Pomiar polaryzacji gluonów w nukleonie przeprowadzony w kanale mezonów powabnych w eksperymencie COMPASS

Transkrypt

1 Pomiar polaryzacji gluonów w nukleonie przeprowadzony w kanale mezonów powabnych w eksperymencie COMPASS Grzegorz Brona Uniwersytet Warszawski Plan: 1. Wstęp 2. Detektor COMPASS. 3. Podstawa pomiaru. 4. Metoda pomiaru w kanale D0. 5. Wyniki. 6. Pomiar w kanale hadronów o dużym pędzie poprzecznym. 7. Podsumowanie. Seminarium Fizyki Wielkich Energii 8 czerwiec 2007

2 Wstęp ½ = ½ΔΣ + ΔG + J Δu + Δd + Δs gluony q= q x dx G= G x dx orbitalne momenty pędu q i g COMPASS, HERMES, JLAB HERMES, SMC, COMPASS, RHIC q+ x q- x 2 2 Q =3GeV =0.30±0.01 stat. ±0.02 evol. z pomiarów łamania skalowania g1 SMC, HERMES, COMPASS, SLAC... rozpraszanie lepton-nucleon proton-proton (RHIC) 2

3 Eksperyment COMPASS COmmon Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy ~250 fizyków, 30 instytutów (m.in. UW, PW, IPJ) 1998 zatwierdzenie eksperymentu 2002 pierwsze zbieranie fizycznych danych Wyniki dla danych z 2002, 2003, 2004 Trwa analiza danych z

4 Spolaryzowana wiązka Wiązka μ+ Energia 160 GeV 2x108 μ/paczka (4.8/16.8 s) Polaryzacja wiązki: (2002, 2003) (2004) 4

5 Spolaryzowana tarcza dwie połówki każda 60 cm materiał deuterek litu 6LiD 6Li = 4He + D czynnik rozcieńczenia: f = 0.4 przeciwnie spolaryzowane: P = 50% T ten sam strumień mionów odwracanie polaryzacji co 8 godzin system chłodzenia: 50 mk akceptacja: ±70 mrad -> ±180 mrad 5

6 Dynamiczna polaryzacja jąder Materiał tarczy chłodzony do 0.4 K i utrzymywany w silnym polu magnetycznym wysoka polaryzacja elektronów. Naświetlanie tarczy promieniowaniem mikrofalowym o częstości, która jednocześnie obraca spiny jąder i elektronów. Elektron w ciągu milisekund wraca do pierwotnego stanu. Oddzielne systemy mikrofalowe. G. Brona, praca doktorska, UW 2007 Zamrożenie polaryzacji w 50 mk Obrót polaryzacji prostopadłe pole magnetyczne 6

7 0 16 Spektrometr COMPASS Trigger Hodoscopes ECALs & HCALs MWPCs SM2 RICH SM1 6LiD Ge V µ Filters/Walls target Straws µ Si SciFi GEMs Micromegas 7

8 Pomiar ΔG 8

9 Fuzja Fotonowo Gluonowa (PGF) asymetria na poziomie partonowym: all Funkcja struktury: ΔG/G Metoda mezonów powabnych produkcja pary cc zawartosc w nukleonie mała zaniedbywalna produkcja we fragmentacji średnio 1.2 D0 na parę cc 2 skala ustalona przez m c rozpad w złotym kanale πk Dwa hadrony o dużym pt znacznie większa statystyka (pary lekkich kwarków) silna zależność od Monte Carlo dwie próbki Q2 > 1 GeV2 procesy resolved photon zaniedbywalne Q2 < 1 GeV2 procesy resolved photon 50% 9

10 Pomiar w eksperymencie Obserwabla dostępna w eksperymencie: Aexp = N N 0 D u 0 D u N N 0 D d 0 D d Aby uniezależnić się od różnic w akceptacji spektrometru: Aexp =1 / 2 N N 0 D u 0 D u N N 0 D d 0 D d 0 D d 0 D d 0 D u 0 D u N ' N ' N ' N ' Asymetria w oddziaływaniu ln: Al N 1 = Aexp PT P B f PT polaryzacja tarczy (~50%), PB polaryzacja wiązki (~76%, 81%), f czynnik rozcieńczenia (~40%) ± 5% ± 5% ± 5% 10

