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Die Erfors hung der

Quark-Gluonstruktur der Hadronen

mit der elektromagnetis hen Sonde

Neue Ansätze und ihre experimentelle

Realisierbarkeit

Dietri h Harra h

Institut für Kernphysik der Universität Mainz

Plenarvortrag auf der DPG - Tagung in Erlangen

am 22.März 2001

Inhaltsübersi ht

� QCD und die Struktur der Hadronen

� Aktuelle Fragestellungen in der Hadronstrukturphysik

� Experimente heute und Anforderungen für zukünftige Experimente

� Prioritäten und S hlussfolgerungen

Erlangen 22.3.2001

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� QCD und die Struktur der Hadronen

� Starke QCD

� Sonden: Leptonstreuung vs. Hadronspektroskopie

� Aktuelle Fragestellungen in der Hadronstrukturphysik

� Der Spin des Nukleons - Gluonen und Bahndrehimpuls

� Harte, exklusive Prozesse und verallgemeinerte Partonverteilungen

� Transversale Quarkimpulse und transversaler Spin in Fragmentation

� Skalenverhalten in der Nähe des QCD-Skalenparameters �

QCD

� Natur des Baryon Spektrums

� Existenz und Struktur von Mesonen mit gluonis hen Anregungen

� Hohe Partondi hten in kalter Kernmaterie:

ni htlineare Evolution und Jet-Attenuation

� Experimente heute und

Anforderungen für zukünftige Experimente

� Experimentelle Basis heute:

MAMI, ELSA, CEBAF, HERMES, SLAC, COMPASS, RHIC, HERA

� Tief virtuelle exklusive Streuung (DVES): ELFE

� �GPD und QCD Exoti s�: CEBAF � 12 GeV

� Spin-Flavour separierte Partonverteilungen, Transversalität: TESLA-N

� EIC

� Prioritäten und S hlussfolgerungen

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Starke QCD

� QCD ist ni ht perturbative QCD

� QCD bei starker Kopplung (Q<�

QCD

) ist ein ungelöstes Problem

� Hadronen

� we hselwirkende Vielteil hensysteme von Quarks und Gluonen

� Realisierung einer ni ht-abels hen Feldtheorie

� topologis he Feld�uktuationen und QCD Vakuumkondensate

� Chirale Symmetriebre hung - Masse der Hadronen, GS-Bosonen

� Con�nement

� Theoretis her Rahmen

� Gitterei htheorie

� hiraler Limes

� Seebeiträge ('quen hed'), Zerfälle

� Gitterartefakte

� Modelle: N !1, CBM, ��uxtube�, CQM et .

� exakte Limites (�PT , PQCD)

� Experimente sind notwendig um

� unters hiedli he Aspekte der hadronis hen Wellenfunktion

herauszuprojizieren

� e�ektive Freiheitsgrade ('Pionwolke', 'Konstituentenquark', 'diquarks') als

Objekte der Dynamik hadronis her Prozesse zu identi�zieren

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Streuung und Spektroskopie

Historis h:

� Hadronspektroskopie

� Quarkmodell erklärt die Symmetrien der Hadronspektren

� �Konstituentenquarkmodell� bes hreibt erfolgrei h elek-

tros hwa he Momente und Übergänge

� Wenn die Vorhersagen ni ht stimmen ist das eine �Krise�

� Streuexperimente mit Leptonstrahlen

� Skalenverhalten und Quark-Parton Phänomenologie

� Skalenverletzung und Kopplungskonstante der QCD

� Summenregeln erlauben Verbindung mit spektroskopis hen

Daten

Erlangen 22.3.2001 3

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Heutige Situation:

� Hadronspektroskopie

� Rein hadronis he Formations- und Zerfallsprozesse sind derzeit

nur parametrisierbar (�� PT ) bzw. modellierbar (z.B.

3

P

0

)

� Mis hungsszenarien und Kopplung von Zerfallskanälen sind

ni ht ents heidbar

� Diskussionen um die Glueball- und Hybridkandidaten bleiben

o�en:

Die Sonde und das Objekt sind glei h komplex.

