Pomiary polaryzacji gluonów w eksperymencie Adam Mielech 22 marca 2017

Plan Spinowa struktura nukleonu. Wyznaczenie i pomiary polaryzacji gluonów DG/G. 3. Podsumowanie.

Rozpraszanie (inkluzywne) DIS 2017-03-22 Rozpraszanie (inkluzywne) DIS e,m (k’) e,m (k,s) Q2=-q2=-(k-k’)2 QED g1(x,Q2), g2(x ,Q2) g1(x,Q2), g2(x,Q2) funkcje struktury zależne od spinu n=E-E’ g*(Q2, n) y=n/E P (P,S) x=Q2/2Mn lab

Asymetrie przekrojów czynnych 2017-03-22 Asymetrie przekrojów czynnych g* P q współczynnik depolaryzacji czynnik kinematyczny g* q 1 -1/2 1/2

Dane światowe g1 i F2 2017-03-22 g1p F2p=

Polaryzacja kwarków w modelu partonowym 2017-03-22 Polaryzacja kwarków w modelu partonowym P q P q Pierwszy moment g1 przy założeniu symetrii izospinowej podlega regule sum Bjorkena: C1NS – non singlet coefficient function zależy od liczby zapachów i schematu renormalizacji, w QPM=1 2. sprawdzic czy calka to pierwszy moment 3. zrodlo gA/gv współczynnik funkcyjny w MP równy 1 stałe sprzężeń wyznaczane w rozpadzie b neutronu która jest zgodna z doświadczeniem na poziomie 10%

Polaryzacja kwarków w modelu partonowym 2017-03-22 Polaryzacja kwarków w modelu partonowym Pierwszy moment g1 wyraża się przez elementy macierzowe ładunku aksjalnego (sprzężenia aksjalne): przy założeniu symetrii zapachowej SU(3): wypadkowy wkład kwarków do spinu protonu a3=F+D, a8=3F-D, stałe sprzężeń z rozpadów beta neutronu i hiperonów wiecej o sprze zeniach aksjalnych i F,D można wyznaczyć DS=0.10.1 (1989 EMC) Prosty model kwarkowy nie tłumaczy spinu nukleonu.

-współczynniki funkcyjne 2017-03-22 QCD W ogólnej postaci, funkcja g1 ma postać: Nie można jednoznacznie rozdzielić wkładów kwarkowych od gluonowych. Rozkłady zależą od schematu renormalizacji: gdzie: -współczynniki funkcyjne

Wyznaczanie polaryzacji gluonów z ewolucji QCD 2017-03-22 Wyznaczanie polaryzacji gluonów z ewolucji QCD Z równań DGLAP: rozkłady kwarków dobrze określone, DG(x) nie: kształt i wartość całki obarczone dużą niepewnością - Blümlein-Böttcher przy Q02 = 2 GeV2: 1. 0  0.6 - Hirai, Kumano, Saito przy Q02 = 1 GeV2: 0.5  1.2 @ Q02=4 (GeV/c)2 Fit do danych światowych z uwzględnieniem danych COMPASS-a 2002 i 2003 x ∫DG(x)dx

(Inkluzywne) dane światowe + COMPASS g1d

Pomiary bezpośrednie DG/G

Bezpośrednie pomiary polaryzacji gluonów Rozpraszanie lepton-nukleon, selekcja procesów fuzji fotonowo-gluonowej (PGF) (SMC, HERMES, COMPASS) P q g Rozpraszanie proton-proton: Proces bezpośredniej emisji fotonu, Procesy dwudżetowe (ekperymenty przy RHIC)

Localisation LHC SPS N ~200 fizyków z 12 krajów spolaryzowana wiązka mionów spolaryzowana tarcza deuteronowa pomiar pędu i energii torów identyfikacja cząstek 2017-03-22 świetlność: ~5 . 1032 cm-2 s-1 intensywność wiązki: 2.108 µ+/spill (4.8s/16.2s) polaryzacja wiązki: -76% pęd wiązki: 160 GeV/c Localisation LHC SPS N Uklad doswiadczalny compassa znajduje sie w CERN

Układ eksperymentalny Tarcza Magnesy spektrometrów μ ID Kalorymetry hadronowe m+ + 200 płaszczyzn detektorów pozycyjnych RICH

Płaszczyzny

Dwie 60 cm połówki tarczy o przeciwnych polaryzacjach Tarcza 6LiD 2017-03-22 Dwie 60 cm połówki tarczy o przeciwnych polaryzacjach Superconducting Solenoid (2.5 T) 3He – 4He dilution refrigerator (T~50mK) Dipol (0.5 T) Polaryzacja: 50% Rozcieńczenie: 40% Zrekonstruowane wierzchołki oddziaływania μ

