Thématique et contexte du projet

Compass= Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy
Le programme expérimental Compass comporte deux volets :
- La structure en spin du nucléon : polarisation des gluons, transversité, polariastion des quarks...
- La spectroscopie des hadrons : hadrons charmés, états exotiques, glueballs,...


Localisation L'expérience Compass NA58 est située auprès de l'accélérateur SPS du Cern à Genève.

Collaboration La collaboration Compass regroupe 26 instituts venant de 12 pays, dont l'Allemagne, l'Italie, la France et la Russie.

Pour l'étude de la structure en spin du nucléon, un faisceau de muons naturellement polarisé de haute intensité (2 10⁸ μ/s) et d'énergie de 160 GeV est diffusé sur une cible polarisée de deutons (Li6D) ou protons (NH3). Pour déterminer la contribution du spin des gluons au spin du nucléon, on mesure l'asymétrie de spin des événements de 'fusion photon gluon' qui sont sensibles à la distribution des gluons dans le nucléon. Deux processus permettent de 'signer' ces événements: la production d'un méson charmé D0 dont on détecte les produits désintégration, un pion et un kaon, ou la production d'une paire de hadrons à grande impulsion transverse. La prise de données dure environ cinq mois chaque année depuis 2002, date de mise en service du spectromètre, et à l'exception de 2005, où aucun faisceau n'a été délivré.

Description technique

Un spectromètre à haute résolution et supportant les hauts flux de particules a été mis au point pour identifier et reconstruire la trajectoire des particules sortantes, muons, pions et kaons. Il est constitué de 2 étages, le premier pour les grands angles et le second pour les petits angles. Chaque étage comprend un aimant dipolaire entouré de détecteurs de particules (fibres scintillantes, détecteurs à micropistes dont 12 détecteurs Micromegas et des GEMs, chambres à fils, etc…) permettant de reconstruire la trajectoire des particules et donc leur impulsion, des calorimètres hadroniques et électromagnétiques, et un mur à muons. Un détecteur de type "Rich" (Rich Imaging Cerenkov) permet la distinction des pions, kaons et protons. Le spectromètre est opérationnel depuis 2002.


Spécificités

- Cible polarisée de grand volume (3 cellules de 30, 60 et 30 cm de long) dans solénoide supraconducteur.
- Système complet de détection des particules chargées avec identification des muons, pion, kaons, protons.
- Détecteurs Micromégas haut flux résolution <90 um; détecteurs GEMs.
- Chambres à dérive 1.2x1.2m2 supportant flux élevé, résolution spatiale ~200um.
- Rich (Rich Imaging Cerenkov)pour identification pions, kaons, protons.
- Système d'acquisition permettant d'enregistrer des volumes importants de données ( > 300 mégaoctets par cycle de 16.8s).

Contribution du Dapnia

Responsabilités scientifiques et techniques

DEVELOPPEMENTS TECHNIQUES POUR OPERATION DES 2002:

- Conception, réalisation et fonctionnement de 12 détecteurs Micromégas de 40x40 cm², actuellement les plus grands détecteurs gazeux à micropistes. Tenue au flux (450 kHz) remarquable, résolution spatiale 70um à bas flux, 90um à haut flux, résolution temporelle 9ns.
- conception et réalisation de l'électronique rapide associée (12000 voies), dont conception chip ampli-discri SFE16.
- réalisation et fonctionnement de 3 chambres à dérive de 1.2x1.2 m² (8 plans par chambre, haut flux, résolution spatiale ~200um) et de l'électronique de lecture ( Amplis ASD8 + TDC F1).
- remise en service solénoïde supra de SMC, et utilisation de 2001 à 2004
- développement des programmes de reconstruction des traces dans le spectromètre.
- développement du programme de calcul analytique d'erreurs. pour optimisation choix geométrie detecteurs

RESPONSABILITES SCIENTIFIQUES DU GROUPE:
- porte-parole de l'expérience de 02/2003 à 02/2009.
- coordination du run (2002, 2003, 2006 et 2007).
- coordination de l'analyse de 10/1999 à 06/2001.
- coordination technique (07/2003-07/2006).
- comité de publication (07/2001-12/2007).

