La fisica dello spin del nucleone con sonde di...

La fisica dello spin del nucleone con sonde di leptoni

Federica SozziUniversita’ di Trieste e INFN

Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 2

Deep Inelastic Scattering

La maggior parte delle informazioni sulla struttura del nucleone provieneda esperimenti di Deep Inelastic Scattering (DIS) con fasci di leptoni.Anni ’70 esperimenti a SLAC: prime informazioni sulle funzioni di strutturanon polarizzate F1 e F2 scoperta dello scaling, relazione di Callan-Gross,

sviluppo del modello a partoni

Allo stato attuale F2 e’ misurato da diversi esperimentiin un ampio intervallo cinematico.

Interpretazione a LO in termini di Parton Distribution Function:

(x)qq(x)ex(x)Fq

2q2 s d, u, q

Accesso a q(x) tramite fit globali dei dati esistenti


DIS polarizzatoTramite esperimenti DIS con fascio e bersaglio polarizzati longitudinalmente, si accede alla funzione di struttura di spin g1 del nucleone.Misure inclusive: solo il leptone diffuso e’ rivelatoOsservabili: asimmetrie ottenute confrontando sezione d’urto conpolarizzazioni del fascio e bersaglio parallele e antiparallele:

A LO, g1 per il protone o neutrone ha una semplice interpretazioneprobabilistica in termini di distribuzioni di elicita’ per diversi sapori:

dddd

A||1

12|| )1(~Fg

DA

(x)qq(x)e21(x)g

q2q1


Crisi dello spinEMC al CERN: prima misura su unampio intervallo in x, da cui e’ statopossibile integrare g1

p e accedere alprimo momento 1

p

Contributo dei quark allo spin e’ piccolo! “crisi dello spin” nel modello a partoni

EMC, 19880.0190.013 0.1231 p

Da 1p, si ottiene il contributo dei quark allo spin del nucleone:(usando altre due relazioni tra le elicita’ per u d e s dai decadimenti deboli degli iperoni):

qqe21(x)g

q2q11 dx

0.170.12)ss()dd()uu (


Crisi dello spin: soluzioni

Grande sviluppo teorico/fenomenologico per capire e interpretare il risultato

Decomposizione dello spin in cui tutti i termini hanno un’interpretazioneprobabilistica:

Contributo dello spin del gluone G :G contribuisce a g1 tramite “splitting” gqqbar (equazioni DGLAP );interpretazione di g1 e’ piu’ complicata fit globali per estrazione di q e G

Necessita’ di misure dirette di G:Proposte di esperimenti a SLAC, CERN, DESY

Contributo del momento angolare orbitale di quark e gluoni LNon accessibile sperimentalmente;Recente interesse in misure di GPDs, che danno accesso al momento angolare totale di q e g

LG21

21


Misura di g1

x -210 -110 1

p 1xg

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

EMC

SMC

E143

E155

HERMES

CLAS W>2.5

COMPASS

COMPASSPRELIMINARY

x -210 -110 1

d 1xg

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04SMC

E143

E155

HERMES

CLAS W>2.5

COMPASS

Oggi misure di precisione di diversiesperimenticonfermano il risultato di EMC

Esperimenti condiverso intervallo cinematicocopertogrande intervallo in x(solo COMPASS a piccolo x)


Misura di g1

-Dati da esperimenti a bersaglio fisso Correlazione tra x e Q2-Intervallo cinematico molto piccolo se confrontato con l’equivalente figura per F2

] 2 [GeV2Q1 10 210

)+c(

x)

2(x

,Qp 1g

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

x=0.006

x=0.015

x=0.025

x=0.035

x=0.049

x=0.077

x=0.120

x=0.170

x=0.240

x=0.340

x=0.480

x=0.740

EMC

SMC

E143E155

HERMES

CLAS W>2.5

COMPASSLSS 05

COMPASSPRELIMINARY


SIDISMaggiori informazioni sulle distribuzioni di elicita’tramite DIS semi-inclusivo: un adrone e’ rivelato in coincidenza con il leptonediffuso

Correlazione tra l’identita’ dell’adronee il sapore del quark colpito, descritta dalle funzioni di frammentazione

•PDF per diversi quark e antiquark accessibili (al contrario del DIS)•separazione in sapore risoluzione di un sistema di equazioni(asimmetrie su diversi bersagli e per diversi tipi di adroni) in cui appaionoPDF e FF

Dalla misura di asimmetrie di spin ottengo informazioni su q:

A LO: hqq

2q

hqq

2q

Dqe

DΔqe

h

1A


SIDIS

Asimmetrie inclusive e semi-inclusive su protone da COMPASS e HERMES; dati simili per deuterio


Misura di G

Approccio recente: fit globali al NLO di dati DIS, SIDIS e collisioni pp a RHICcon estrazione di q e G

Esempio: DSSV fit


Misura di G

Due selezioni:

•stato finale con produzione di charm (q=c): COMPASSD0K e D*D0 Statistica limitata, interpretazione teorica facile

•Stato finale con uno o due adroni con alto pT : COMPASS, HERMESInterpretazione difficile (MC necessario per stimare l’apporto di fondo)

Questa segnatura e’ anche usata per accedere a G in p-p scattering a STAR e PHENIX (RHIC)