� Streuexperimente

� Die Streuung von Leptonen bei hohen Impulsüberträgen be-

stimmt Erwartungswerte von wohlde�nierten Operatoren, die

hierar his h in Potenzen der Au�ösungsskala 1/Q organisiert

werden können

� Spin und Flavour der Partonen können entweder dur h die

Sonde (

; Z

0

;W

) oder

die Beoba htung des hadronis hen Endzustands selektiert wer-

den.

� QCD selbst wird im �s hwa h� koppelnden Berei h zur Sonde.

Erfordert Faktorisierung und Beherrs hung der PQCD �Te h-

nologie� in NN...LO

� Operatoren mit Twist-3 und höher messen q-G und q-q Kor-

relatoren

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Der Spin des Nukleons

Gluonen und Bahndrehimpuls

Die polarisierte Gluonstrukturfunktion �G(x)

� Die unpolarisierte Gluonstrukturfunktion ist aus direkten und indirekten

Messungen gut bekannt

� Gluonen tragen bei Skalen von 0.1 fm (2 GeV/ ) a. 50% des Impulses des

Protons

Vermutli h tragen sie bei glei hen Skalen au h a. 50% des Gesamtdrehim-

pulses J=L+S

� Drehimpulserhaltung fordert

1

2

=

1

2

��+ L

q

+�G+ L

G

�� wurde in (doppelt)polarisierter Lepton-Nukleon Streuung gemessen

� �G könnte von der Gröÿenordnung 1 und darüber sein

0.1

0.2

0.3

0.4

0.025

0.05

0.075

0.1

0.125

0.15

0

0.005

0.01

0.015

10-3

10-2

10-1

1

new fit

old fit

x∆u

Q2=4 GeV2 -x∆d

'static ∆g' fit

'∆g=0' fit

x

-x∆s

x

x∆g

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

10-3

10-2

10-1

1

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� Das COMPASS Experiment wird �G(x) im Berei h 0:05 <

x

g

< 0:2 messen.

� RHIC hat ein Programm zur Messung von �G(x) in

�!

p

�!

p

Stöÿen

� HERMES (A. Airapetian et al, PRL. 84 (2000) 2584) hat erste

Messergebnisse als Evidenz für ein groÿes �G interpretiert

q

γ*

qq

γ* q

G G

γ*q

q–

a) b) c)

GSA(LO)

GSB(LO)

GSC(LO)

GRSV(LO) std. and val.

xG

∆G/G

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

10-2

10-1

xgluon

∆G/G TESLA-N pairs of high pT hadrons 100 fb-1 at 250 GeV

HERMES pairs of high pT hadrons until 2005COMPASS pairs of high pT hadrons 2.0 fb-1 at 200 GeVSTAR at RHIC direct photon + jet 320 pb-1 at √s

= 200 GeV

GS-A (LO)

GS-B (LO)

GS-C (LO)

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

10-2

10-1

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Spinstruktur anderer Hadronen

� Spinstruktur des �

++

["""℄ und anderer N

� Hybride haben eine interessante Spinstruktur:

ni htexotis he Hybride 0

�+

[##*℄ und 1

��

[#"*℄

sollten mis hen mit � 0

�+

["#℄ �! 1

��

[""℄

� Su he na h einem experimentellen Zugang zur

Spinstruktur von instabilen Baryonen?

Spinstruktur von Mesonen (Hybriden und Gluebällen)?

Spinstruktur von Spin-0 Objekten?

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Harte exklusive Prozesse

� Tief virtuelle Comptonstreuung (DVCS) und der verwandte Pro-

zess, die

tief virtuelle Mesonproduktion (DVES)

W2

tN N,N*,...

