L'expérience COMPASS au CERN

L'expérience COMPASS au CERN F.Kunne – CEA Saclay • Spin du nucléon, contribution des quarks et des gluons • COMPASS au CERN; faisceau muons +cible polarisée • Mesure de DG • Fonctions structure en spin, Transversité • Autres résultats: prod. r0, recherche pentaquark f, ... • (>2007 faisceau hadrons) • 2010-2015 : GPDs GDR Physique subatomique et calculs sur réseau Autrans. 6-7 juin 2005

Spin du nucléon ½ = ½ ΔΣ + ΔG + <Lz > quarks gluons moment orbital ΔΣ = Du + Dd + Ds EMC, SMC, SLAC, HERMES… COMPASS, RHIC q(x)= q+(x) - q-(x) Comment mesurerDS?Deep Inelastic polarisé Photon absorbé par quark d’hélicité opposée (QPM) fonction de structure en spin longitudinal Autrans, 6-7 juin 2005

DS et le premier moment de g1 EMC, SMC, SLAC, HERMES Neutron decay gA/gVa3 hyperon decay 3F-D a8 a0 u+d+s Autrans, 6-7 juin 2005

DS ½ = ½ ΔΣ + ΔG + <Lz> ΔΣΔGLz • Quarks constituants ~ 1. 0.0. • +corr. relativistes ~ 0.75 0.0.13 • QPM + Ds = 0 (Ellis-Jaffe) ~ 0.60 0.0.2  Contribution des quarks majoritaire • En Deep Inelastic polarisé, mesure de g1(fct de structure en spin) • Premier moment de g1 relié à a0 (DS) •  Les expériences trouvent a0 ~ 0.2 - 0.3 • très différent de ce qu’on attend… Autrans, 6-7 juin 2005

Interprétation Expériences de Deep InelasticSLAC, EMC, SMC, HERMES  a0 ~ 0.2- 0.3 QPM: a0 = ΔΣ QCD: a0 = ΔΣ–(as/2p)nfΔG ΔΣet Ds dépendent de ΔG Si a0 = 0.3, il faut DG ~ 2.5 (et Lz ~ - 2.3) pour retrouver DS ~ 0.6  Nécessité d'une mesure directee de DG Autrans, 6-7 juin 2005

DG & équations évolution de g1 Besoin de données plus précises de g1(x,Q2) et meilleure couverture en x et Q2 polarisé – g1p(Q2) non polarisé - F2p(Q2) Autrans, 6-7 juin 2005

Collaboration COMPASS au CERN Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy Bielefeld, Bochum, Bonn (ISKP, PI), Burdwan and Calcutta, CERN, Dubna, Erlangen, Freiburg, Heidelberg, Helsinki, Lisbon, Mainz, Moscow (INR, LPI, MSU), Munich (LMU, TU), Nagoya, Prague, Protvino, CEA Saclay, Tel Aviv, Torino (Univ., INFN), Trieste (Univ.,INFN), Warsaw (SINS, TU) 220 physiciens, 26 instituts Saclay : 11 physiciens +2 postdocs+ 2 doctorants Autrans, 6-7 juin 2005

Fonction structure en spin g1 deuton Nouvelles données COMPASS: PLB 612 (2005) 154 • DIS inclusif • Asymétrie spin longitudinal • Mesure la plus précise 0.004 < x < 0.03 • Nouveau fit NLO QCD, précision sur a0 améliorée facteur 2 (Q2 = 4 GeV2)  DS = 0.24 0.02 (0.20 0.04 sans données COMPASS) Autrans, 6-7 juin 2005

Détermination de ΔG/G Fusion photon gluon • charmec D0  K p • signal non ambigü de charme statistique limitée: • s 100nb, BR 4%, identification kaon • hadrons grand pTq q h+h- • bonne statistique interprétation plus compliquée Autrans, 6-7 juin 2005

h h h h h h Leading process Gluon radiation Photon Gluon Fusion (PGF) ΔG/G - paires de hadrons à grand pT - Q2 > 1 GeV/c2 PGF ~ 33 % résultat 2002-2003: DG/G = 0.06 ± 0.31 (stat) ± 0.06 (syst) <xg> ~ 0.13 Autrans, 6-7 juin 2005

Q2 < 1 GeV/c2, bruit de fond additionnel Q2 < 1 10 fois plus de données, mais incertitude supplémentaire: structure en spin du photon résolu +… + PGF + …+ + … • partie perturbative : calculable • partie non-perturbative: scenarios VMD min/max MC simul PYTHIA DG/G = 0.024 ± 0.089 (stat) ± 0.057 (syst) Autrans, 6-7 juin 2005

ΔG/G - Résultat COMPASS xΔG Données COMPASS 2002-2003 Courbes: analyses QCD • DG • AAC00 1.2 • BB02 (Bluemlein,B) 1.1 • GRSV00 (Gluck, Reya…) 1.0 • LSS01 (Leader,…) 0.6 Autrans, 6-7 juin 2005

Mesures semi-inclusives Δu, Dd, Ds p, K,... m p X Très prometteur, en particulier pour Δs ! Données à petit x essentielles,accessibles seulement à COMPASS. Autrans, 6-7 juin 2005

Transversité h1q(x,Q2) 3 fonctions de structure pour décrire le spin du nucléon au LO.  toutes d’égale importance ! F2(x) g1(x) h1(x) Tq(x) pas mesurable dans DIS inclusif: renversement d’helicité • cible polarisée transversalement • mesure semi-inclusive Autrans, 6-7 juin 2005

