1

        Summary of subtopic “Imaging QCD Matter”:   Generalized parton distributions and exclusive reactions                          of weeks 8 and 9 of the INT program “Gluons and the quark sea at high                      energy: distributions, polarization, tomography”  

V. Guzey

Workshop on the Science case of an EICNov 18, 2010, Seattle, INT

On behalf of scientific coordinators: F. Sabatie and M. Burkardt

    2

Outline

● Agenda overview

● A road towards sea quark and gluon imaging at an EIC

● Golden GPD measurements

● Outlook 

    3

Agenda overview

● Weeks 8 and 9 were dedicated to “Imaging QCD Matter”,   which for practical purposes means    ­­ transverse momentum dependent distributions (TMDs) and       semi­inclusive DIS and  ­­  generalized parton distributions (GPDs) and exclusive       reactions

● “TMD part” coordinators: D. Hasch, M. Stratmann, F. Yuan

● “GPD part” coordinators: V. Guzey, F. Sabatie, M. Burkardt

● Wiki page for updates, discussions, simulations, additional  material:https://wiki.bnl.gov/eic/index.php/Nucleon_Spin_and_Imaging 

    4

Agenda overview● mixture of TMD (mostly week 8) and GPD (mostly week 9) talks● 17 TMD talks and 11 GPD talks● all talks and discussions online:  http://www.int.washington.edu/talks/WorkShops/int_10_3/

    5

Agenda overview: discussed topics of the GPD part

1) Imaging in the b­space:● G. Miller, “Techniques for imaging transverse distributions”● E. Aschenauer “How to detect protons in exclusive processes”● M. Diehl, “How well one needs to measure t for getting images in b space”● M. Burkardt, “GPDs from DVCS?”

2) DVCS, exclusive production of J\Psi,  and phi mesons: phenomenology, models and MC simulations● D. Müller, “GPDs from deeply virtual exclusive processes (and beyond)● P. Kroll, “Hard exclusive photo­ and electroproduction of quarkonia”● S. Fazio, “Simulations of DVCS with an EIC using MILOU” ● M. Diehl, “How large can GPDs Eq and Eg be?” 

3) Exclusive production of pseudoscalar mesons (pi, K) ● T. Horn, “Imaging in exclusive processes” ● S. Liuti, “Partonic interpretation of GPDs”● G. Goldstein, “Limits on spin dependent GPDs from theory and experiment”

    6

    Imaging QCD Matter (3D structure of the nucleon):         digest of ideas discussed during the program

Distributions in (x,kT):TMDs

● spin­orbit correlations (kT vs. polariz.)● indicate orbital angular momentum● dynamics of gluons accompanying colored particles (physics of gauge links)● probe interplay pert. and non­pert.   phenomena (kT matching)● distribution of sea quarks and gluons at  small kT largely unknown

Distributions in (x,bT)GPDs and dipole amplitudes

● provide 1+2 image of the nucleon● indicate large orbital momentum;  give access to the total angular momentum  (GPD E)● parton correlations in nucleon wf ● chiral physics at large bT● distributions for sea quarks and gluons are  largely unknown● important for pp and pA phenomenology  (info on bT dependence)

No model­independent connection between TMDs and GPDs are known, but connected at the fundamental level via Wigner W(x,kT,bT)

Summary by D. Hasch

talks by C. Weiss;M. Diehl; M. Burkardt 

    7

A road towards sea quark and gluon imaging via GPDs at EIC(from presentations and discussions during the program)

Golden measurements:DVCS, exclusive production of J\Psi, rho and phi mesons

DVCS MC simulations talk by S. Fazio; F. Sabatie (to be done)using models/parameterizations of GPDstalks by D. Müller; P. Kroll 

Detector requirements:● exclusivity and high resolution in t ­> Roman pots  ● wide coverage in x,Q2,t and lumi    for multidim. binningtalks by E. Aschenauer; S. Fazio

Extraction image in b­space on the cross­over linetalks by G. Miller; M. Diehl

Full extraction of GPDs H, E, H~ taking advantage of high­accuracy, wide­Q2 and L and T beam­polarization EIC datatalks by D. Müller, M. Burkardt;evaluation of moments of GPDs and Ji's spin sum rule, talk by M. Diehl

Direct t measurement at EICBut… is an indirect measurement of t really an issue for EIC?

We’ll get roman pots in the forward region at EIC! 