Pomiary bezpośrednie DG/G l Pomiary bezpośrednie DG/G Wykorzystano dane COMPASS-a zebrane w latach 2002 i 2003 Selekcja PGF, duże pT stosunkowo łatwa selekcja sygnału, istotna zależność od Monte Carlo Selekcja PGF, ciężkie kwarki „czysty”, ale trudniejszy doświadczalnie

Selekcja PGF za pomocą hadronów o dużym pT W eksperymencie COMPASS prowadzone są dwie niezależne analizy dla Q2>1 (GeV/c)2 i Q2<1 (GeV/c)2 Selekcja przypadków: 0.1 < y < 0.9 (analiza dużych Q2) 0.35< y< 0.9 (analiza małych Q2) xBj < 0.05 (analiza dużych Q2) Selekcja hadronów z fragm. prądowej xF > 0.1 z > 0.1 2 hadrony o dużym pT pT > 0.7 GeV/c pT12+ pT22 > 2.5 (GeV/c)2 m(h1h2) > 1.5 GeV/c2 (z1+z2) < 0.95 (analiza małych Q2) h1 h2

DG/G z obszaru Q2>1(GeV/c)2 2017-03-22 QCD-Compton proces wiodący PGF: sygnał

Dane-MC(LEPTO) σPGF/σtot = 0.34 ± 0.07 (syst.) h1 h2 2017-03-22 h1 h2 Q2>1(GeV/c)2 Frakcja procesów PGF: x_gluon is calculated the following way: s_hat x_g = x_Bjoerken * ( ------- + 1 ) Q^2 where s_hat is the invariant mass of the two outgoing quarks. For MC this can be calculated easily from the generator information. For real data this information is not accesible and we need to extract it from the two reconstructed high-pt hadrons. Assuming that the hadrons go into the direction of the quarks, we calculate s_hat in the following way: s_hat = nu*nu * tan theta_lab_1 * tan theta_lab_2 where nu ist the virtual photon energy, theta_lab_i the angles measured in the lab for hadron 1 and 2. σPGF/σtot = 0.34 ± 0.07 (syst.)

DG/G z obszaru Q2<1(GeV/c)2 + asymetrie od procesów tła QCD-Compton proces wiodący VMD - Pomeron dodatkowo Resolved Photon

Ocena tła dla obszaru Q2<1(GeV/c)2 2017-03-22 Ocena tła dla obszaru Q2<1(GeV/c)2 Wkłady procesów oceniano przy pomocy generatora PYTHIA: procesy w których foton jest punktowy: PGF, wiodący i QCD Comptona procesy ”resolved photon” foton fluktuujący w kwarki (gluony) model dominacji wektorowej (VMD): sprawdzono scenariusze przy minimalnej i maksymalnej polaryzacji kwarków w fotonie. oddziaływania nieperturbacyjne pominięte w asymetrii wyrzucic pt inne

Dane-MC

DG/G – wyniki COMPASS-a 2017-03-22 h1 h2 Q2 < 1(GeV/c)2 Q2 > 1(GeV/c)2

DG/G duże pT, wyniki l Eksperymenty na stałej tarczy: 2017-03-22 l DG/G duże pT, wyniki Eksperymenty na stałej tarczy: COMPASS: m+dmh+h-X Em=160 GeV Dwie oddzielne analizy: Q2>1 (GeV/c)2 (<xG>=0.13) Q2<1 (GeV/c)2 (<xG>=0.095) Hermes: e+ph+h-X Ee=27.5 GeV <xG>=0.17 głównie przypadki fotoprodukcji, <Q2> =0.06 GeV2 (z PYTHII) SMC: m+d(p)mh+h-X Em=190 GeV <xG>=0.07 Q2>1 GeV2 G1 plots….

Pomiary bezpośrednie DG/G l Pomiary bezpośrednie DG/G Selekcja PGF, duże pT stosunkowo łatwa selekcja sygnału, istotna zależność od Monte Carlo Selekcja PGF, ciężkie kwarki „czysty”, ale trudniejszy doświadczalnie (przedmiot mojej pracy doktorskiej)

Selekcja PGF przez produkcję ciężkich kwarków 2017-03-22 Selekcja PGF przez produkcję ciężkich kwarków c q=c, Otwarta produkcja powabu Poszukiwanie naładowanych K i p pochodzących z rozpadów D0 and D±* D0 K- p+ D+* ps+ C C G1 plots….