11 Pomiar w eksperymencie (II) Asymetria w oddziaływaniu γn: A N 1 1 = Al N = Aexp D PT PB f D Rzeczywisty pomiar obok sygnału (S) obecność tła (B), oraz możliwa asymetria tła: A N = 1 S PT P B f D S B Aexp A BG Zaniedbywalne dla kanału D0 11

12 Ze strony teoretycznej Granice całkowania: - energia progowa na produkcję cc - całkowita energia dostępna w oddziaływaniu (ν energia γ) 2M A N x g Masa niezmiennicza γg s G x g, s 4m ds = 2M g c c ds s G x g, s 4m g c c 2 c 2 c część pędu nukleonu niesiona przez gluon 2 x g =x s /Q 1 g c c s, g c c s G x g, s, G x g, s - przekrój czynny zależny od helicity i niezależny (LO) - rozkład gluonów w nukleonie 12

13 ΔG/G Po uśrednieniu po xg: A N G = a LL G G = G a L L= 1 S PT P B f D al L S B g c c g c c Aexp Co należy zmierzyć: - PT stały monitoring (przynajmniej raz na 15 minut, NMR) - PB pomiar pędu mionu oddziałującego, PB(pμ) - f wyznaczone na początku zbierania danych - D w LO funkcja mierzonych zmiennych kinematycznych - S, B optymalny wybór sygnału (następne transparencje) - all nie odtwarzamy kinematyki na poziomie partonowym (mierzone jedno D0) symulacja Monte Carlo w LO (AROMA) - Aexp 13

14 Wybór sygnału Wielokrotne rozpraszanie w tarczy, brak detektora wierzchołka Brak rozróżnienia wierzchołków Metoda kombinatoryczna, wysokie tło Rozkłady: energii D0 do energii oddziałującego fotonu (zd0) cosinus kąta pomiędzy kierunkiem D0, a kierunkiem emisji K (w CMS D0) Rozkład dla sygnału (MC) Rozkład dla tła (dane) G. Brona, praca doktorska, UW 2007 ZD0 > 0.25 cosθ* <

15 Wybór sygnału (II) 3m 6m odrzucenie mionów filtry mionowe identyfikacja kaonów w detektorze RICH odrzucenie kaonów z próbki pionów vessel mirror wall radiator : C4F10 5m photon detectors: CsI MWPC 80 m3 gazu C4F10,116 VUV luster Aktywna powierzchnia: 5.3 m2, pixeli i kanałów odczytu identyfikacja π/k/p od 2.5/9/17 GeV do 50 GeV Studia Monte Carlo: 80% kaonów powyżej progu G. Brona, praca doktorska, UW

16 Wybór sygnału (III) S/B 1/10 S2002 : S2003 : S2004 = 1 : 2 : 4 G. Brona, praca doktorska, UW

17 Wybór sygnału (IV) D* D0 πs K π πs Cięcie na różnicy mas: 3.1 MeV < MKππ - MKπ Mπ< 9.1 MeV ZD0 > 0.20 cosθ* < 0.85 G. Brona, praca doktorska, UW

18 Wybór sygnału (V) S/B 1/1 S2002 : S2003 : S2004 = 1 : 2 : 4 Analiza prowadzona w dwu kanałach jednocześnie: D0 K π D* D0 πs K π πs G. Brona, praca doktorska, UW

19 Metoda ważenia G = G Wielkości, które zmieniają się od przypadku do przypadku PT 1 S PT P B f D al L S B PB upstream f= Aexp n pol pol n pol pol i n i i downstream G. Brona, praca doktorska, UW

20 Metoda ważenia (S/S+B) S rozkład Gaussa B dwie funkcje wykładnicze S rozkład Gaussa B funkcja wykładnicza + Gauss D0 K ππ0 S S masa S B S B 20

21 Metoda ważenia (all) Wartość all nie jest znana dla danego przypadku Wprowadzenie parametryzacji opartej na mierzonych zmiennych kinematycznych (x, y, Q2, zd0, ptd0) Zastosowanie sieci neuronowej: - na wejściu zmienne kinematyczne - na wyjściu odtworzony all - nauka sieci na Monte Carlo: AROMA (LO) GEANT rekonstrukcja - NetMaker - sieć uczona z dwoma próbkami - próby z różnymi zmiennymi 21