L = 27.77 pb­1

55 events (DVCS + BH)

for eRHIC: 1.4 1034* Ep/325 cm­2s­1 assuming 50% operations efficiency one week corresponds to:L(1 w)= 0.5 * 604800(s in a week) * (1.4x1034 cm­2s­1) = 4*1039 cm­2 = 4000pb­1

           + Roman Pots                          ~ 8000 events/week !!               assuming the same acceptance ad LPS (~2%)Calculations are absolutely not rigorous! But give an idea… 

Silicon micro­stripsresolution: 0.5% for PL ; 5 MeV for PT

Nov. 9, 2010 8S. Fazio: INT­workshop, Univ. of 

Washington, Seattle

EIC lumi

talk by S. Fazio

t vs proton scattering angle 

Nov. 9, 2010 S. Fazio: INT­workshop, Univ. of      Washington, Seattle

9

4 GeV el x 50 GeV prot 4 x 100

4 x 250

very strong correlation between t and “recoiling” proton angle Roman pots need to be very    well integrated resolution on t!

t=(p4­p2)2 = 2[(mpin.mp

out)­(EinEout ­ pzinpz

out)] 

t=(p3–p1)2 = mρ2­Q2 ­ 2(E *γ Eρ­px

*γ pxρ­py

*γ pyρ­pz

*γ pzρ)

99

talk by S. Fazio

Can we detect “exclusive” protonsCan we detect “exclusive” protons

E.C. AschenauerE.C. Aschenauer EIC INT Program, Seattle 2010 ­ Week 8EIC INT Program, Seattle 2010 ­ Week 8 1010

  lets see acceptance nowlets see acceptance now  beam angular spread 0.1mrad at IRbeam angular spread 0.1mrad at IR  Dipole +/­ 10 mrad; geometric acceptance: +/­ 11.5 cm Dipole +/­ 10 mrad; geometric acceptance: +/­ 11.5 cm   Quads +/­ 3 mrad acceptance; geometric acceptance: < 1.5cm Quads +/­ 3 mrad acceptance; geometric acceptance: < 1.5cm   Proton­beam: p’Proton­beam: p’zz> 0.9p> 0.9pz z  lets assume p lets assume pzz = p = pbeambeam

  maximal pmaximal ptt

  100 GeV: p100 GeV: pttmaxmax < 1 GeV < 1 GeV

    50 GeV: p50 GeV: pttmaxmax < 0.8 GeV < 0.8 GeV

  minimal pminimal ptt   assume 10 assume 10σσ distance of roman pot to beam distance of roman pot to beam  100 GeV: p100 GeV: ptt

minmin ~ 100 MeV ~ 100 MeV    50 GeV: p50 GeV: ptt

minmin ~ 50 MeV ~ 50 MeV

Looks much more promising than v­I, need to do full particle ray tracing

Looks much more promising than v­I, need to do full particle ray tracing

talk by E. Aschenauer

Protons with pT >1 GeV in main detectorProtons with  1 GeV > pT > 0.1 GeV by Poman Pots

Nov. 9, 2010S. Fazio: INT­workshop, Univ. of 

Washington, Seattle11

t­xsec (ep ­> γp)FFS ­ 30 X 325

by roman pots!

L = 0.54 fb­1

EIC lumi: 4 fb­1/month @ 30x325 • Precision enormously improved

• Roman pots acceptance not yet included in the simulation 

• 1.5 < Q2 < 100 GeV2

• 10­4 < x < 0.1• 0.01 < y < 0.8

talk by S. Fazio

Gluon imaging: gluon vs. singlet quark size

Tanja Horn, Imaging in Exclusive Processes, INT10­3, Seattle

     Detailed differential image of nucleon’s partonic structure

• EIC: gluon size from J/ψ, singlet quark size from DVCS

– x­dependence: quark vs. gluon diffusion in wave function

– Detailed analysis: LO     NLO [Mueller et al.]

• Do singlet quarks and gluons have the same transverse distribution?

– Hints from HERA: 

– Dynamical models predict difference: pion cloud, constituent quark picture            [Strikman, Weiss 09]

– No difference assumed in present pp MC generators for LHC!

