Transcript ppt (15,4 MB)

DIS – sprawy do wyjaśnienia
Jan P. Nassalski
Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
1
PLAN REFERATU:
• DIS cząstek niespolaryzowanych
• DIS cząstek spolaryzowanych
• Projekty nowych akceleratorów
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
2
Badanie struktury nukleonu
Badanie elementarnych
składników materii
Jako narzędzie do odkryć:
przy LHC,
plazmy kwarkowo-gluonowej
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
Zastosowanie QCD:
faktoryzacja
asymptotyczna swoboda
Zrozumienie QCD:
spin,
uwięzienie,
rachunki na siatkach
3
Za masę materii nukleonowej jest odpowiedzialna QCD
Masa (MeV)
B. Müller, Nucl. Phys.
A 750 (2005) 84
99% masy protonu pochodzi od pola gluonowego – mechanizm Higgsa prawie nie
ma znaczenia
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
4
Sprawy do wyjaśnienia
Małe x (duża gęstość partonów) - nie widać saturacji;
trzeba mniejszych x i większych Q2.
Duże x – słabo znane;
wymagają większych świetlności.
FL – słabo znana,
Struktura neutronu – mało zabadana.
Struktura jąder- mało zbadana.
Leptokwarki?
Wypadkowy spin gluonów – słabo znany.
Orbitalny moment pędu partonów – nie znany.
Nowe koncepcje: GPD, „tomogram” nukleonu
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
5
DIS cząstek niespolaryzowanych
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
6
Obszar kinematyczny danych DIS niespolaryzowanych
Obszar głębokonieelastyczny:
Q2 > 2 - 4 GeV2
W2 = (1-x)/x Q2 > 10 - 15 GeV2
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
7
Funkcja struktury F2p
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
8
Parametryzacje rozkładów kwarków i gluonów (PDF)
INPUT do PDF:
Parametryzacje nie są w pełni zgodne.
Olbrzymia gęstość gluonów przy małych x.
PDF są inputem do LHC.
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
9
Funkcja struktury FL

d 2 epeX 4 2 
y2 
y2
2
2
1  y   F2 ( x, Q )  FL ( x, Q )

2
4 
2 
2
dxdQ
xQ 

Niezależny pomiar gluonów
w obszarze małych x.
Test DGLAP dla analizy
F2 dla małych x.
FL - słabo znana
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
10
Pomiary αS
1. Najmniej znana stała sprzężenia.
Jej niepewność jest ważna dla
przewidywań GUT.
2. Wartości αS z analiz DIS są poniżej
średniej światowej:
POMIARY S
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
11
F2 dla małych x
Spektakularny wzrost gęstości partonów o małych x
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
12
Efekt „wysycenia” gęstości partonów
Dla małych x unitarność wymaga spadku
wzrostu („wysycenie”) gęstości partonów:
Rekombinacja gluonów spodziewana dla:

Q2
g(x, Q2) ~  Rp2
Efektów „wysycenia” nie obserwuje w danych F2 z HERY (niektórzy widzą niewielkie
efekty w innych danych z HERY).
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
13
Pomiar rozmiaru kwarka
Czy kwark ma
wewnętrzną
strukturę?
Zakłada się, że ładunki EW mają rozmiar < r >:
d/dQ2 = SMvalue x f(Q2)
f(Q )  1 2
< r2 >
6
2
Q
Poniżej 0.001 fm
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
14
Stany związane lepton-kwark
Leptokwarki występują w rozszerzeniach MS;
sposób na wyjaśnienie symetrii pomiędzy sektorem leptonów i
kwarków.
Produkowane parami w pp,
pojedynczo w ep:
Nie obserwowane przy HERZE
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
15
PDF w LHC
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
16
Przekroje czynne przy LHC
proton
proton
M
x1 P
x2 P
gdzie X=W, Z, H, dżety o dużej-ET, …
Rachunki
w określonym rzędzie pQCD i EW,
w przybliżeniu wiodących logarytmów
(LL, NLL, ...)
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
17
Ekstrapolacje PDF do obszaru LHC
proton
proton
M
x1 P
x2 P
x1 i x2 określone przez masę M i
pośpieszność y.
f(x,Q2) dane przez PDF i przez
zależność od Q2 opisywaną
równaniami DGLAP:
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
DGLAP evolution
18
Wpływ precyzji PDF na przewidywania przy LHC
Przykład:
PDF @ M=100GeV
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
σW @ LHC
Znaczenie danych z HERY:
przyczynek do niepewności
od PDF zmniejszył się
z 17% do 3%.
19
Wpływ pomiarów przy LHC na PDF
Standardowe pomiary (W,Z,tt)
dla centralnej produkcji (y=0)
będą testem PDF w obszarze
x ~ 10 -2±1, Q2 ~ 104-6 GeV2,
gdzie spodziewamy się Nowej
Fizyki (H, SUSY, ….)
Produkcja do przodu stanów
o (względnie) małych masach
(np. *,W,Z,didżety) jest
określona przez partony o
x<<1 (i x~1).
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
20
DIS cząstek spolaryzowanych
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
21
Dekompozycja spinu nukleonu
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
22
Struktura spinowa - eksperymenty
DIS
SIDIS
pp
Spolaryzowane DIS (podłużne asymetrie spinowe, g1):
EMC
Spolaryzowane semiinkluzywne DIS:
EMC
Oddziaływania pp spolaryzowanych protonów (RHIC):
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
23
Funkcja struktury g1p – dane światowe
g1p
dla porównania ...
F2p
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
24
Funkcje struktury g1p,d,n(x) – dane światowe
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
25
SPIN OD KWARKÓW
ΔΣ
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
26
Wartość ΔΣ – dobrze znana
Γ1d:
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
27
Δq – polaryzacje kwarków
xΔu
xΔd
xΔu
xΔd
xΔs
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
28
SPIN OD GLUONÓW
ΔG
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
29
Δg/g z PGF: CERN/HERMES (LO)
(2000)
Przy różnych skalach:
~ 1 – 10 GeV2
high-pT
Q2 > 1 GeV2
new
high-pT
(2004)
J.P. Nassalski
Q2 < 1 GeV2
charm
Seminarium FWE, 24.IV.2009
30
Δg/g z RHIC (PHENIX i STAR)
x 
2 pT
s
64.3 GeV
200 GeV
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
31
PDF z globalnej analizy danych (SI)DIS i pp
DSSV08
Dane: EMC, SLAC-Exxx, SMC, HERMES, COMPASS, Hall-A,
CLAS, PHENIX, STAR
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
32
Porównanie PDF spolaryzowanych gluonów
DANE
COMPASS PGF
HERMES PGF
RHIC
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
33
SPIN OD ORBITALNEGO
MOMENTU PĘDU
KWARKÓW
ΔΣ
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
34
Wyniki rachunków QCD na sieciach
Lu + Ld ≈ 0  orbitalne momenty pędu kwarków u i d kasują się!
Jd ≈ 0  orbitalny moment pędu i spin kwarków d kasują się!
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
35
Uogólnione Rozkłady Partonów
Generalised Parton Distributions
GPD:
t
γ, π, ρ, ω…
-2ξ
x+ξ
x-ξ
ξ=x/(2-x)
~
~
H, H, E, E (x,ξ,t)
Reguła sum Ji
Formfaktory elastyczne
Standardowe rozkłady parton.
2Jq =  x(H+E)(x,ξ,0)dx
x
 H(x,ξ,t)dx = F(t)
J.P. Nassalski
x


1  1   Lq  G  Lg 
2 2
Seminarium FWE, 24.IV.2009
H(x,0,0) = q(x),
~
H(x,0,0) = Δq(x)
36
Ekstrakcja GPD z DVCS
ep
  