Misura diretta tramite processi“Photon Gluon Fusion”:produzione di coppie quark-antiquark, che frammentano in due gettidi adroni nello stato finale


Misura di G

-210 -110-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

x

g/g

Δ

COMPASS, open charm, prel., 02-07, prel., 02-042<1 (GeV/c)2, Q

TCOMPASS, high p

, prel., 02-042>1 (GeV/c)2, QT

COMPASS, high p, arXiv:1002.3921 2 hadrons, all Q

THERMES, single high p

2>1 (GeV/c)2, QT

SMC, high p2=3(GeV/c)2μG>0, Δfit with 2=3(GeV/c)2μG<0, Δfit with


TCOMPASS, high p

, prel., 02-042>1 (GeV/c)2, QT



2>1 (GeV/c)2, QT



TCOMPASS, high p

, prel., 02-042>1 (GeV/c)2, QT



2>1 (GeV/c)2, QT


- Misure compatibili, coprono un intervallo limitato di xg- Risultati confrontati con estrazioni di G da fit di g1: due soluzioni con segnoopposto entrambe compatibili con i dati.

La polarizzazione del gluone e’ determinata con grandi incertezze, ma grandi valori sono sfavoriti; confermato anche dalle misure a RHIC


Transversita`A causa della natura relativistica del moto dei quark leggeri, esiste una terza PDF indipendente con interpretazione probabilistica:

Distribuzione di trasversita’

Evoluzione in Q2 diversa, non dipende da G

Non misurabile in DIS, ma solo in SIDIS tramite “effetto Collins”:asimmetria destra/sinistra nella distribuzione di un adrone prodotto dallaframmentazione di un quark polarizzato trasversalmente asimmetria azimutale, difficile da misurare

qhq

2q

qhq

0TT

2q

Coll DqeDΔqΔe

AFunzione di Frammentazione di Collins:Descrive la correlazione tra lo spin del quark che frammenta e il momento dell’adroneprodottoAccessibile anche in reazioni e+e-h Belle, Babar


Asimmetrie di Collins

Bjx-210 -110

C

oll

A

-0.1

0

0.1

0.2positive pionsnegative pions

z

0.2 0.4 0.6 0.8

[GeV/c]t

p0.5 1 1.5

COMPASS: 2003-2004

Bersaglio: protone Due misure: deuterio e protone

Asimmetrie su p diverse da zero trasversita’ e FF di Collins entrambe diverse da zero Asimmetrie su d compatibili con zero cancellazione tra contributo di u e dAsimmetrie su p per + e - di segno opposto

unfav0Tfav

0T D-Δ~DΔ


Asimmetrie di CollinsPrima estrazione della trasversita’ per u e d quark (Anselmino et al )

Dati usati:Hermes + e - su pCompass h+ e h- su dBelle e+e-

Prime informazioni su Tq,ancora lontani dal livello di conoscenzache si ha per q

Piu’ dati sono necessari(Compass su p, asimmetrie su K,Babar e+e-…)

Soffer bound

helicity


TMDL’effetto Collins non e’ l’unica sorgente di asimmetrie azimutali in SIDIS. Tenendo conto della componente del momento dei partoni trasversa al momentodell’adrone, pT, la descrizione della struttura adronica diviene piu’ complessa e necessita di 8 “Transverse Momentum Dependent” PDF. Queste TMDs descrivono la correlazione tra momento e spin del partone e/o dell’adrone, e danno origine a diverse modulazioni nella sezione d’urto SIDIS.

PDF di Sivers :correlazione tra pT

del partonee spin del nucleone


Asimmetrie di Sivers

Bjx-210 -110

S

ivA

-0.1

0

0.1

0.2positive pionsnegative pions

z

0.2 0.4 0.6 0.8

[GeV/c]t

p0.5 1 1.5

COMPASS: 2003-2004Bersaglio: protone Due misure: deuterio e protone

Piccolo segnale visto solo in + su p, ampiezza leggermente diversa per COMPASS e HERMES diversi intervalli cinematici possono giocare un ruoloInteressanti anche le asimmetrie su K+, maggiori di +

ruolo non trascurabile del quark s


Prime informazioni da JLabJLab Hall A (6GeV) primi risultati bersaglio di 3He Accesso a neutrone

Collins in accordo con le misure Hermes e COMPASS

Sivers piu’ piccolo delleprevisioni


ConclusioniA distanza di più di 20 anni dalla 'crisi dello spin', lo studio della struttura dellospin del nucleone è un campo di ricerca ancora attuale e attivo.

Negli ultimi 10 anni un grande sforzo sperimentale ha permesso di ottenere:

- , G piccoli interesse spostato sulla terza componente dello spin;Misure di DVCS: accesso a GPD e momento angolare totale dei partoni(COMPASS 2, JLab)-Prima estrazione della trasversita’ e prime informazioni sulle TMDsNei prossimi anni dati SIDIS da:

COMPASS (2010) su p JLAB (6 + 12 GeV)

e informazioni complementari da p-p (RHIC) e Drell-Yan (COMPASS 2, RHIC, FNAL, PANDA….)

Futuro :-Costruzione Electron-Ion Collider polarizzato, ruolo simile a Hera per DIS non polarizzato


Laboratori

eGeV27

DESY

Intervallo in x-Q2

copertocon fasci di energia160, 27.5 e 6 GeV

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