COMPASS

Le spectromètre de COMPASS, grande acceptance, haute résolution et haut flux de particules.

L'expérience COMPASS (Common Muon and Proton Aparatus for Structure and Spectroscopy)  comporte deux thématiques de recherche:

-la structure du nucléon en termes de quarks et gluons, dans lequel le SPhN est plus particulièrement impliqué: contributions des quarks et gluon au spin du proton, distributions transverses des partons, distributions de partons généralisées (GPD).

-la spectroscopie des hadrons: hadrons charmés, glueballs, états exotiques ...

 

L'expérience COMPASS utilise un faisceau de muons de 160 à 200 GeV obtenu grâce au déversement de faisceau de protons de l'accélérateur SPS du CERN.

La collaboration COMPASS regroupe 26 instituts de 14 pays, dont l'Allemagne, l'Italie, la France, les USA et la Russie.

 

Polarisation des gluons en fonction de x, fraction d'impulsion du nucléon portée par le gluon.

Structure en spin du nucléon 

Pour l'étude de la structure en spin du nucléon, un faisceau de muons naturellement polarisé et d'énergie de 160 GeV est diffusé sur une cible polarisée de deutons (Li6D) ou protons (NH3). La mesure des asymétries de spin permet d'accéder aux distributions de partons polarisées dans le cadre de la diffusion très inélastique. Des premières mesures ont montré que les quarks ne portent qu'une faible part du spin total du nucléon, et un desobjectifs principaux de COMPASS est de contribuer à déterminer la contribution des gluons au spin du nucléon.

Pour cela, il faut isoler les évenements où a lieu une fusion photon-gluon (PGF), qui sont sensibles à la distribution des gluons. Deux processus PGF sont étudiés: la production de mésons charmés D0 dont on détecte les produits de désintégration, et la production de hadrons à grande impulsion transverse. Ces études menées depuis 2002 ont déjà conduit à de nombreuses publications, et montrent toutes, dans la limite des barres d'erreur actuelles, que la contributioins des gluons est faible.

Grâce à la luminosité accrue (4. 10^32cm-2.s-1) par rapport aux expériences précedentes et l'utilisation d'un détecteur à imagerie Cerenkov, COMPASS permet aussi de déterminer avec plus de précision les distributions de quarks polarisées de la mer à petit x, dont les quarks étranges. Ce volet a également conduit à de nombreuses publications, et permetttra, en combinant les mesures d'asymétries et de multiplicité des pions et des kaons, de déterminer aussi les fonctions de fragmentation des quarks étranges.

 

 

Tomographie 3D du nucléon 

De nouveaux concepts théoriques, les distributions de partons généralisées (GPD) ou distributions des impulsions transverses (TMD), permettent une approche bien plus riche de la structure du nucléon, et plus généralement du confinement des quarks dans les hadrons. Les GPDs décrivent les corrélations entre les positions et les impulsions des constituants du nucléon et donnent une cartographie à 3 dimensions encore appelés tomographie du nucléon. Un nouveau programme, COMPASS-II, a été approuvé par le Research Board du CERN en Décembre 2010 et a démarré dès l’année 2012 pour ces 2 axes : étude des GPDs avec les réactions exclusives et étude des TMDs avec le Drell-Yan polarisé.

On accède aux GPDs via des réactions exclusives où l’état final est complétement déterminé telles la diffusion Compton virtuelle (DVCS), le canal le plus prometteur mais aussi la production exclusive de mésons (DVMP). La disponibilité de faisceaux de muons polarisés, avec une charge ou positive ou négative, et une grande énergie de 160 GeV, sont les atouts de COMPASS pour ces mesures.

Le processus DVCS, radiation d’un photon de haute énergie par le proton, est toujours intimement associé au processus Bethe-Heitler (BH), radiation d’un photon par les muons. Ceci constitue l’avantage de cette réaction. L’interférence entre le BH et le DVCS permet d’atteindre l’amplitude du processus DVCS. Les sommes et les différences des sections polarisées pour des muons positifs et négatifs donnent respectivement  les parties imaginaire et réelle de l'amplitude DVCS. La partie réelle est entièrement nouvelle et est intimement liée au confinement.

