Измерение двухспиновой асимметрии A LL в образовании чармония при 60 ГэВ Совещание Ускорение поляризованного протонного пучка в У-70, 1-2 марта 2005 А.Н.Васильев (ИФВЭ)

2 Аннотация Мы предлагаем измерить A LL в инклюзивном образовании 2 и J/, используя продольно поляризованный протонный пучок из У -70 с энергией 60 ГэВ и продольно поляризованную мишень. Наша цель – определить, какая часть спина протона переносится глюонами. Мы ожидаем значительную статистику событий с 2 и J/. Статистическая ошибка A LL будет достаточно маленькой, что позволит определить зависящую от спина глюонную структурную функцию в области x, где поляризация глюонов ожидается заметной. Мы ожидаем, что канал с образованием 2 будет особенно важен для достижения этой цели. Это будет первый эксперимент по спиновым эффектам в образовании чармония в адронных взаимодействиях. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

3 Содержание 1. Введение 2. Цели эксперимента 3. Теоретические ожидания величины А LL в образовании чармония 4. Экспериментальная установка 5. Схема триггера и скорость счета 6. Фон 7. Точности измерений 8. Два этапа эксперимента 9. Заключение Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

4 Спиновый кризис Спиновый кризис C егодня нет объяснения спиновому кризису протона, обнаруженному более 15 лет назад. Спин продольно поляризованного протона не составляется из спиральностей кварков в этом протоне. Дефицит спина в 70% или более может быть заполнен глюонами и / или орбитальным моментом партонов протона. C егодня нет объяснения спиновому кризису протона, обнаруженному более 15 лет назад. Спин продольно поляризованного протона не составляется из спиральностей кварков в этом протоне. Дефицит спина в 70% или более может быть заполнен глюонами и / или орбитальным моментом партонов протона. За прошедшие 15 лет несколько экспериментов в CERN, HERA, SLAC, используя поляризованные лептонные пучки, были нацелены на изучение спинового кризиса, но измеряли при этом, в основном, поляризацию кварков. Эксперименты в RHIC через A LL в прямых гамма начинают прощупывать поляризацию глюонов, но установки STAR и PHENIX не оптимизированы для этой физики, а взять ее побочно непросто. Нужен конкретный эксперимент, нацеленный на измерение поляризации глюонов. За прошедшие 15 лет несколько экспериментов в CERN, HERA, SLAC, используя поляризованные лептонные пучки, были нацелены на изучение спинового кризиса, но измеряли при этом, в основном, поляризацию кварков. Эксперименты в RHIC через A LL в прямых гамма начинают прощупывать поляризацию глюонов, но установки STAR и PHENIX не оптимизированы для этой физики, а взять ее побочно непросто. Нужен конкретный эксперимент, нацеленный на измерение поляризации глюонов. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

5 Эксперимент может быть поставлен в ИФВЭ Такой уникальный эксперимент может быть поставлен в ИФВЭ на У -70. Для этого, в первую очередь, нужны 1. продольно поляризованный протонный пучок с интенсивностью 10 8 прот / цикл ( если растяжка 3 сек, то до 1,5 · 10 8 ), ускоренный в У -70, выведенный из него и преобразованный спин - ротаторами в продольно - поляризованный ; 2. продольно поляризованная мишень, выдерживающая такую высокую интенсивность ( из Е 704 ? Она в Дубне сейчас ). Информация о поляризации глюонов будет получена через одновременное измерение A LL в инклюзивном образовании 2 и J/. Такой эксперимент мы предложили во ФНАЛе (P838) при 200 ГэВ после окончания E704. PAC Фермилаба отметил, что физика исключительно интересная, но интенсивность пучка мала – мало будет статистики. Из - за этого эксперимент не был одобрен. Мы ожидаем вместо 10 7 / мин (P838)-> 7 · 10 8 / мин (10 9 ). Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

6 Механизмы образования чармония в адронных взаимодействиях Образование - состояний в адрон - адронных взаимодействиях может идти через три основные диаграммы : - глюонное слияние (a); - кварк-антикварковая аннигиляция (b); - испарение цвета (c). (a) (b) (a) (b) (c) (c) Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

7 Цели эксперимента Планируются измерения двухспиновой асимметрии A LL с использованием продольно поляризованного пучка и продольно поляризованной мишени в следующих реакциях : p + p -> 2 + X и p + p -> J/ + X J/ + e + e - J/ + e + e - e + e - e + e - J/ (3096) J PC = 1 -- J/ (3096) J PC = (3510) J PC = (3510) J PC = (3555) J PC = (3555) J PC = 2 ++ Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

8 Двухспиновая асимметрия A LL Измеряемая асимметрия A LL определяется выражением : A LL = [ 1/(P B * P T eff )] * [ I(++) – I(+ –)] / [ I(++) + I(+ –)], A LL = [ 1/(P B * P T eff )] * [ I(++) – I(+ –)] / [ I(++) + I(+ –)], где P B – поляризация пучка, где P B – поляризация пучка, P T eff – эффективная поляризация мишени, P T eff – эффективная поляризация мишени, I(++),I(+–) – число событий с чармонием, нормированное на I(++),I(+–) – число событий с чармонием, нормированное на падающий поток, падающий поток, спиральности (++) и (+–) соответствуют ( ) и ( ), где спиральности (++) и (+–) соответствуют ( ) и ( ), где стрелки указывают на продольное направление спинов пучка и стрелки указывают на продольное направление спинов пучка и мишени в лабораторной системе мишени в лабораторной системе Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