γ* (Q2) γ,M

� Bei hoher Virtualtät des Photons Q

2

und kleinen t:

Theoretis he Bes hreibung dur h

verallgemeinerte Partonverteilungen (SPD's)

H(x; �; t); E(x; � t) und

~

H(x; � t);

~

E(x; � t)

(H(x; �; t)$ F

1

(Q

2

)&F

2

(x;Q

2

); E(x; �; t)$ F

2

(Q

2

)

SPD

γ* γ

p

x

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SPD's und Drehimpuls

� )X. Ji: J

q

=

1

2

R

+1

�1

dx xfH(x; � t = 0) +E(x; �; t = 0)g

Gesamtdrehimpuls der Quarks im Nukleon

� Modellierung von E(x; �; t); H(x; � t) im hiralen Soliton Modell

(Petrov et. al '98)

� SPD's sind im Berei h jxj > j�j verallgemeinerte Partonverteilun-

gen ! u(x); �u(x)

� Der Berei h jxj < j�j ist neuartig und bes hreibt q�q Korrelationen

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Erste Evidenzen für DVCS

� Interferenz mit Bethe-Heitler: Azimuthale Spin Asymmetrie

e→+p → e+γ X (0.4 < Mx < 1.4 GeV)

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

-3 -2 -1 0 1 2 3

φ [ rad ]

Sin

gle

Sp

in A

sym

met

ry FIT BY: P1 + P2 sin(φ)P1 = 0.07 ± 0.03P2 = -0.20 ± 0.05χ2/ndf = 1.49

HERMES PRELIMINARY

� H1 & Zeus sehen DVCS Beiträge

Evidenzen für DVES

� HERMES Daten für 'exklusive' � Produktion

101

10-1

100

W [GeV]

σ L(γ

* p ρ

0 p) [

µb]

<Q2> = 2.3 GeV2

HERMES

E665

101

<Q2> = 4.0 GeV2

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Kinematis he Au�ösung und

�Neue Spektroskopie�

� HERMES Daten zeigen Evidenz für ex lusive �

+

-Produktion

π+

Normalisationregion

Missing Mass [GeV]

Cou

nts

Cou

nts

π-

0

200

400

600

800

1000

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Missing Mass [GeV]

Nπ+

- N

π-

0

100

200

300

400

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

� Inelastis he Pion Produktion ni ht getrennt :

miss�mass

� 200MeV

� Kunstgri� dur h �(�

+

)� �(�

) am Proton

� Bei einer Au�ösung �

m�m

� m

=3 � 50MeV könnte man die

inelastis hen Kanäle z.B.

+ p! N

+ � trennen.

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� Theoretis h vorhergesagte Wirkungsquers hnitte für

Oktet und Dekuplet Baryonen sind groÿ

L.Frankfurt et al. PRL 84(2000)2589

� K; D

Proton Delta, N

, Y

γ*L p → π N, π ∆ , K YQ2 = 10 GeV2, t = -0.3 GeV2

π- ∆++

π+ ∆0

π+ n

K+ Λ

K+ Σ0

dσL/d

t (nb

/GeV

2 )

π0 p

K0 Σ+

xB

dσL/d

t (nb

/GeV

2 )

10-2

10-1

1

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

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� Bei geeigneter Au�ösung wird neue Strukturinformation zu-

gängli h:

� Instabile Baryonen; z.B. Spinstruktur des � oder au h

Struktur von N

1440,1520,1535(1/2

) Y

1405(1/2

),1520

� Die Struktur der beteiligten Mesonen geht dur h ihre Li htkegel

Verteilungsamplituden ein �> Mesonspektroskopie

A htung:

� Alle diese neuen Konzepte

L

q

; x < �;

0

neueSpektroskopie

0

sind derzeit in s hneller Entwi klung begri�en

� An den Korrekturen (QCD Evolution, höhere Twistbeiträge) wird

intensiv gearbeitet

� Die wenigen verfügbaren Daten stützen viele Annahmen, aber

Probleme wie bei der Behandlung von Formfaktoren bei hohen

Q

2

- können no h ni ht ausges hlossen werden

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Transversaler Spin

� Es gibt neben f

1

(x; Q

2

) (Impulsverteilung) und g

1

(Helizitätsverteilung)

eine weitere (T-2) Strukturfunktion: h

1

(x;Q

2

) (Transversalität)

1f =

g1 -=

1h = -

� Ni ht identis h mit g

1

Gluonen können ni ht in höherer Ordnung beitragen

� Neue Summenregel für die Tensorladung Æ�

� Die Struktur ist hiral-ungerade.

Wegen Helizitätserhaltung ni ht in inklusiver DIS beoba htbar

� Vors hläge für Messungen:

� Drell-Yan Prozess in transversal polarisierten Protonen (RHIC)

� Azimuthale Asymmetrien in semi-inklusiver DIS (SIDIS) am

transversal polarisierten Proton (HERMES, COMPASS)

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� Erste Ergebnisse von SMC(trans. Pol.) ) und HERMES (long.

Pol.)

zeigen gute Analysierstärke H

1

=D

1

� H

?(1)

1

(z; k

?

) Fragmentationsfunktion von transversal polarisier-

ten Quarks

� Weitere Fragmentationsfunktionen die vom transversalen Quar-

kimpuls abhängen

(tranversaler Impuls <�> ni htperturbative transversale Skalen)

� Die vereinfa hende Annahme einer Faktorisierung von SIDIS

d

2

dx dz

/ f(x) �D(z) ist bei höheren Energien besser realisiert

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ELFE

� Exklusive Photon- und Meson- Wirkungsquers hnitte

fallen mit hohen Potenzen von (1=Q)

4:::6

ab

γ* + p → M + p : (M = ρ0L, π0, γ)

xB = 0.3ρ0

L

π0

γ

Q2 in GeV2

dσ /

dt (

t = t m

in)

in n

b / G

eV2

1

10

10 2

10 3

1 10

� Kinematis he Au�ösung von �

m�m

< m

ist notwendig um exklusive

Kanäle zu isolieren

� Instantane Luminositäten bis etwa 10

36

m

�2

s

�1

können (und müssen)

genutzt werden

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� Eine 30 GeV Elektronmas hine (s=60 GeV

2

)

� mit Tastverhältnis �1

� Energies härfe �

E

=E � 1=2� 10

�3

(�

E

= 30MeV )

� ho hau�ösendes Detektorsystem �

p

=p � 10

�3

� DVES bei Q

2

� 5GeV

2

bis hinab zu x=0.1

�> ideale Voraussetzungen zum Studium von DVCS und DVES

� Eine viel höhere Strahlenergie

� würde das Studium bei kleineren x erlauben

� jedo h keine Erweiterung des Q

2

-Berei hs mit si h bringen

wg. Luminositätsgrenzen des Bes hleunigers bzw, des Detektors

� kinematis he Au�ösung �

m�m

< m

ni ht errei hbar

->Exklusivität dur h Antikoinzidenz im hermetis hen Detektor

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CEBAF � 12 GeV

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Working Do uments for White Paper Committee

Spe ial PAC 18 Review of the S ien e Driving the 12 GeV Upgrade

� Generalized Parton Distributions

� Photoprodu tion of QCD Exoti s

� A

n

1

for Valen e Quarks

� Super High Momentum Spe trometer (SHMS)

� Quark-Hadron Duality: The Resonan e-S aling Transition

� Hadrons in Nu lear Medium

� Charm at Threshold

� Pre ision Measurements of the Ele tromagneti Properties of Pseudos alar

Mesons at 11 GeV via the Primako� E�e t

� Nu leon Elasti and Transition Form Fa tors with the CEBAF at 12 GeV

Upgrade

� Measurement of Fn2/Fp2 and d/u in Deep Inelasti Ele tron s attering o�

3H and 3He

� High-Q2 Few-Body Form Fa tors

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TESLA

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TESLA

2 * 15 km SC-Lina s a 250 GeV mit SASE FEL � =0.05-5 nm

3 km Sektion (20-50 GeV) im e

(Süd)Arm wir für FEL verwendet

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ELFE � DESY

TESLA injiziert bei 25 GeV in den HERA Elektron Ring,

der als Stret her verwendet wird.