Kanały rozpadów powabu

m(D*+)-m(D0)=2.010GeV-1.865GeV=0.145GeV ; mp+=0.143GeV Rekonstrukcja D D0 K-p+ rekonstruujemy masę niezmienniczą D0 K-p+, żądamy identyfikacji K w detektorze RICH D*  D0 p rekonstruujemy masę niezmienniczą D0  K-p+ wszystkie pary z obszaru masy D0 kombinujemy z pozostałymi w przypadku p+ histogramujemy różnicę mas (D*+-D0) tj. m(K-p+p+)_ m(K-p+) m(D*+)-m(D0)=2.010GeV-1.865GeV=0.145GeV ; mp+=0.143GeV

Identyfikacja cząstek 5 m 6 m 3 m photon detectors: CsI MWPC mirror wall vessel radiator: C4F10 q(mrad) p(GeV/c) p K p, m RICH hadrony m – hadron rozróżnienie jest możliwe za pomocą kalorymetrów hadronowych

Cięcia kinematyczne 0.35<y<0.85 |cos qK| zD D0 <0.50 >0.25 >0.20 zD |cos qK| sygnał Monte Carlo tło

Rekonstrukcja D* (K-p+p+) – (K-p+) K-p+

DG/G z produkcji powabu 50% 40% -76% c

Od ALL do DG/G –parametryzacja aLL aLL zależy od zmiennych partonowych, nie mierzonych w eksperymencie, dlatego parametryzuje się je przy użyciu MC, w funkcji zmiennych mierzonych:

Wyznaczanie DG/G Sposób 1: wyznaczono asymetrię sygnału (ND) + - N4 N3 m+ N1 N2 Sposób 1: wyznaczono asymetrię sygnału (ND) Sposób 2: wyznaczono asymetrię ważoną sygnału i tła

DG/G – wyniki asymetrii (bez uwzględnienia aLL) + - N4 N3 m+ N1 N2 D0 z D* D0 nie pochodzące z D* D*

Asymetria tła -0.04 ± 0.05 -0.05 ± 0.06 -0.20 ± 0.11

Ocena fałszywych asymetrii + + AUP ADOWN 0.09 ± 0.18 0.24 ± 0.13 N3 N4 - - Jedna połówka tarczy dzielona na pół + - N1 N2 N4 N3 czas „Konfiguracja fałszywa” A=-0.160.12 „Konfiguracja prawdziwa” A=-0.200.11

DG/G z otwartej produkcji powabu– podsumowanie Asymetria sygnału zgodna z zerem Asymetrie fałszywe na poziomie 75% asymetrii prawdziwej Dla przy:

RHIC

RHIC: zderzacz spolaryzowanych protonów STAR

Co się mierzy w RHIC? P q g W procesach, w których biorą udział gluony, dostęp do

pp  p0 X jest czułe na gggg i gqgq PHENIX Results from Run-3 To Appear in PRL

ALL(p0) i Dg/g(x) Mieszanina procesów gg+gq+qq æ D g ö A ~ R a ( gg ® 2 æ D g ö A ~ R a ( gg ® gg ) ç ( x ) ÷ ç ÷ LL gg LL è g ø D g D u + R a ( gu ® gu ) ( x ) ( x ) gu LL g u D g D d + R a ( gd ® gd ) ( x ) ( x ) gd LL g d 2 æ D u ö + R a ( uu ® uu ) ç ( x ) ÷ uu LL è u ø æ D 2 d ö + R a ( dd ® dd ) ç ( x ) ÷ dd LL è d ø D u D d + R a ( ud ® ud ) ( x ) ( x ) ud LL u d

RHIC Spin: wczoraj i dziś Run 2: AN ~7nb-1/day PB~20% Run-3:ALL 10nb-1/day PB~26% (AGS) 40% Run-4:ALL Only Machine Studies 30nb-1/day PB~40% (AGS) 50% Run-5 :ALL Long pp Run: Rozpoczęty po koniec kwietnia PB~45-50%

Podsumowanie Do wyjaśnienia struktury spinowej nukleonu nie wystarczy wkład od kwarków – potrzebne są inne składniki Z dotychczasowych prób pomiaru wkładu od gluonów można sądzić, że również ten wkład nie jest duży (przynajmniej w obszarze ) Przyszłość: RHIC dane deuteronowe HERMES-a COMPASS: przewidywane błędy statystyczne na DG/G z danych 2002-2006: Duże pT, Q2>1 (GeV/c)2: 0.17 Duże pT, Q2<1 (GeV/c)2: 0.048 produkcja powabu: 0.33