Par ailleurs la haute énergie de COMPASS nous permet de ne pas avoir le processus BH trop dominant, afin d'isoler et mesurer la section efficace du processus DVCS pur. Son évolution en fonction du transfert d’impulsion au proton, mesuré très précisément avec le détecteur CAMERA, nous permet d’accéder à la taille transverse de l’objet sondé. On devrait observer que la taille du proton diminue quand on passe d’une région cinématique où les quarks de la mer et les gluons sont importants vers celle où les quarks de valence sont dominants et plutôt concentrés au cœur du proton.

 

Construction de la grande chambre à dérive DC4 à Saclay

Contributions techniques de l'IRFU 

L'IRFU a contribué de façon importante et souvent décisive à la réalisation de détecteurs de pointe pour l'expérience COMPASS, ainsi qu'à la restauration d'aimants supraconducteurs:

-Conception, réalisation et mise en oeuvre de 12 détecteurs Micromegas de 40x40 cm2 de surface active, ainsi que l'électronique rapide de mise en forme et de digitisation associée. Ces détecteurs ont longtemps été les plus grands détecteurs gaseux à micromesh utilisés sur une expérience de haute énergie. Ils permettent de tenir des flux jusqu'à 500 kHz, ont une résolution spatiale de 90um et une résolution en temps de 10 ns.

Néanmoins, ces détecteurs avaient une zone inactive de 5cm de diamètre au centre. Pour lever cette restriction et ainsi pouvoir améliorer le tracking du muon diffusé à plus petit angle pour les mesures GPD (qui correspond aux grands x Bjorken), des détecteurs avec une feuille de GEM comme préamplificateur et équipés de pixels au centre sont en cours de réalisation en partenariat avec ELVIA et prévus de remplacer les 12 existants d'ici début 2015, démarrage officiel de la phase 2 de COMPASS.

-Réalisation et mise en oeuvre de grandes chambres à dérive (DC0, DC1, DC2 de 1.2x1.2 m2 et DC4 de 2x2 m2) avec 8 plans par chambre et un gap de 8 mm, ainsi que l'électronique associée. La résolution spatiale est de 200 um. L'IRFU est en train de transférer son savoir faire à l'Université d'Illinois en vue de réaliser une chambre supplémentaire DC5 basée sur le design de DC4 pour améliorer le tracking des muons à grand angles pour l'étude du Drell-Yan.

-L'IRFU a également été mis à contribution pour remettre en service dans un premier temps le solénoide supra de SMC pour les mesures effectuées à COMPASS de 2002 à 2004. Puis dans un deuxième temps pour effectuer les tests à froid, la mise en route, la caractérisation et l'instrumentation du solénoide à grand angle solide réparé par Oxford DanPhysik, lequel a servi à toutes les mesures depuis 2006.

-Conception, réalisation et mise en oeuvre d'un détecteur pour mesurer les protons de recul de la réaction DVCS. Ce détecteur de 5 tonnes, de 4 m de long et 2 m de diamètre, basé sur l'utilisation de deux couronnes concentriques de scintillateurs plastique, a été installé autour d'un cible d'hydrogène de 2.5m de  long en 2012, ce qui a permis de prendre une première série de données DVCS fin 2012, lesquelles sont en cours d'analyse actuellement.

 

Responsabilités du SPhN au sein de COMPASS

Porte-parole de l'expérience: 2003 - 2013

Coordination d'Analyse: 1999- 2001; 2010 - 2012

Sous-groupes de physiques (DIS, GPD): 2002 - 2013

Coordination technique: 2003 - 2006

Comité de publication: 2001 - 2013

Publications majeures

Quark Helicity Distributions from Longitudinal Spin Asymmetries in Muon-Proton and Muon-Deuteron Scattering, Phys. Lett. B 693 (2010) 227-235

Leading order determination of the gluon polarisation from DIS events with high-pThadron pairs, Phys. Lett. B 718 (2013) 922

Leading and Next-to-Leading Order Gluon Polarisation in the Nucleon and Longitudinal Double Spin Asymmetries from Open Charm Muoproduction, Phys. Rev. D 87 (2013) 052018

The COMPASS-II Proposal, CERN-SPSC-2010-014

 

Maj : 09/12/2013 (392)

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