A =     =
2
ep
x = xB/(2-xB)
k = -t/4M2
Spolaryzowana wiązka, niespol. tarcza:
~
LU ~ sinf{F1H + x(F1+F2)H +kF2E}df
BSA
~
H(x,x,t), H(x,x,t), E(x,x,t)
Kinematyczne tłumienie
Niespol. wiązka, tarcza spol. podłużnie:
UL
~
~ sinf{F H+x(F +F )(H + … }df
1
1
2
~
H, H
LTSA
Niespol. wiązka, tarcza spol. poprzecznie:
UT ~ sinf{k(F2H – F1E) + ….. }df
H, E
TTSA
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
37
Definicje kątów
Definicja kątów φS i φ w rozpraszaniu na tarczy spolaryzowanej poprzecznie:
Rozkłady asymetrii są interpretowane w ramach modeli,
które parametryzują GPD przez Ju i Jd..
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
38
Wyniki pomiarów asymetrii DVCS
ep
Hermes DVCS-TTSA:
ep
[HallA, PRL99(2007)]
-t (GeV2)
x
VGG
Q2 (GeV2)
JLAB Hall A nDVCS-BSA:
en
J.P. Nassalski
en
Seminarium FWE, 24.IV.2009
39
Ju i Jd z asymetrii DVCS
Sieci
Nie najgorsza konsystencja pomiarów z przewidywaniami na sieciach QCD.
Modele dają nieco różne przewidywania.
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
40
Efekt Siversa
SIDIS
Asymetrie rozkładów azymutalnych hadronów w
„twardych”oddziaływaniach na tarczy spolaryzowanej poprzecznie.
μ p↑ → μ πX
y
j  j0  j z
γ
*
x
z
j  j0  j z
+ oddziaływanie w stanie końcowym
J.P. Nassalski
FWE,lewo-prawo
24.IV.2009
 Seminarium
ASYMETRIA
Wirtualny foton „widzi”
różny prąd kwarkowy.
góra
dół
41
Efekt Siversa
COMPASS - tarcza protonowa
HERMES - tarcza deuteronowa
Niezerowe asymetrie?
Tak – dla π+ i K+
na protonie (HERMES)
Nie – na deuteronie (COMPASS)
Efekt zależy od zapachu
kwarka?...
Input dla teoretyków:
Brodsky, Ellis, Scopetta, ...
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
42
GPD – „tomogram” nukleonu
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
43
Tomogram protonu z fitu do formfaktorów F1,2p,n
Tomogram nukleonu z fitu do formfaktorów F1,2p,n
uV
dV
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
44
PROJEKTY NOWYCH
AKCELERATORÓW
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
45
Nowe projekty: świetlność i energia
EIC
ENC
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
46
LHeC
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
47
LHeC
LHeC: Large Hadron electron Collider w LHC:
unpolarised 5-140 GeV e± + 1-7 TeV p/A, L = 1033cm-2s-1
RING-RING
Duża świetlność
Ee < 70 GeV
J.P. Nassalski
LINAC-RING
Mała interferencja z LHC
Ee  140 GeV
Seminarium FWE, 24.IV.2009
48
70 GeV e + 7 TeV p: obszar kinematyczny
New physics, distance
scales few . 10-20 m
s  1.4 TeV
x  106 dla
Q 2 > 1 GeV2
Large x
partons
High precision
partons in LHC
plateau
High
Density
Matter
J.P. Nassalski
Nuclear
Structure
& Low x
Parton
Dynamics
Seminarium FWE, 24.IV.2009
49
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
50
JLAB: CEBAF 6  12 GeV (zatwierdzony)
Prace rozpoczęły się i mają
być zakończone w 2015 r.
Wiązki
spolaryzowane
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
51
CEBAF 12 GeV - fizyka
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
52
CEBAF 12 GeV – obszar kinematyczny
Akces do obszaru x>0.3, gdzie dominują kwarki walencyjne
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
53
Electron-Ion Collider (EIC) = ELIC lub eRHIC
Wiązki
spolaryzowane
A.Lung
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
54
EIC – fizyka i możliwości zderzacza
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
55
EIC – obszar kinematyczny
5 fb-1, 7 GeV e + 150 GeV p
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
56
ENC@FAIR
ENC @ FAIR
Wish list:
P
L > 1032 /cm2s
HESR
pRing
s1/2 > 10GeV
(3.3GeV e-  15GeV p)
eRing
PANDA
polarised e- ( > 80%)
↔
polarised p / d ( > 80%)
(transversal + longitudinal)
eusing the PANDA detector
as much as possible
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
57
ENC – problematyka fizyczna
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
58
Podsumowanie nowych projektów
R. Millner, „MAMI and Beyond”, 1.4.2009
• The Electron-Ion Collider is the next generation accelerator concept for the
study of QCD in the U.S.
• In Europe, LHeC as a future evolution for CERN and ENC@FAIR are under
discussion.
• It is highly desirable to have a single EIC accelerator design by ~ 2012.
• Study of the staged eRHIC scenario is getting underway.
• We look forward to the joint ENC/EIC meeting at GSI, Germany on
May 28,29, 30.
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
59
Pro Domo Sua ...
Nadesłano 151 abstraktów.
COMPASS:
Transverse spin asymmetries,
GPD via DVCS,
Longitudinal spin structure of the nucleon,
Drell-Yan physics,
Doubly charmed baryons,
Tests of ChPT (Primakoff effect),
More intense and energetic muon beam.
„Workshop will overview
and discuss plans to diversify the scientific60
Seminarium FWE, 24.IV.2009
programme for non-LHC experiments”.
J.P. Nassalski
Podsumowanie
Bardzo duża aktywność w opracowaniach koncepcji nowych
urządzeń
http://web.mit.edu/eicc
http://www.ep.ph.bham.ac.uk/exp/LHeC/
Realizowane:
upgrade detektorów PHENIX i STAR przy RHIC,
CEBAF 6  12 GeV.
Nowe, najbardziej prawdopodobne urządzenie:
EIC w BNL lub JLAB
Główne kierunki badań:
spin nukleonu, GPD,
kwarki o dużych x w nukleonie,
rozkłady kwarków i gluonów w jądrach.
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
61
KONIEC
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
62
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
63
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
64
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
65
MEeIC parameters for e-p collisions (2 GeV option)
not cooled
pre-cooled
high energy cooling
p
e
p
e
p
e
Energy, GeV
250
2
250
2
250
2
Number of bunches
111
Bunch intensity, 1011
2.0
0.31
2.0
0.31
2.0
0.31
Bunch charge, nC
32
5
32
5
32
5
Normalized emittance, 1e-6
m, 95% for p / rms for e
15
37
6
14.7
1.5
3.7
rms emittance, nm
9.4
9.4
3.8
3.8
0.94
0.94
beta*, cm
50
50
50
50
50
50
rms bunch length, cm
40
1
40
1
40
1
1.5e-3
12
3.8e-3
31
0.015
120
beam-beam for p /disruption
for e
Peak Luminosity, 1e32,
cm-2s-1
J.P. Nassalski
111
0.93
Seminarium FWE, 24.IV.2009
111
2.3
9.3
66
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
67
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
68
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
69
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
70
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
71
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
72
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
73
Low x : saturation of the gluon density
• Expect some saturation mechanism at low x :
Saturation, or gluon recombination, when