22 Metoda ważenia (all) Korelacja między all wygenerowanym i odtworzonym: R= C gen rec 1 C= N odchylenia standardowe N i a il L rec a L L rec a il L gen a L L gen R = 82% (dla innego zestawu zmiennych wejściowych R podobne) 22

23 Metoda ważenia - podsumowanie Minimalizacja błędu statystycznego przy wadze: i S w i = P it P ib f i Di a il L S B Zmiany PT nie są przypadkowe możliwe obciążenie syst. wyniku Stosowana waga : i S w i = P ib f i D i a il L S B Ważenie redukuje błąd ostatecznego wyniku o około 10% 23

24 S vs all Korelacja pomiędzy all i S/B S/B vs all Najwyższy S/B dla małych all antykorelacja Podział próbki D0 na podpróbki zgodnie z all, analiza w poszczególnych grupach, wynik ostateczny średnia ważona. G. Brona, praca doktorska, UW

25 Wynik dla kanału D0 G = 0.57±0.41 (stat.) G Skala: 13 GeV2 xg: 0.15, RMS:

26 Błąd systematyczny Testy wpływu czynników systematycznych objęły: Badania tła wokół sygnału D0 (asymetria tła) Badanie asymetrii w kombinacjach K+π+ i K-π Badania asymetrii tła poprzez osłabianie cięć wybierających sygnał Metodę dopasowywania równoległego asymetrii tła i sygnału Testy stabilności pracy różnych systemów detektora Testy stabilności pracy detektora w czasie (metoda pulsów) Badanie wpływu różnego binowania w all Testy różnych sieci neuronowych (nauczonych na różnych MC, zmiana mc i rozkładów partonów przy generacji) Badanie migracji przypadków pomiędzy tarczami oraz pomiędzy tarczami, a systemem chłodzenia tarczy Testowanie różnych funkcji opisujących tło i sygnał (ok. 300) Uwzględnienie niepewności: PT, PB, f 26

27 Błąd systematyczny (II) EFEKT Asymetria tła Fałszywe asymetrie Procedura binowania Sieć (MC) Dopasowanie funkcji Migracja PT PB f WKŁAD DO BŁĘDU CAŁKOWITY BŁĄD: 0.17 G = 0.57±0.41 stat. ±0.17 syst. = 0.57±0.44 total G

28 ΔG(xg=0.15) G. Brona, praca doktorska, UW G ,03 0,08 0,13 0,18 xg 0,23 0,28 0,33 0,38 2 GRV98LO: G x g =0.15, =13GeV = 7.4±5.7 total 2 MRST2004LO: G x g =0.15, =13GeV = 8.3±6.4 total G. Brona, praca doktorska, UW

29 Para hadronów z dużym pt (Q2>1 GeV2) Sygnał Tło + A=R pgf a PGF LL + G QCDC LO q RQCDC a L L R LO a L L G q gdzie RPGF, RQCDC, RLO wkłady poszczególnych procesów Próbka Q2>1GeV2 10% całej statystyki PGF Próbka MC do wyznaczenia R i a PGF LL LEPTO

30 Para hadronów z dużym pt (Q2>1 GeV2) (II) Cięcia użyte w analizie: Ślady hadronów w kalorymetrze hadronowym Brak śladów za filtrami mionowymi Odrzucenie obszaru fragmentacji tarczy (x >0.1 & z>0.1) F 0.1<y<0.9 x<0.05 małe A1d, procesy LO and QCDC zaniedbywalne p, p > 0.7 GeV T1 T2 cięcia jak w SMC p 2 + p 2 > 2.5 GeV2 T1 T2 > 1.5 GeV (odrzucenie rezonansów) Masa niezmiennicza m h h 1 2 G =0.06±0.31 stat. ±0.06 syst. G RPGF = 0.34 ± 0.07 xg = 0.13 (RMS 0.08) skala: 3 GeV

31 Para hadronów z dużym pt (Q2<1 GeV2) Procesy bezpośrednie: Procesy z resolved-photon: 90% statystyki -> ~ przypadków z qq qq + qq gg + gg qq 0.6% pomijalne 31

32 Para hadronów z dużym pt (Q2<1 GeV2) (II) Frakcje poszczególnych procesów otrzymane z MC: PYTHIA opis detektora - GEANT 32

