Groupe Structure du nucléon & QCD
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Transcript of Groupe Structure du nucléon & QCD
resolutionde la sonde
N
π
resolutionde la sonde
N
π
LQCD/DSE
2QR
Existe-t’il des états hadroniques non-standards (hybrides,“glueballs”,…) ?
Quelle est l’origine de la masse et du spin
du nucléon (hadrons) ?
Comment peut-on “voir” les quarks (quark-gluon structure) ?
Quels sont les degrés de liberté et les symétries appropriés selon l’échelle de la sonde ?
Proton = u + u + dMasse .938 = 0.003 + 0.003 + 0.003
Comment les propriétés des états liés émergent à partir des interactions fondamentales ?
Quel est le rôle des gluons ?
Spin ½ = DS(~20%) + DG(~0% ?) + Lq (?)
La QCD perturbative ne répond pas à toutes ces questions !
)(),( 11 xgxfep a eX
yxp
xz
Petit lexique
(Parton DistributionFunctions: PDF)
(DIS)
)(),( 11 xgxfep a eX
yxp
xz
)(),(),(),( 21 tGtGtFtF PAep a ep
y
xz
b
Petit lexique
(Parton DistributionFunctions: PDF)
(Form Factors: FFs)
(DIS)
(élastique)
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yxp
xz
)(),(),(),( 21 tGtGtFtF PAep a ep
y
xz
b
Petit lexique
(Parton DistributionFunctions: PDF)
(Form Factors: FFs)pp a e+e-
(DIS)
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yxp
xz
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y
xz
b
),,(~
),,,(~
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txEtxH
txEtxH
ep a epgxp
xz
b
Petit lexique
(Parton DistributionFunctions: PDF)
(Form Factors: FFs)
(Generalized Parton Distributions: GPDs)
pp a e+e-
(DIS)
(DVCS)
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yxp
xz
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y
xz
b
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txEtxH
txEtxH
ep a epgxp
xz
b
Petit lexique
(Parton DistributionFunctions: PDF)
(Form Factors: FFs)
(Generalized Parton Distributions: GPDs)
pp a e+e-
pp a ge+e-
(DIS)
),...,(),,( 11 kxgkxf
ep a epX
Petit lexique
(Transverse MomentumDependent PDFs: TMDs)
(SIDIS) xp
xz
k
),...,(),,( 11 kxgkxf
ep a epX
),...,(),,( 11 pzGpzF
Petit lexique
(Transverse MomentumDependent PDFs: TMDs)
(Fragmentation Functions: ffs)
(SIDIS) xp
xz
k
),...,(),,( 11 kxgkxf
ep a epX
),...,(),,( 11 pzGpzF
),...,,(),,,( txAtxV
Petit lexique
(Transverse MomentumDependent PDFs: TMDs)
(Transition Distribution Amplitudes: TDAs)
(Fragmentation Functions: ffs)
ep a epp0xp
xz
b
xp
xz
k
(SIDIS)
(DVMP)
),...,(),,( 11 kxgkxf
ep a epX
),...,(),,( 11 pzGpzF
),...,,(),,,( txAtxV
Petit lexique
(Transverse MomentumDependent PDFs: TMDs)
(Transition Distribution Amplitudes: TDAs)
(Fragmentation Functions: ffs)
ep a epp0
pp a g*p0
(SIDIS)
xp
xz
b
xp
xz
k
H, H, E, E (x,ξ,t)~ ~
Standard Parton Distributions
H(x,0,0) = q(x), H(x,0,0) = Δq(x) ~
x
Elastic Form Factors
H(x,ξ,t)dx = F(t) ( ξ)
x
Ji’s sum rule
2Jq = x(H+E)(x,ξ,0)dx
gq LGL 21
21
(nucleon spin)
x+ξ x-ξ
tγ, π, ρ, ω…
-2ξ Large Q2
Small t
Les projets Français pour les 10 prochaines années
JLab: e@12GeV
COMPASS II: m@160GeV
5 SPhN
PANDA: [email protected]
4 IPNO +1 (LPSC)
6 IPNO, 1 LPC, 1 SPhN
Les GPDs
9 SPhN
Les GPDs
Les PDFs (étranges)
Les ffs
Les FFs
Les TDAs
Les TMDs
Les TDAs
Structure du nucléon
Les GPDs
Les projets Français pour les 10 prochaines années
ALICE: p/Pb-Pb@~TeV
2 IPNO + 1 SPhN+ autres labos ALICE)
Physique diffractive et saturation au LHC
AFP: p-p@~TeV
2 SPP
Physique diffractive
Les PDFs gluons/saturation
Les projets Français pour les 10 prochaines années
JLab: e@12GeV
COMPASS II: m@160GeV
5 SPhN
PANDA: [email protected]
4 IPNO +1 (LPSC)
6 IPNO, 1 LPC, 1 SPhN
Les GPDs
9 SPhN
Les GPDs
Les PDFs (étranges)
Les ffs
Les TMDs
Les TDAs
Structure du nucléon
Les FFs
Les TDAsLes GPDs
x
b (GeV-1
)
Hu(x,b )y
xpz
xz
b
Les GPDs ou la tomographie du nucléon
Les extractions de GPD actuelles à partir du DVCS
La charge axiale (~Him) est plus « concentrée » que la charge électromagnétique (~Him) ?