Return loop ELFE Injection

TESLA source

ELFE extraction

HERA

TESLAelectron beam

ELFE beam

ELFE�DESY Stret her-Version

Energieberei h 15-25 GeV

Max. Strom 30 �A

Tastverhältnis 88 %

Bun h Abstand 2.3 ns

Emittanz (hor.) 4 mm�rad bei 15 GeV

12 mm�rad bei 25 GeV

Energies härfe 1:2� 10

�3

FWHM � 15 GeV

2:2� 10

�3

FWHM� 25 GeV

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Aktualisierte Kostens hätzung für die Stret herversion:

Kostens hätzung 16.3.01

Baukosten: Verbindung TESLA->HERA 20 MDM

Baukosten: HERA->Strahlfänger + Strahlfänger 50 MDM

433 MHZ HF System 60 MDM

Strahlführung 30 MDM

Umkehrs hleife 33 MDM

Modi�kation der HERA Geradeaus-Sektionen 12 MDM

Polarisierte Quelle, Injektion, Extraktion, Regelsystem 15 MDM

� 220 MDM

� Kosten für Detektoren ni ht berü ksi htigt

� Energievariationen begrenzt mögli h

� Longitudinale Elektronpolarisation an (externen) Target erfordert

Aufwand

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Verglei h mit ELFE�CERN

� Wiederverwendung der LEP Kavitäten in einem �CEBAF� Design

Machine Design, Schematic LayoutExperimental Hallsø 55 m

ø 30 m6 return lines, E = ( 0.8 + n • 3.5 GeV)

Spreader

Recombiner

Linac, 72 modules (288 cavities) 1081 m

Injector, 800 MeV6 arcs

6 arcs

Enom. = 0.8 + 7 • 3.5 GeV = 25.3 GeV

300

m

SantaFe1999/ElfeRing.eps

(CERN 99-10. ed. H. Bur khardt) Kosten 366.1 MSFR=440 MDM

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Vors hlag für einen ELFE Detektor

� Vorwärts Dipol-Spektrometer

R

B dl = 5Tm mit instrumentier-

ten Innenseiten

� Vakuumkammer � Fiber Detektoren Æx � 50�m 0.5% X

0

Di ke;

� Rü kwärts Solenoid Spektrometer � PbWo

4

Kristallkalorimeter

� RICH(C

4

F

10

+Aerogel)

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Detektorau�ösung

� �Missing Mass� Au�ösung des HERMES Detektors ( a 1%)

. für exklusive Mesonproduktion

� Simuliertes Massenspektrum für

+ p! K

+

+�

(�)

; �

(�)

0

200

400

600

800

1000

1200

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

K+Hyperon05. 10000 entries, avg=1.24279167407 sigma=0.174643083311

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TESLA-N

� Semiinklusive DIS mit polarisierten Elektronen und Targets

� Nord (e

+

) Arm von TESLA bei 250-400 GeV (s=500-800 GeV

2

)

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����

����

(north arm)MagnetTESLA Main Linac

TESLA-N

250 GeV Electrons

SeparationBuildingSeparation

TESLA-NInjector

e+/e- Hall

250 GeVPositrons

from south linac

250 GeV Electrons

Hallγ/γ

TESLA-N Hall

ChicaneAbsorbers Absorbers

Preaccelerator

from

dam

ping

rin

g5

GeV

Pos

itron

s

from south linac

Electron

Polarized

Electrons250 GeV

Gun

TESLA-N Study Group hep-ph/0011299, DESY 00-160, TPR 00-20 31.Novem-

ber 2000

� Luminosität (10 Hz) 1:5 � 10

35

m

�2

s

�1

(300�COMPASS) DF= 1%

� Dreistu�ges Detektorkonzept

-2

-4

-2

-4

302520151050

0

2

4

Target

SM1MC1 RICH1

Top View (non-bending plane)

DC3

35

m

DipoleDipole

302520151050

0

2

4

Target

SM1MC1 RICH1

Top View (non-bending plane)