33 Para hadronów z dużym pt (Q2<1 GeV2) (III) A=R PGF a PGF LL G G q RQCDC a q qq q q Rqq a L L q q QCDC LL Rqq a qg LL q G q G g g G G Rg g a L L G G zaniedbywalne zaniedbywalne 33

34 Para hadronów z dużym pt (Q2<1 GeV2) (III) Rezultat 2002/3/4: G =0.016±0.058 stat. ±0.055 syst. G xg: skala: 3 GeV

35 Pomiar g1d w COMPASS-ie 35

36 ΔG/G z łamania skalowania Mała precyzja Brak pomiarów przy małych x, brak pomiarów w zderzaczach 36

37 Podsumowanie obecnych pomiarów ΔG/G Nowe wyniki COMPASS-a (Phys Lett B647, 2007, 8): punktów eksperymentalnych g, w tym 43 z COMPASS-a 1 Dwa rozwiązania na ΔG ΔG>0 Dla obu rozwiązań: ΔG 0,2-0,3 ΔG<0 37

38 COMPASS w 2006 roku Wyniki z analizy par hadronów z dużym pt (Q2>1) dostępne niedługo znaczna redukcja błędu statystycznego Analiza kanału D0 dla lat wciąż trwa (ostateczny wynik latem) Dla kanału z dużym p rozważana możliwość wyznaczania ΔG/G w T binach xg Ulepszenia w 2006 roku: Nowy solenoid tarczy lepsza akceptacja (+30%) Liczne ulepszenia detektora RICH Nowe detektory śladowe (m.in. SCI-FI Warsaw) Prawdopodobne podwojenie statystyki

39 Pomiary w RHIC (I) Program przy detektorach STAR i PHENIX Zderzanie protonów o energiach 100 i 250 GeV Znacznie bardziej skomplikowane tło

40 Pomiary w RHIC (II) Przykładowy wynik (STAR, produkcja jetów, 2006, prezentowane na DIS2007): Procedura: - pomiar asymetrii na produkcję danego stanu końcowego - porównanie z asymetriami, jakie przewidywane są dla konkretnego założenia o polaryzacji gluonów Nie jest to pomiar bezpośredni ΔG, polega on na wykluczeniu scenariuszy, które są niezgodne z jego wynikiem. Dane z RHIC-a wskazują na niewielkie ΔG.

41 Podsumowanie Pomiary ΔG w końcu wchodzą w fazę pomiarów precyzyjnych Wszystkie rezultaty wskazują, że ΔG jest małe (<1.0) Znak wciąż pozostaje nieznany Potrzebna znajomość zależności względem x Analiza NLO Więcej wyników z COMPASS-a i RHIC-a w najbliższej przyszłości

42 2 hadrons with high pt (Q2<1 GeV2) For Δq/q GRV98 & GRSV2000 used The problem: Photon polarized PDFs are a sum of a perturbative part and a non-perturbative. Perturbative part Δqγ can be calculated pert Non-perturbative part Δqγ has to be measured nonpert But it is not measured yet! An estimation: -qγnonpert < Δqγnonpert < qγnonpert The uncertainty is included in a systematical error

43 2 hadrons with high pt (Q2<1 GeV2) The systematical error can be decomposed: False asymmetries (experimental systematics): Resolved photon contribution: Monte Carlo tuning: The MC parameters were changed in a range where the resonable agreement between the data and MC remains 30% difference in R found PGF

44

45

46

47

48

49 Results from COMPASS G dx=2.5 G dx=0.62 G dx=0.16 much higher scale

50

51 Values used for extraction of ΔG/G

52

53

54 Produkcja spolaryzowanej wiązki tarcza berylowa ~500 mm długości produkcja K oraz π akcelerator protonów SPS absorber przechodzą μ oraz ν Wtórna wiązka π 500 m kanał rozpadowy 7%: π μν wiązka μ+ ogniskowanie i wybór pędu 160 GeV szerokość 8 GeV 2x108 μ/paczka 400 GeV protony ~1013 p/paczka paczki 4.8/16.8 s 54

55 Produkcja spolaryzowanej wiązki (II) rozpad π μν łamie parzystość w układzie spoczynkowym pionu μ są w 100% spolaryzowane w LAB: E 2 m 1 2 P = Średnia polaryzacja wiązki: E m 2 m2 m (2002, 2003) (2004) G. Brona, praca doktorska, UW

56 56