the Standard Model via Parity-Violating Electron Scattering Experiments • Measure nuclear properties by weak interaction E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  8. JLab12 Esperimento INFN formalmente attivo dal 2009 per 7 anni, nasce dalla sinergia delle ex sigle AIACE + LEDA per sfruttare al meglio le opportunità sperimentali offerte dall’aggiornamento a 12 GeV E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Intensa attività sperimentale al JLab/6 GeV (prevalentemente in sala A e B) Forte coinvolgimento negli sviluppi legati al raddoppio di energia del fascio e aggiornamento degli apparati nelle sale sperimentali Sezioni INFN partecipanti (BA, CT, GE, FE, ISS, LNF, RM, RM2): Ricercatori + Tecnologi: 50 (32.3 FTE) Coordinatori Nazionali: P. Rossi (LNF), E. Cisbani (ISS-Roma)

  9. JLab12 Nucleon (Spin) Structure (semi inclusive deep inelastic scattering) E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  10. Origin of the nucleon spin / Nucleon structure Nature of the nucleon spin? Dynamics of quarks and gluons in the nucleon? Description of the nucleon at leading order in terms of partons E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab U,L,T = Unpolarized, Longitudinally, Transversely Polarized (relative to a predefined direction) If transverse momentum is suppresed, only 3 DFs contributes

  11. e’ (E’, k’) (E, k) e N Probe the nucleon structure by SIDIS X FNAL BNL J-PARC E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  12. Peculiarity of JLab E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab From M.Contalbrigo Access unexplored valence region (high Q2 requires high luminosity)

  13. TMD’s latest results at JLab First direct measurement on neutron Collins small, largely compatible to 0; Sivers negative (?) for p+, zero for p- E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab From A. Puckett, Jlab 2011

  14. TMDs @12 GeV 4p acceptance High luminosity Hall B CLAS12 Hall A SBS E12-09-018: p+,p- K+,K- E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab 3He H2,NH3,D2,ND2,HD-Ice All experiments approved by JLab PAC August 2011 with high rating All experiments have JLAB12 members as co-spokepersons Very extensive and exhaustive program Require new targets (HD) and new detectors (RICH, GEM) Adapted from P. Rossi/CSN3-2011

  15. The “ultimate” descriptions of the nucleon E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  16. JLab12 Nucleon Form Factors E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  17. Separazione Rosenbluth. Approssimazione di singolo fotone scambiato nell’urto elastico Trasferimento di polarizzazione dalla sonda elettronica al protone diffuso elasticamente Proton Form Factors e + p → e’ + p’ E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Drammatica evidenza dell’inadeguatezza dell’interpretazione degli esperimenti di diffusione elastica di elettroni Probabile necessità di considerare termini con scambio di due fotoni  Esperimenti in corso a Novosibirsk, JLab, DESY

  18. Electromagnetic Nucleon Form Factors @12GeV E-12-07-109: Polarization transfer E-12-09-016: Double polarization • Test per molti modelli (che includono differenti contributi di momento angolare dei quark) • Studio regione di transizione tra la descrizione non- e perturbativa della QCD • Vincoli alle distribuzioni generalizzate H ed E E-12-09-019: Cross section ratio E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  19. JLab12 PVES (parity violating electron scattering) E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  20. Esperimenti di Violazione della Parità • Misura accurata della asimmetria nei processi elastici (e DIS) di elettroni polarizzati longitudinalmente su nucleone/nucleo non polarizzato E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab • Accesso alle costanti di accoppiamento deboli elettroni-quark (u/d) delle correnti neutre, ovvero alla corrente debole del protone, ovvero all’angolo di mixing debole • Pone limiti su esistenza di nuova fisica (PVDIS, QWeak, Möller) • Ha permesso la misura del contributo dei quark s ai fattori di forma del nucleone (HAPPEX, G0) • Permette la misura di importanti grandezze nucleari soppressi nei processi elettromagnetici  PREX