DC3

35

m

DipoleDipole

Dipole

DC1KP1

DC2 TRD1KP2 ECAL1 SM2 MC2-4 KP3

DC4 TRD2KP4 ECAL2RICH2 SM3 MC5-7

DC5KP5

DC6KP6 ECAL3

Erlangen 22.3.2001 27

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EPIC + ERHIC=EIC

The Ele tron Ion Collider, Whitepaper submitted to NSAC Mar h 2001

� Polarisierte p & e ; s =1000-10 000 GeV

2

(vergl. HERA s=100 000 GeV

2

)

Gold Energie/Nukleon 100 GeV/u

Max. Proton Energie 250 GeV

Ele tron Energie 10 GeV

Ele tron-Gold m Energie/Nukleon 63 GeV/u

Elektron-Proton m Energie 100 GeV

Umfang 3.8 km

Umlau�requenz 78.3 kHz

Radius in Dipolen 243 m

Luminosität pro Nukleon 10

33

m

�2

s

�1

x

min

�10 GeV

2

e-Au 1:6 � 10

�4

x

min

�10 GeV

2

e-p 1:0 � 10

�4

Erlangen 22.3.2001 28

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Physikprogramm des EIC �White Paper�

� Polarisierte

�!

e

�!

p Streuung bei kleinem s � 500� 1000GeV

2

� transversale Partonimpulse in der Fagmentation

� Spinabhängige Fragmentationsfunktionen

� Targetfragmentation �fra ture fun tions�

� �tagged � Strukturfunktionen des Deuterons, d=u

� Transversity h

1

(x) in SIDIS

� DVCS und DVES

� �neue Spektroskopie�

� Polarisierte

�!

e

�!

p Streuung bei groÿem s � 5000� 10000GeV

2

� In lusive Spinstrukturfunktion bei kleinen x � 10

�4

� Bjorken Summenregel auf 1%

� �G aus der Skalenbre hung von g

1

(x;Q

2

)

� �G(x) aus 2+1 Jet Ereignissen

� Polarisierte Strukturfunktion de Photons

� W

Produktion, Bestimmung der PV Strukturfunktion g

5

� Ho henergetis he Limes der DHG Spinsummenregel.

� e�A Kollisionen

� Strukturfunktionen und Skalenverhalten bei hohen Partondi hten

� harte di�raktive Prozesse �rapidity gap�

� Messung der Gluonstrukturfunktion

� Su he na h �Colored Glass Condensate�.

Dies ist: ENC

N

HERA-

�!

e

�!

p

N

HERA-eA

Erlangen 22.3.2001 29

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Bei Subprozessen mit s = 10GeV

2

in h-h Kollisionen sind Partonen mit

x

1

� x

2

= s=s also x �

p

s=s beteiligt.

RHIC(Au+Au)100+100: x

s=10GeV

2

= 1:6 � 10

�2

LHC (Pb+Pb) 2700+2700: x

s=10GeV

2

= 5:7 � 10

�4

Erlangen 22.3.2001 30

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Prioritäten und S hlussfolgerungen

� Kernphysik heute ist �starke� QCD

� Exklusive Elektronenstreuung erö�net neue Zugänge zu Hadronstruktur:

1. Bahndrehimpulse von Quarks und �magnetis he� Eigens haften der Nu-

kleonen

2. Mesonis he Struktur der Baryonen im neuen Berei h jxj < j�j

3. �Neue Spektroskopie� dur h Übergänge zu N

und Mesonen

� Die Hadronstrukturphysik in Europa brau ht dafür einen Elektronenbes hleu-

niger mit hohem Tastverhältnis und einer Energie E � 25GeV

� Wenn TESLA begonnen wird dann bestehen bei DESY hierfür die besten

Voraussetzungen:

� Das FEL Projekt hat ähnli he Anforderungen an die Strahlenergie.

Zur Anpassung der Pulsstruktur kann man:

� Den HERA Ring als Stret her verwenden oder

� Die Kryo-Anlage für einen Abs hnitt aufsto ken um a. 10% Tastver-

hältnis zu erzielen

� Konzeption eines Detektors, der als

� S-HERMES eingesetzt werden kann

� als ELFE Detektor verwendet wird wenn der TESLA-FEL läuft

� und au h als 1. Stufe eines TESLA-N Detektors dienen kann

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