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 pente en t reflète la taille de l’objet sondé (transf. Fourier)
~
H, H, E, E (x,ξ,t)~ ~
tγ
x~xB
ep epg
E=27
GeV
E=
160
GeV
E=27
GeV
CO
MPA
SS
HE
RM
ES
LH2 / LD2 target
Faisceau d’électrons polarisés
Electron
diffusé
gN
Nucléon de recul
Véto Particule chargée
Calorimètre électromagnétique
ep epg
Hall A CLAS
JLab12GeVCollab internationales aux USA
Hall A & CLAS: ~120 personnes, ~10 paysProgrammes GPDs portés par les français
L~1038cm-2s-1 L~1035cm-2s-1
Simulations Hall A@12GeV
Etude de laloi d’échelle en Q2
Validation du formalisme des GPDs
90 jours de faisceau DVCS
L~1038cm-2s-1
Simulations CLAS@12GeV
Prise de donnéesà partir de 2015
L~1035cm-2s-1
90 jours de faisceau DVCS
~400 bins (xB,Q2,t)
Première tomographiedu nucléon précisedans la région de valence
Les projets techniques:
JLab12GeV
Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME
Les projets techniques:
JLab12GeV
Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO): ~350kE
Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME
Les projets techniques:
JLab12GeV
Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO): ~350kE
Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME
Upgrade du calorimètre DVCS et du polarimètre Compton du Hall A (LPC): ~500kE (projet déjà accompli)
Les projets techniques:
JLab12GeV
Une source polarisée de positrons (1 physicien)
Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO): ~350kE
Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME
Mars 2012
(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
Upgrade du calorimètre DVCS et du polarimètre Compton du Hall A (LPC): ~500kE (projet déjà accompli)
Les projets techniques:
JLab12GeV
E12-06-114 (DVCS proton faisceau polarisé, Hall A)
Les expériences (avec porte-parole français)
E12-06-119 (DVCS proton faisceau polarisé, Hall B),
E12-11-003 (DVCS neutron faisceau polarisé, Hall B)
DVCS proton cible polarisée transverse, TCS proton faisceau polarisé,f exclusive electroproduction & « gluon imaging » (CLAS), exclusive f avec BigByte (Hall A)
approuvées (« rated A »)
En préparation/approuvées conditionnellement:
Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO) : ~350kE
Le trajectographe central (micromegas ) de CLAS12 (SPhN): ~1ME
Upgrade du calorimètre DVCS et du polarimètre Compton du Hall A (LPC): ~500kE (projet déjà accompli)
Une source polarisée de positrons (1 physicien)
Les projets Français pour les 10 prochaines années
JLab: e@12GeV
COMPASS II: m@160GeV
5 SPhN
PANDA: [email protected]
4 IPNO +1 (LPSC)
6 IPNO, 1 LPC, 1 SPhN
Les GPDs
9 SPhN
Les GPDs
Les PDFs (étranges)
Les ffs
Les TMDs
Les TDAs
Structure du nucléon
Les FFs
Les TDAsLes GPDs
μ’
μ
ECAL2
ECAL1
SM2
SM1
Nombreux trackers dont des Micromegas et des grandes chambres à dérivesconstruites par l’Irfu
Collab européenne au CERN 220 personnes, 12 pays
Porte-parole françaisProgrammes GPDs et SIDIS portés par les français
COMPASS-IIFaisceau 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’
μ
ECAL2
ECAL1
SM2
SM1
ECAL0
Contributions techniques: ~750 kE
- Nouvelles Micromegas avec 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
COMPASS-II mp->m’p’g2012 et 2015-16: DVCS
CAMERA
p’
Nouvelles Micromegas Pixellisées
Tomographie du nucléon à COMPASS
Détermination de l’évolution de B et de r
B(xB) = b0 + 2 α’ ln(x0/xB)ansatz à petit xB inspiré par la phénoménologie à la Regge
α’ slope of Regge traject
B(xB) = ½ < r2 (xB) > r taille transverse
du nucléon
Rq: 0.65 fm = 2/3 0.8 fm
’= 0.8
si uniquement 1 semaine en 2012avec 2 140 jours en 2015-16
d DVCS /dt ~ exp(-B|t|)
Les distributions de quarks étranges ne sont pas encore bien connues
COMPASSwith SIDIS
Mesure des PDF en même temps que la prise de données GPD
projection pour1 semaine de faisceau
L’ensemble du programme à COMPASS-II
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)
Les projets Français pour les 10 prochaines années
JLab: e@12GeV
COMPASS II: m@160GeV
5 SPhN
PANDA: [email protected]
4 IPNO +1 (LPSC)
6 IPNO, 1 LPC, 1 SPhN
Les GPDs
9 SPhN
Les GPDs
Les PDFs (étranges)
Les ffs
Les TMDs
Les TDAs
Structure du nucléon
Les FFs
Les TDAsLes GPDs
FAIR• Dynamique et
structure des hadrons
• Matière nucléaire et de quarks
• Physique des superlourds
• Structure Nucléaire et Astrophysique
• Physique Atomique, des plasmas et des matériaux
• Radiobiologie
Anneau d’antiprotons High Energy Storage Ring 1.5 – 15 GeV/cL = 2 x 1032 cm-2 s-1
σp/p = 10-4
2x107 int.s-1
PANDA
Premières expériences: ~2018
Fondation officielle de FAIR: 4/10/2010
PANDAFAIR au GSI Darmstadt
HADES
Collaboration Européenne 420 personnes,
53 instituts17 pays
Spacelikeannihilation pp
TimelikeDiffusion d’électrons
Jlab A2/Mainz
0
q2 < 0
PANDA
q2 > 4mp2
20-20 10-10 300-30
unph
ysic
al
Q2 (GeV2)
GM/μp
10-3
10-1
10-2
100
p
Novel Concept of CRC1044
“Imaging” distributions spatiales
“Frequency-response” meson poles
Mesure des Facteurs de Forme du proton
e e’
pp’
p
p
e+
e-
Sonder le nucléon pour TOUS les Q2: vision unifiée
< 1% ~10% ~23% ~50%
Geff
PANDA
pQCD ?
BES IIIvia ISR
Expected precision @PANDA
R=|GE|/|GM| pp e+e- q2 > 4Mp
2 ; mesure de d/dΩe extraction des FFs |GE| et |GM| -
pp e+e-°-Mesures sous le seuil avec
:
pp e+e-° (s >> 5 (GeV/c ) 2)-Etude des TDAs avec:
R
Processus hadroniques exclusifs durs:K+K-, p+p-
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
PANDA: Contribution technique
Souhait pour contribution à la construction du
calorimètre électromagnétique: ~850 k€
Calorimètre tonneau: 11000 cristaux de PbWO4 à -25°C
1 tranche =1/16 tonneau= 720 cristaux = 720 kg
Premières expériences en 2018
PANDAComplémentarite 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 wReactions exclusives (pp, ‘n’p, projet pp) étude des résonances baryoniques dans les voies hadroniques (Partial Wave Analysis) et leptoniques (transitions électromagnétiques Timelike)
Les projets Français pour les 10 prochaines années
Les PDFs gluons/saturation
Physique diffractive et saturation au LHC
ALICE: p/Pb-Pb@~TeV
2 IPNO + 1 SPhN(+ autres labos ALICE)
AFP: p-p@~TeV
2 SPP
Physique diffractive
Effet de la matière nucléaire froide au LHC avec ALICE
Programme ions lourds du LHC pour la prochaine décennie : 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
Eskola et al., JHEP 0904:065, 2009
G
• la distribution de gluons dans la matière nucléaire est inconnue à l’énergie du LHC
• des effets non-linéaires de la QCD sont attendus à cette énergie avec un noyau de Plomb (saturation de la densité de gluons dans le noyau → condensat de verre de couleur)
Collab internationale au CERN1300 personnes, 35 pays
Mesure de la production de quarkonia
Fin 2012: collisions p-Pb et Pb-p (Lint = 30 nb-1) Facteur de modification nucléaire mesuré jusqu’à pT=0√s = 4.4 ou 5 TeV → xg,Pb ~ 10-5 !!