Area qq Area g

12

talk by T. Horn

Gluon Imaging: Valence Gluons

• Imaging requires– Full t­distribution for Fourier transform– Non­exponential? Power­like at |t|>1 GeV2?– Electroproduction with Q2>10 GeV2: test 

reaction mechanism, compare different channels, control systematics

Tanja Horn, Imaging in Exclusive Processes, INT10­3, Seattle

• Transverse imaging of valence gluons through exclusive J/ψ, φ

• Experimentally need:– Recoil detection for exclusivity, wide 

coverage in t with high resolution– Luminosity ~ 1034, electroproduction, high­t

First gluon images of the nucleon at large x!Hyde, Weiss ‘09

13talk by T. Horn

    14

Accuracy and methods of transverse imaging 

● Measure cross section as a function of t, take square root and make Fourier

● In real life, cannot measure for too small and too large ∆                    need to extrapolate 

    15

Accuracy and methods of transverse imaging 

extrapolation to large t

extrapolation to small t

talk by M. Diehl

    16

Novel method for transverse imaging – Finite Range Approximation, talk by G. Miller

Convenient for estimation of experimental uncertainties and finite range in Q2 

Experimental uncertainty

   uncertainty of series truncation (n=30)    as estimate of finite range in t

+Nucleon transverse densities (valence quarks) known very well

    17

Towards reconstruction of full GPDs 

Main method: Take advantage of wide Q2 coverage (DGLAP evolution)

Main tool:Modern flexible parameterizations of GPDs 

    18

An example of such parameterization, talk by D. Muller

● LO, NLO, NNLO parameterization for sea quark and gluon and valence quark  GPDs(x,x,t) H, Htilde, E (only D­term), and Etilde (only pion pole)● Sea quarks and gluons in the Mellin­Barns representation● Valence quarks using double distribution model + dispersion relation

    19

EIC potential for DVCS

talk by D. Müller

    20

Exclusive production of quarkonia (J\Psi and Y) to probe gluon GPDs H and E, talk by P. Kroll

● NLO calculations● Non­rel. model for meson  wave function● DD model for GPDs

Photoproduction(to be extended to electroproduction)

Asymmetry with transv.­polarized protonprobes gluon GPD E:

    21

“Silver” (2nd­tier) measurements:exclusive production of pseudoscalar mesons (pi,K)

DVCS MC simulations talk by T. Horn 

Requirements:● Q2 > 10 GeV2 for point­like dominace● more symmetric kinematics and lower energies for better angular and momentum resolution● L/T separation ● wide kinem. coverage and highest luminosity

Extraction image in b­space the same as in DVCS case

Model calculationstalks by S. Liuti; G. Goldstein;Kroll­Goloskokov model

∆Θ = 5 ∆Θ = 1.3 ∆Θ = 1.3

∆Θ = 0.3 ∆Θ = 0.3 δt/t ~ t/Ep 

 Wider recoil neutron distribution at lower Ep 

 Better t­ resolution

(Tanja Horn)

Want 0 < t < 1 GeV

4 on 12 5 on 50 10 on 50

4 on 250 10 on 250

Deep Exclusive – recoil baryon kinematics

[Tanja Horn]

ep → e'π+n

Tanja Horn, Imaging in Exclusive Processes, INT10­3, SeattleExclusive processes at x>0.01: better prospect with lower­energy and more 

symmetric kinematics 22

talk by T. Horn

[Tanja Horn, Antje Bruell, Christian Weiss]

• New territory for collider!

• Spatial structure of non­perturbative sea– Closely related to JLab 12 GeV

o Quark spin/flavor separationso Nucleon/meson structure

• Simulation for π+ production assuming 100 days at a luminosity of 1034 with 5 on 50 GeV (s=1000 GeV2)

– V. Guzey, C. Weiss: Regge model– T. Horn: empirical π+ parameterization

Tanja Horn, Imaging in Exclusive Processes, INT10­3, Seattle

EIC: Transverse sea quark imagingEIC: Transverse sea quark imaging

ep → e'π+n

• Lower and more symmetric energies essential to ensure exclusivity

23

     Transverse spatial structure of  non­perturbative sea quarks!

talk by T. Horn

    24

Outlook

● Our main goal is the program write­up.

● We (organizers, conveners, participants) had many useful discussions of golden experiments and worked out the course of action for next two months.

● Our general strategy:● finalize and extend DVCS, pi, and Kaon MC simulations● attempt of J/Psi and rho MC simulations● assess feasibility of imaging in b­space from the pseudo­data ● estimate what is needed for “full GPD experiment” (flavor separation)● produce image at the cross­over line GPD(x,x,t) (step 1 of imaging)   [from existing models and parameterizations]● be brave and attempt to restore full GPD(x,xi,t) (step 2)

 Plans are concrete and lots of work to do in next two months!