9 Теоретические ожидания величины А LL в образовании чармония Предсказания теоретических моделей зависят от двух предположений : 1. Величина поляризации глюонов G/G 2. Механизм образования чармония в адронных взаимодействиях, опредедяющий Â LL на партонном уровне ( в партнон - партонном взаимодействии ) Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

10 Поляризация глюонов G/G(x) в разных моделях В предлагаемом эксперименте х ~0,3, где G/G находится в моделях в диапозоне от 0.15 до 1 Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

11 A LL в модели глюонного слияния A LL в модели глюонного слияния В модели глюонного слияния физически наблюдаемая A LL связана с функцией распределения поляризованного глюона в поляризованном протоне, которая выражается как G + (x) и G - (x) для двух противоположных по знаку спиральностей : A LL (x F ) = Â LL * [ G / G (x 1 ) * G / G (x 2 ) ], A LL (x F ) = Â LL * [ G / G (x 1 ) * G / G (x 2 ) ], где x 1, x 2 – доли продольного импульса протонов, переносимые глюонами, где x 1, x 2 – доли продольного импульса протонов, переносимые глюонами, x F – фейнмановская переменная 2 - частицы, x F – фейнмановская переменная 2 - частицы, (M 2 ) 2 = x 1 * x 2 * S, (M 2 ) 2 = x 1 * x 2 * S, G / G (x) = (G + (x) – G - (x))/(G + (x)+G_(x) ), G / G (x) = (G + (x) – G - (x))/(G + (x)+G_(x) ), Â LL – это A LL ( 2 ) для двух полностью поляризованных глюонов. Â LL – это A LL ( 2 ) для двух полностью поляризованных глюонов. Â LL = -1 в этой модели. Â LL = -1 в этой модели. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

12 Теоретические ожидания величины А LL в образовании чармония Реакция с образованием 2 наиболее прозрачна для теоретических интерпретаций. Теоретические модели будут однозначно проверены через измерения выходов, а также знаков и величин A LL в образовании 2, J/ и, возможно, 1. Окончательное разделение событий с 1 и 2. будет проведено по угловым распределениям в распаде чармония. Реакция с образованием 2 наиболее прозрачна для теоретических интерпретаций. Теоретические модели будут однозначно проверены через измерения выходов, а также знаков и величин A LL в образовании 2, J/ и, возможно, 1. Окончательное разделение событий с 1 и 2. будет проведено по угловым распределениям в распаде чармония. примеры моделей – разные знаки A LL : примеры моделей – разные знаки A LL : [Doncheski, Robinet] – глюонное слияние : [Doncheski, Robinet] – глюонное слияние : A LL = -24% для 2 и -18% для J/ A LL = -24% для 2 и -18% для J/ [Contogoris] – испарение цвета : [Contogoris] – испарение цвета : A LL = % для 2 и J/ A LL = % для 2 и J/ Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

13 Экспериментальная установка Эксперимент с открытой геометрией. Основные элементы : электромагнитный калориметр, пропорциональные камеры, триггерный годоскоп Эксперимент с открытой геометрией. Основные элементы : электромагнитный калориметр, пропорциональные камеры, триггерный годоскоп Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

14 Электромагнитный калориметр Для разделения 1 (3510 МэВ ) и 2 (3555 МэВ ) критично энергетическое Для разделения 1 (3510 МэВ ) и 2 (3555 МэВ ) критично энергетическое разрешение калориметра, особенно для распадного - кванта. разрешение калориметра, особенно для распадного - кванта. Кинематика распада 2 такова, что большинство - квантов летят вперед Кинематика распада 2 такова, что большинство - квантов летят вперед (

15 Область образования 2, регистрируемая установкой x F - спектр 2 - частиц, попавших в апертуру установки x F - спектр 2 - частиц, попавших в апертуру установки Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

16 Пропорциональные камеры Между мишенью и электромагнитным калориметром располагаются Между мишенью и электромагнитным калориметром располагаются пропорциональные камеры с мертвой зоной в 10 мрад в середине. пропорциональные камеры с мертвой зоной в 10 мрад в середине. Камеры вместе с калориметром ( по поперечному профилю ливня ) будут определять электроны / позитроны и убеждаться, что в направлении - квантов нет заряженных частиц. Камеры вместе с калориметром ( по поперечному профилю ливня ) будут определять электроны / позитроны и убеждаться, что в направлении - квантов нет заряженных частиц. Предлагается использовать 3 четырехплоскостных (XYUV) камеры для измерения траекторий электронов / позитронов. Расстояние между Предлагается использовать 3 четырехплоскостных (XYUV) камеры для измерения траекторий электронов / позитронов. Расстояние между проволоками 1-2 мм. Камеры должны работать при интенсивности до проволоками 1-2 мм. Камеры должны работать при интенсивности до / сек / сек. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

17 Триггерный годоскоп Триггерный годоскоп состоит из ~100 сцинтилляционных сегментов и размещается на расстоянии ~4 м от мишени ( 1 м перед калориметром ). Триггерный годоскоп состоит из ~100 сцинтилляционных сегментов и размещается на расстоянии ~4 м от мишени ( 1 м перед калориметром ). Конкретный размер сегментов определяется из условия минимизации попадания в один сегмент - квантов от распада 2 - мезонов и заряженных частиц для триггера на электрон / позитрон ( будет описан далее ). Конкретный размер сегментов определяется из условия минимизации попадания в один сегмент - квантов от распада 2 - мезонов и заряженных частиц для триггера на электрон / позитрон ( будет описан далее ). Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

18 Разделение Разделение 1 и 2 Монте - