Эксперимент OLYMPUS на ускорителе DORIS ( DESY )

1. Эксперимент OLYMPUSнаускорителе DORIS (DESY) Александр Киселёв ПИЯФ РАН Москва, сессия отделения ЯФ РАН 24.11.2009

2. План доклада • Проблема измерения форм-фактора протона • Эксперимент OLYMPUS • Участие ПИЯФ в эксперименте • Статус и ближайшие планы

3. Форм-фактор протона • Фундаментальная физическая величина, описывающая распределение электрического заряда и магнетизма в протоне • Определяется кварковой структурой протона • Амплитуда упругого e-p рассеяния в однофотонном приближении факторизуется с использованием форм-факторов в следующем виде:

4. Эксперимент: Rosenbluth separation Сечение упругого электрон-протонного рассеяния в однофотонном приближении : Метод измерения: построение при фиксированном Q2зависимости приведённого сечения от e :

5. Эксперимент: передача поляризации Метод: измерение отношения поперечной ( ) и продольной ( ) компонент вектора поляризации протона отдачи в плоскости рассеяния В однофотонном приближении :

6. Экспериментальное сравнение SLAC Rosenbluth данные JLab Hall A поляризационные данные ? Два метода – два разных результата!

7. e+-p и e--p упругое сечение P.G. Blunden et al., Phys. Rev. C 72, 034612 (2005)

8. Эксперимент OLYMPUS • (Модифицированный) спектрометр BLAST из MIT • Накопительное кольцо DORIS (DESY, Гамбург), электроны и позитроны, 100mA и выше • Внутренняя протонная газовая мишень ~3*1015 atoms/cm2 @ 100 mA → L = 2x1033 cm-2s-1 • Измеряемая величина: отношение сечений упругого e+-p и e--p рассеяния при энергии 2.0GeV в диапазоне ~ [0.4 .. 0.9] по εпри Q2до ~2.2 (GeV/c)2 • Прецизионное мониторирование светимости • Интегральная ошибка измерения~1%

9. Планируемая точностьизмерения

10. Коллаборация OLYMPUS • MIT и университеты Arizona, Hampton, Colorado, Kentucky, New Hampshire • DESY и европейские группы (Bari, Ferrara, Rome, Bonn, Erlangen, Mainz, Glasgow) • ПИЯФи ЕрФИ

11. ПУЧОК ДРЕЙФОВЫЕ КАМЕРЫ МИШЕНЬ МАГНИТ СЦИНТИЛЛЯТОРЫ Спектрометр BLAST • Большой угловой захват:20o < q< 80o, -15o <  < 15o • МАГНИТBmax = 3.8 kG • ДРЕЙФОВЫЕ КАМЕРЫТрекинг • СЦИНТИЛЛЯТОРЫТриггер, ToF, PID (p/p)

12. Тороидный магнит • 8 катушек • 6730 A • 3700 G • 3D карта поля

13. Трековая система • дрейфовые камеры • GEM upgrade

14. Контроль за систем.ошибкой • Переход с электронов на позитроны ~1 раз в день • Смена полярности магнита ~1 раз в день • Left-right и top-bottom симметрия детектора • ep-elastic монитор светимости под углом 120 • Дополнительный BhaBha/Moeller монитор светимости под углами ~25mrad?

15. Одобрен DESY PRC в мае 2009 Получил одобрение международной экспертной комиссии и успешно прошёл Technical Review в DESY в сентябре 2009 US DoE подтвердило финансирование 2 недели назад Статус эксперимента и планы

16. Вклад ПИЯФ в эксперимент • Монте-Карло моделирование BhaBha/Moeller монитора светимости • Поставка в эксперимент ep-elastic монитора светимости • Slow Control Software • Программное обеспечение для выстройки детектора и трекинга • Инсталляция, тестовые измерения, набор данных • Обработка данных и представление результатов

17. Competition Эксперименты, нацеленные на измерение отношения упругих e+-p и e--p сечений

18. Summary • Эксперимент OLYMPUS поддержан администрацией DESY и принят к постановке • Гарантирована финансовая поддержка US DoE • Набор данных состоится в 2012 году • Отношение сечений упругого электрон-протонного и позитрон-протонного рассеяния будет измерено с ~1% точностью

19. Backup slides

20. Rosenbluth separation, illustration

21. Possible explanation of discrepancy Speculation : there are radiative corrections to Rosenbluth experiments that are important and are not included missing correction : linear in e, not strongly Q2 dependent GE term is proportionally smaller at large Q2 effect more visible at large Q2

22. OLYMPUS: counting rates • Sufficient counts at all angles only for E<2.3 GeV • Epsilon = 0.4 achievable

23. BLAST@DORIS (OLYMPUS): acceptance • Lowest epsilon ~0.4 only for E < 2.3 GeV • At epsilon = 0.4, require E>2 GeV to maintain Q2 > 2 (GeV/c)2

24. Prediction: proton form factor ratio Blunden et al.

25. BLAST event reconstruction 850 MeV energy, ep-elastic Electron Left Electron Right • Advantages of magnetic field: • - suppression of background • - 2-3% momentum resolution • σθ= 0.5o and σφ= 0.5o

26. OLYMPUS: control of systematics Super ratio: Cycle of four states ij Repeat cycle many times • Change between electrons and positrons regularly • Change BLAST polarity every day • Left-right symmetry provides additional redundancy – two identical experiments simultaneously taking data

27. Upgrade: GEM vertex detector • GEM = Gas Electron Multiplierintroduced by F. Sauli in mid 90’s, F. Sauli et al., NIMA 386 (1997) 531 Copper layer-sandwiched kapton foil with chemically etched micro-hole pattern gas amplification in the hole

28. Upgrade: forward luminosity monitor 2 tGEM trackers, 30msr, 10o, R=160/230/300cm, dR=70cm, 3 tracking planes θ→0o,ε→1 TPE effects → 0 Forward trackers 10o

29. JLAB Polarization Transfer experiment (V.Punjabi, C.F.Perdrisat, et al. Phys.Rev. C71, 2005) JLAB Hall A two-arm spectrometer (top view) EMC dipole HRSe dipole HRSp proton polarimeter Polarized e-beam Pe ~0.4-0.6, 0.934-4.091 GeV, 5-15 μA. Vertical bending ΘB=45 deg. S.Belostotski Seminar HEPD, May 05 2009

30. VEPP-3 experiment Ee=1.6 GeV (up to 2 GeV) electron current ~ 30mA, positron current limited to ~ 9mA HERMES type gas target 1015 atoms/cm2, L≈1031cm-2s Planned for 2009-11 S.Belostotski Seminar HEPD, May 05 2009

31. JLAB Polarization Transfer Results Hall B, CLAS spectrometer, primary 5.7Gev e-beam 1ϻA→ γ-beam → e+e-beam 250 pA→ thick hydrogen target→L=1.3x1033 cm-2sec-1 Major challenge hard background conditions related to e+e- production target S.Belostotski Seminar HEPD, May 05 2009