DEVELOPPEMENTS TECHNIQUES RECENTS POUR RUNS 2006 ET AU DELA:
- Aimant Cible: solénoide supra grande ouverture; tests à froid, réparation et instrumentation (voir projet spécifique)
- réalisation d'une grande chambre à dérive de 2x2 m2 (8 plans) adaptée à l'ouverture du nouvel aimant Compass.
- nouvelle électronique chip APV: 60000 voies pour photodétecteurs du RICH
- réfection détecteurs Micromegas avec grilles cuivre mince

Contact:

Fabienne KUNNE

Etats et perspectives

Dates importantes

1997 : Approbation de l'expérience ;
1997-2001 : Construction détecteurs ;
2001-2002: Mise au point sectromètre ;
2002 : Début des prises de données ;
2003 : Mise en évidence signal D0 ;
2004 : Premier résultat sur asymétrie spin (photon gluon fusion, voie grands pT).
2005 : 3 publications(PRL et PLB)
- g1d et réévaluation plus précise de contribution du spin des quarks au spin du nucléon
- transvesité (données 2002)
- recherche (négative) du pentaquark phi

2006-2007    7 PUBLICATIONS :

- Première mesure précise de polarisation du gluon (voie grands pT, petits Q2, données 2002+2003) PLB 633(2006)25
- g1d et premier moment: PLB 647 (2007)8
- Transversité (Collins et Sivers Asym) données 2003: NPB765 (2007) 31-70
- spectromètre COMPASS (63 pages): NIMA 577 (2007) 455
- g1d low x:  PLB 647(2007)330
- Rho0 double spin asymmetry: accepté par ECJC
- Polarized valence quarks : soumis à PLB

+"RELEASE" DE RESULTATS NOUVEAUX dans les conférences, dont:

- Analyse globale des donnees mondiales g1p et g1d, incluant les récentes données très précises de Compass: extraction de deux solutions possibles, extrêmes pour la polarisation des gluons DG(x,Q²) , en supposant une paramétrisation de départ.

- Observation des pions

Collaboration Compass :

Collaboration internationale regroupant 23 Instituts répartis en Allemagne, Italie, Russie, Pologne, Japon, République Tchèque, Portugal, France (Dapnia/ SphN).

Historique et principaux jalons

Perspectives

Publications

2006-2007    7 publications :

- Première mesure précise de polarisation du gluon (voie grands pT, petits Q2, données 2002+2003) PLB 633(2006)25
- g1d et premier moment: PLB 647 (2007)8
- Transversité (Collins et Sivers Asym) données 2003: NPB765 (2007) 31-70
- spectromètre COMPASS (63 pages): NIMA 577 (2007) 455
- g1d low x:  PLB 647(2007)330
- Rho0 double spin asymmetry: accepté par ECJC
- Polarized valence quarks : soumis à PLB

+"RELEASE" DE RESULTATS NOUVEAUX dans les conférences, dont:

- Analyse globale des donnees mondiales g1p et g1d, incluant les récentes données très précises de Compass: extraction de deux solutions possibles, extrêmes pour la polarisation des gluons DG(x,Q²) , en supposant une paramétrisation de départ.

- Polarisabilité des pions

 Conférences-workshops

Thèses:

5 thèses soutenues au SPhN :

Liens

 Site COMPASS du Cern

 Documents

Article sur l'expérience COMPASS

PARtonic Tomography Of Nucleon Software

ANR-12-MONU-0008-01

Scientific program

The aim of this project is the realization of a software framework dedicated to the study of the structure of hadrons in terms of their elementary constituents, quarks and gluons. This tool is critical for the achievement of a long-range program at the intersection of particle and nuclear physics involving hundreds of scientists worldwide.

During the 1970’s, physicists worked out a successful formulation of the strong interaction, although this formulation is still mysterious in many respects. It is named Quantum Chromo Dynamics (QCD). According to this fundamental theory, strongly interacting particles (hadrons) are made up of quarks and gluons, collectively referred to as partons. Quarks and gluons are the degrees of freedom through which QCD is defined, but this theory describes all strongly interacting particles: hadrons and nuclei. A major question is thus to understand the emergence of the properties of hadrons (mass, spin, etc.) from the collective organization of partons.