  21. ~ 0.5 ppm Lead(208Pb) Radius Experiment: PREX Elastic Scattering Parity Violating Asymmetry E = 850 MeV, J=6° electrons on lead Z0 is a clean probe that couples mainly to neutrons • Statistics limited (9%) • Systematic error goal achieved ! (2%) E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Misura in ultima analisi del raggio della distribuzione dei neutroni nel Piombo Importante per vincolare modelli astrofisici

  22. Standard Model Test and more http://www.roma1.infn.it/pavi11/ E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Parity Violation Physics Argomento centrale at Jlab 3 importanti esperimenti approvati per i 12 GeV

  23. JLab12 Exotic Mesons Quest E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  24. S 2 L S 1 J Origine del confinamento in QCD I mesoni leggeri sono stati di due quark (q-qbar) I numeri quantici del mesone sono determinati dai numeri quantici della coppia q-qbar I quark in tali mesoni sono sorgenti di un flusso di carica di colore intrappolato in un tubo (stringa) che collega i due quark. La formazione del tubo di flusso è legata alla auto-interazione dei gluoni attraverso la loro carica di colore (stati ibridi q-g-qbar) I numeri quantici del mesone ibrido sono determinati dai numeri quantici della coppia q-qbar ed eventuali stati eccitati del tubo di flusso gluonico Tra questi, alcuni sono peculiari dei modi di eccitazione del tubo di flusso VM  (JTube=1) E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab mesoni esotici

  25. Confinamento: Ricerca di Mesoni Ibridi Esotici • Uso di fotoni polarizzati linearmente (8-9 GeV) che possono fluttuare in mesoni vettori • I mesoni vettori interagiscono con il nucleone • Il mesone diffuso (energie fino a 2.5 GeV) può risultare in un mesone ibrido esotico E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab • Uso di rivelatore a grande accettanza per particelle cariche e neutre • Necessità di alta luminosità e quindi supporto di alta acquisition-rate • Partial-wave analysis dei dati Programma fondamentale della nuova sala D/GlueX ed in parte della attuale e futura sala B/CLAS12

  26. JLab12 12 GeV era Equipments (RICH, Forward Tagger, HD Target, High Lumi Tracker) E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  27. RICH detector for CLAS12 RICH TOF DC R3 R2 R1 TOF LTCC HTCC TOF LTCC HTCC x TOF EC LTCC full pion / kaon / proton separation in 2–8 GeV/c range HTCC p/K separation of 4-5 s @ 8 GeV/c for a rejection factor ~1000 E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Solenoid Aerogel mandatory to separate hadrons in the 2-8 GeV/c momentum range  collection of visible Cherenkov light  use of MA-PMTs PCAL Torus Option under investigation: proximity focusing RICH + mirrors (innovative geometry)

  28. New RICH geometry E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Adapted from L. Pappalardo Roma 2011 Aerogel Flat Mirror + Aerogel Active Photon Detector

  29. 8 R8900 10 H8500 MA-PMTs RICH preliminary prototype Aerogel Electronics • Maroc2 front end electronics developed for nuclear medicine • preamplifier, adjustable from 1/8 to 4 • ADC, about 80fC per channel

  30. Hit distributions aerogel n=1.05 1cm 2cm 3cm aerogel n=1.03 E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab integrated distributions of hits above threshold 3cm N.B. 1 and 2 cm means 2 or 3 blocks of 1 cm

  31. Meson Spectroscopy in CLAS12 • The study of the light-quark meson spectrum and the search for exotic quark-gluon configurations is crucial to reach a deep understanding of QCD: • identify relevant degrees of freedom • understand the role of gluons and the origin of confinement • Photo-production is the ideal tool: • linearly polarized photon beam (NEW!) • large acceptance detector (CLAS12) Quasi-real photoproduction with CLAS12 (Low Q2 electron scattering) E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Forward Tagger CLAS12 e- γ* e- p Adapted from R. De Vita, Roma/2011