Q2
(naïve estimate…)
g(x, Q2) ~  Rp2
  0.08
At low x, DIS can be viewed
as the high
_
energy scattering of a qq dipole
with the proton. Unitarity !
~ W2
( W2 = Sp ~ Q2 / x )
• However : no “taming”
of the rise of F2 at low x observed in HERA data.
J.P. Nassalski
  0.4
[ though some “hints” of saturation may have been seen elsewhere in
HERA data… ]
Seminarium FWE, 24.IV.2009
74
x
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
75
J.P. Nassalski
Nuclear xg(x) is unknown
for x below ~ 10-3 !
Seminarium FWE, 24.IV.2009
76
DVCS with transversely
polarized target from
HERMES & Jlab
J.P. Nassalski
Ji DIS2008
Seminarium FWE, 24.IV.2009
77
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
78
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
79
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
80
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
81
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
82
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
83
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
84
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
85
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
86
Sposób na zwiększenie gęstości gluonów
Gęstość partonów o małych x rośnie jak
Unitarność  wysycenie przy Qs2
1
x
W jądrze spodziewamy się zwiększenia gęstości partonów na
jednostkę powierzchni, w porównaniu z nukleonem:
1
1
G A /  RA2
GA
3
3

A

A
2
GN /  rN
AGN
 6 for A  200
•
xep  Q
2
s

Przykład:
X eA  Qs2 
 4 13 
 A 
3

1

Q2= 4 GeV2
< 0.3
A = 200
xep=10-6 for xeA = 10-3
J.P. Nassalski
Jądro jest „wzmacniaczem gluonów”.
eA w eRHIC ≈ podobna gęstość
partonów co
ep przy energii LHC!
Seminarium FWE, 24.IV.2009
87
Dziwna polaryzacja dziwnych kwarków
ΔQ=Δq+Δq
Nowe wyniki HERMESA przy użyciu
asymetrii naładowanych K i tarczy
deuteronowej.:
ΔS = 0.037± 0.019 ± 0.027
0.02 < x < 0.6
Q2 = 2.5 GeV2
ΔS z poprzednich danych :
COMPASS: -0.08 ± 0.01 ± 0.02
HERMES: -0.085 ± 0.013 ± 0.08 ± 0.09
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
88
J.P. Nassalski
Seminarium FWE, 24.IV.2009
89