During the second half of the 1990’s, theorists exhibited the promising new theoretical concept of a Generalized Parton Distribution (GPD). For the first time in seventy years of study of the proton structure occurred the possibility of a three-dimensional representation of its internal structure as well as a possible path to the resolution of long-standing issues such as the origin of the proton spin. Theorists also proposed several different ways to access GPDs experimentally: GPDs indeed parameterize some observables of specific processes in a theoretically robust but very involved way. These findings demonstrated the feasibility of experimental tomography of hadrons.

The first convincing experimental evidences (obtained in electromagnetic scattering on hydrogen targets) were collected in the early 2000’s and results of the first dedicated experiments were published in 2006 and 2007. However the completion of the GPD physics program requires very accurate measurements of a large number of different observables to allow a complete experimental determination of GPDs. This experimental work is expected to continue at least during the next 10 years at several international facilities, including (among others) the Thomas Jefferson National Laboratory (Jefferson Lab, or JLab) and the European Organization for Nuclear Research (CERN). These forthcoming years will be the time of unprecedented high precision measurements. GPD physics is also one key component of the physics case of a possible future Electron Ion Collider (EIC) at horizon 2025.

Our project has been designed to fulfill the needs of the worldwide hadronic physics community. Its architecture consist of the following tools:

• A comprehensive database of experimental results;

• A comprehensive database of theoretical predictions;

• A fast and efficient software to extract GPDs from measurements of different observables of several specific processes;

• A robust strategy to propagate systematic and statistic uncertainties to the extracted GPDs, and to evaluate systematic uncertainties on GPD parametrizations;

• A visualisation software to compare experimental results and model expectations;

• An interface to connect the previous items to different experimental set-up descriptions to design new experiments;

• An interactive web site providing a free access to model and experimental values of GPDs first to the whole hadronic physics community, and second to a broader audience (science popularization and illustrative examples of current research trends in high school and undergraduate teaching).

First high precision measurements are expected by 2014 at CERN. At that time the first phase of the physics program of Jefferson Lab will be completed, and the second phase about to start. The release of the software components described here will be the suitable facility to take the next step to resume the physics program.

Project members and partners

Irfu, SPhN

- BURTIN, Etienne

- GARCON, Michel

- GUICHON, Pierre

- MEZRAG, Cédric

- MOUTARDE, Hervé

- SABATIE, Franck

Irfu, SPP

- MEYER, Jean-Pierre

CPhT, Ecole Polytechnique

- PIRE, Bernard

LPT, Université d'Orsay

- BESSE, Adrien

- WALLON, Samuel

Publications

P. Kroll, H. Moutarde and F.Sabatié, From hard exclusive meson electroproduction to deeply virtual Compton scattering, Eur. Phys. J. C73 (2013) 2278 [arXiv:1210.6975 [hep-ph]].

H. Moutarde, B. Pire, F. Sabatie, L. Szymanowski and J. Wagner, On timelike and spacelike deeply virtual Compton scattering at next to leading order, Phys. Rev. D87 (2013) 054029 [arXiv:1301.3819 [hep-ph]].

M. Guidal, H. Moutarde and M. Vanderhaeghen, Generalized Parton Distributions in the valence region from Deeply Virtual Compton Scattering, arXiv:1303.6600 [hep-ph].

C. Mezrag, H. Moutarde and F. Sabatié, Test of two new parameterizations of the Generalized Parton Distribution H, arXiv:1304.7645 [hep-ph].

Objectifs:

Recherche de la contribution des gluons au spin du nucléon par interaction d'un faisceau de muons polarisés de 160 GeV sur une cible de deutons polarisés.

Réalisation de l'instrumentation associée au nouvel aimant de polarisation à grande acceptance de la cible du spectromètre de Compass, intégration et mise en route de l'aimant au CERN.

Thèmes/Programmes

Les constituants ultimes de la matière/Structure des hadrons/Structure du nucléon 

Localisation:

Contribution du Dapnia

 Contributions

Suivi de la conception et essais de l'aimant avec le constructeur Oxford DanFysik, tests de mise en froid, réparations et mise en route de l'aimant pour les essais en champ à Saclay. Mesures magnétiques à Saclay et au CERN. Conception et implémentation du système de gestion de la cryogénie externe, d'un système complet de sécurité pour l'aimant agissant sur la cryogénie et sur les alimentations de puissance.