  32. HD-ice: polarized frozen spin HD target • Polarized target of high dilution factor made of Deuterium Hydride • Longitudinal and Transverse polarization: 75% H and 40 % D polarization • Relaxation time: > 1 year • Data taking: ~ months • Weak holding field (BdL ≤ 0.1 Tm) • Wide acceptance • Polarization procedure: ~ 3 months - Dilution refrigerator INFN contribution: - Raman analysis of HD gas - NMR for polarization monitoring INFN dilution refrigerator E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Run with HD-Ice & photon beam starts on Nov 19, 2011 Test of HD-Ice & electron beam scheduled on May, 2012 Comparison of signal over background ratio: HD versus conventional polarized target In-beam cryostat From P. Rossi

  33. SBS Spectrometer in Hall A • Large luminosity • Moderate acceptance • Forward angles • Reconfigurable detectors E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Uva JLab INFN Rutgers U. College WM U. of Glasgow Norfolk State U. Carnegie Mellon U. U. of New Hampshire • JLab12 Responsibility: • Front Tracker (GEM+SiD) • Readout Electronics SiD

  34. Different (e,e’h) experimental configurations E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Most demanding High Rates Large Area Down to ~ 70 mm spatial resolution Maximum reusability: same trackers in different setups

  35. Choice of the technology E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab … and modular: reuse in different geometrical configurations GEM mMs Flexibility in readout geometry and lower spark rate

  36. GEM foil: 50 mm Kapton + few mm copper on both sides with 70 mm holes, 140 mm pitch Ionization Multiplication Multiplication Multiplication Readout Strong electrostatic field in the GEM holes GEM working principle E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Recent technology: F. Sauli, Nucl. Instrum. Methods A386(1997)531 Readout independent from ionization and multiplication stages

  37. Front Tracker Geometry X(4+4) Back Trackers Geometry SBS Tracker GEM Chambers configuration GEp(5) SBS x6 • Modules are composed to form larger chambers with different sizes • Electronics along the borders and behind the frame (at 90°) – cyan and blue in drawing • Carbon fiber support frame around the chamber (cyan in drawing); dedicated to each chamber configuration E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  38. MonteCarlo + Digitazation + Tracking • Highg+ ebackground hits • MHz/cm2 • (Signal is red) 6 GEM chambers with x/y readout Use multisamples (signal shape) for background filtering Bogdan Wojtsekhowski + Ole Hansen + Vahe Mamyan et al. E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  39. Assembling the first 40x50 cm2 module Stretching Stretcher design from LNF / Bencivenni et al. Use stretching and spacers to keep foil flat E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Foil Tension: T = 2 kg/cm Spacer Sector: S = 170 cm2 Expected maximum pressure on foil P  10 N/m2  Maximum foil deformation: u  0.0074 * P * S / T = 6.4 mm Gluing the next frame with spacers

  40. Beam test @ DESY / Full Module Size 40x50 cm2 E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  41. 2D Readout Electronics Readout (GEM and SiD) GEMFECMPD  DAQ 8 mm Up to 10m twisted, shielded copper cable (HDMI) 49.5 mm 75 mm E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Passive backplane (optional) • Main features: • Use analog readout APV25 chips (analog and time information) • 2 “active” components: Front-End card and VME64x custom module • Copper cables between front-end and VME • Optional backplane (user designed) acting as signal bus, electrical shielding, GND distributor and mechanical support

  42. + Small Silicon Detector SD (x/y) Chamber doublet Dipole Track Angular Range E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab 21 Set 2009 / CSN III JLab12 - E. Cisbani 42

  43. 6.5mm 8.5mm 8.5mm 5mm A 5mm 10mm B Disegno custom per JLAB12 da un wafer di 6” (152mm) D A B C 103500 D C 10mm E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab

  44. fori di fissaggio 23 cm E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Fan Out PCB 30 cm 44

  45. Equipment / Physics Matrix @ 12 GeV E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab Intensa attività di sviluppo tecnologico per un esteso programma di fisica

  46. QCD and confinement High luminosity Polarization (initial and final states) High beam stability Complementary Equipments Dedicated, optimized detectors JLab offers Asymptotic Freedom Confinement Small Distance High Energy Large Distance Low Energy Perturbative QCD DIS Scattering Parton models Strong QCD Spectroscopy Phenomenological Models + Test Standard Model s~ QED  QCD E. Cisbani / La Sperimentazione al JLab www.iss.infn.it/webg3/cebaf

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