5 TeV Lint J/ψ ψ′ ϒ ϒ′ ϒ″
p-Pb 15/nb 140k 2.6k 940 351 175
Pb-p 15/nb 180k 3.1k 1000 370 186
p-Pbp-Pb
2.5 < y < 4
一 EKS98 (2→1 kinematics)一 color glass 1一 color glass 2
Rp-P
b
J/ψ→μ+μ-
Collisions p-Pb
Collisions Pb-Pb ultra-périphérique (UPC)
Une dizaine de candidats de J/Ψ exclusifs observés en 2010Mesure de la section efficace en cours
J/ψ → μ+ μ-
Les projets Français pour les 10 prochaines années
ALICE: p/Pb-Pb@~TeV
2 IPNO + 1 SPhN+ autres labos ALICE)
Physique diffractive et saturation au LHC
AFP: p-p@~TeV
2 SPP
Physique diffractive
Les PDFs gluons/saturation
ATLAS Forward Tracker: AFP
Physique Diffractive: les protons restent intacts et vont vers l’avant
Echange de « singlets de couleur » ou de photons
* Production exclusive de Higgs* « Anomalous coupling » ggWW, ggZZ,... (EW sym. breaking)
Détection des p (exclusivité) apporte de fortes contraintes cinématiques
* Structure en quarks et gluons du « color singlet » (Pomeron)(densité de gluons dans le Pomeron)* Evolution (DGLAP) dans un domaine jamais exploré
a Luminosité
* Monopoles magnétiques, résonances KK,…
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
Budget 2.7 MEuros
Installation finale en 2017
2016
JLab12GeV4 IPNO
+ 1 (LPSC) +5 SPhN
JLab12GeV4 IPNO
+ 1 (LPSC) +5 SPhN
AFP 2 SPP
AFP 2 SPP
HADES2 IPNO
HADES2 IPNO
PANDA6 IPNO + 1 LPC
+ 1 SPhN
PANDA6 IPNO + 1 LPC
+ 1 SPhN
COMPASS 9 SPhN
COMPASS 9 SPhN
2012
2020
Prochain exposé
ALICE 2 IPNO+ 1 SPhN
+ autres labos ALICE
ALICE 2 IPNO+ 1 SPhN
+ autres labos ALICE
JLab12GeV4 IPNO + 1+5 SPhN
JLab12GeV4 IPNO + 1+5 SPhN
AFP 2 SPP
AFP 2 SPP
PANDA3 IPNO + 1 LPC
+ 1 SPhN
PANDA3 IPNO + 1 LPC
+ 1 SPhN
COMPASS 8 SPhN
COMPASS 8 SPhN
ALICE 2 IPNO+ 1 SPhN
ALICE 2 IPNO+ 1 SPhN
QCD: une théorie extrêmement complexe donnant lieuà une série de phénomènes divers et variés : de la structure du nucléon (et des noyaux) -confinement-au QGP –déconfinement-
Des travaux théoriques en continuelle expansion (concept des GPDs, TDAs, développements QCD sur réseau, théories effectives,…)
Des expériences complexes et des avancées en instrumentation (micromegas -cylindriques,- sources de positrons, calorimètres électromagnétiques,…)
Un rôle de leadership tenu par les groupes Français(spokesperson COMPASS, CLAS, porte-parole d’expériences et de programmes,…)
Dans les 10 prochaines années, des avancées significatives dans la physique de la structure du nucléon (“imagerie”, spin, connection “TL”-”SL”, rôle des gluons,…)
FrontièreHautes énergies Frontière
Précision
FrontièreConfinement
Nouvelles terresà découvrir
Terres découvertesmais à explorer:“terra incognita”