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)


yxp

xz

)(),(),(),( 21 tGtGtFtF PAep a ep

y

xz

b

Petit lexique


(Form Factors: FFs)

(DIS)

(élastique)


yxp

xz


y

xz

b

Petit lexique


(Form Factors: FFs)pp a e+e-

(DIS)


yxp

xz


y

xz

b

),,(~

),,,(~

),,,(),,,(

txEtxH

txEtxH

ep a epgxp

xz

b

Petit lexique


(Form Factors: FFs)

(Generalized Parton Distributions: GPDs)

pp a e+e-

(DIS)

(DVCS)


yxp

xz


y

xz

b

),,(~

),,,(~

),,,(),,,(

txEtxH

txEtxH

ep a epgxp

xz

b

Petit lexique


(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


(Fragmentation Functions: ffs)

(SIDIS) xp

xz

k

),...,(),,( 11 kxgkxf

ep a epX

),...,(),,( 11 pzGpzF

),...,,(),,,( txAtxV

Petit lexique


(Transition Distribution Amplitudes: TDAs)


ep a epp0xp

xz

b

xp

xz

k

(SIDIS)

(DVMP)

),...,(),,( 11 kxgkxf

ep a epX

),...,(),,( 11 pzGpzF

),...,,(),,,( txAtxV

Petit lexique


(Transition Distribution Amplitudes: TDAs)


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


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


JLab: e@12GeV


5 SPhN


4 IPNO +1 (LPSC)


Les GPDs

9 SPhN

Les GPDs


Les ffs

Les TMDs

Les TDAs


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


JLab12GeV

Le détecteur de neutron de CLAS12 (IPNO): ~350kE



JLab12GeV



Upgrade du calorimètre DVCS et du polarimètre Compton du Hall A (LPC): ~500kE (projet déjà accompli)


JLab12GeV

Une source polarisée de positrons (1 physicien)



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



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



Une source polarisée de positrons (1 physicien)


JLab: e@12GeV


5 SPhN


4 IPNO +1 (LPSC)


Les GPDs

9 SPhN

Les GPDs


Les ffs

Les TMDs

Les TDAs


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)


JLab: e@12GeV


5 SPhN


4 IPNO +1 (LPSC)


Les GPDs

9 SPhN

Les GPDs


Les ffs

Les TMDs

Les TDAs


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)




ALICE: p/Pb-Pb@~TeV

2 IPNO + 1 SPhN(+ autres labos ALICE)

AFP: p-p@~TeV

2 SPP


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-


ALICE: p/Pb-Pb@~TeV

2 IPNO + 1 SPhN+ autres labos ALICE)


AFP: p-p@~TeV

2 SPP



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


+ 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



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”

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