Transversité h1q(x,Q2) 3 méthodes explorées à COMPASS: 1) Mesure polarisation transverseΛ 2) Dépendance azimutale du plan contenant leading et next to leading hadrons 3) Asymétrie de Collinsleading hadron h± S (S’) = azimut du spin du quark fragmentant avant (après) diffusion h=azimut hadron FC = Φh+ ΦS– π ACollins = A0± A1sin(ΦC) h Autrans, 6-7 juin 2005

Collins Sivers Distributions transverses spin-dependent part for hadronisation of a transversely polarised quark q into a hadron h Intrinsic kT dependence of the quark distribution Autrans, 6-7 juin 2005

Transversité résultats A Collins h+ deuton COMPASS 2002 PRL 94 (2005) 202002 proton HERMES PRL 94 (2005) 012002 A Sivers x z • COMPASS: énergie +élévée, x + petit • Compatible avec 0 • Compensation p-n ? • HERMES • A Collins negative • A Sivers positive h+ Projections proton COMPASS 2006 Autrans, 6-7 juin 2005 x

Recherche pentaquark Φ(1860) f(1860)--ddssu • Motivation: candidats pentaquarks Φ– –(ou Ξ--)vus par exp.NA49 • COMPASS : bonne statistique de baryon Ξ (18000 Ξ–, 11000 Ξ+)données 2002/3 • Recherche résonance Ξ–π– Φ(1860)– – → Ξ–π–→ Λπ–π–→pπ–π–π– q(1530)+uudds Autrans, 6-7 juin 2005

Ξ(1530)0 Ξ(1530)0 Recherche pentaquark Φ(1860) • Comparaison comptages • Paires signe opposé: Ξ(1530)0 → Ξ– π+ , 1700 and 920 evts • Paires même signe: nb.evts <79 et <89 à 99% CL EPJ C41 (2005) 469 Autrans, 6-7 juin 2005

Recherche pentaquark Φ(1860) ~ 400 Pour toutes les expériences ~même rapport Ξ0 / Ξ– En supposant le rapport Φ/Ξ–fixe aussi, on attend 400 evts. Pas de pentaquark Φ(1860) au niveau annoncé par NA49 Autrans, 6-7 juin 2005

Distributions partons généralisées g, r, w, h, p,... e’ m g factorisation q q’ ~ ~ H,E,H,E p p’ >2010 muons +cible H2 liq, réactions exclusives : - DVCS Deep Virtual Compton Scattering - HEMP Hard Exclusive Meson Production  mesurées simultanément… Ex: DVCS section efficace à 190 GeV… et à 100 GeV  Mesure de l’asymétrie’’beam charge’’, sensible à interférence VCS-BH Autrans, 6-7 juin 2005

lumi x 5 lumi x 2 E=190, 100GeV dépendance Q2 factorisation + H1 / ZEUS Autrans, 6-7 juin 2005

Hard exclusive meson production L meson γ* x +ξ x -ξ GPDs p p’ t =Δ2 ρ,ω,…, π,η,... hard 1/Q6 soft 1/Q4 Production de r exclusifs à COMPASS vector mesons pseudo-scalar mesons g* p  r p Atouts de COMPASS pour GPDs: • Muons polarisés et charges opposées • Grand domaine en Q2 • Domaine xBJ ~ 0.1 Autrans, 6-7 juin 2005

Résultats de physique - muons Cible polarisée longitudinalement • DG/G hadrons grands pT (+charme D0 à venir) • DIS inclusif A1d • DIS semi-inclusif : Ds analyse en cours Cible polarisée transversalement Asymétries Collins et Sivert h+et h- Autres produits • Production excl. de r0, • Mésons f, J/y, • hypéronsL & L Autrans, 6-7 juin 2005

Futur • 2006 : • -DG /Gcanal D0 • - spin transverse,ciblep • > 2007 : faisceau hadrons • > 2010 : COMPASS bien placé pour mesurerGPDs Autrans, 6-7 juin 2005

Programme ‘’hadrons’’: faisceaux p, K 100-300GeV Polarisabilités pion et kaon Spectroscopie mésons légers Recherche excitations gluoniques (‘glueballs’), et exotiques (‘hybrids’) Prod. diffractive cible H2 40cm Echange g diff pomeron-pomeron Recherche états f0(1370-1500-1710) et f2 (1900) vus par WA102 Prod. centrale Autrans, 6-7 juin 2005

Spectroscopie baryons charmés excités • Recherche baryons doublement charmés états étroits excités D et Ds cc-system vu par SELEX Autrans, 6-7 juin 2005

MKp–MD° (2002+2003) 1274 D0 S/B = 0.9 ΔG/G - charme c c • c D0 Kp • c  D*  D0ps  Kpps • Détection : m m’, K pp • Masse invariante K p Autrans, 6-7 juin 2005

Détermination indirecte de DG Analyses globales QCD NLO deg1(x,Q2) : Duv(x) et Ddv(x) bien contraints mais pasDG(x) ! forme et intégrale indéterminées. J.Blumlein & H.Bottcher Q02 = 4 GeV2 Autrans, 6-7 juin 2005

Ex: DVCS Asymétrie ’’Beam Charge’’ Sensible au terme interférence VCS-BH ''Beam Charge'' Asym x=0.05 Model 1: H(x,ξ,t) ~ q(x) F(t) Model 2(Goeke et al.)partons grand x au cœur du nucléon; partons petits x à la périphérie. j x=0.10 stat. pour 150 jours (2/18 de l’ensemble des données) j Autrans, 6-7 juin 2005

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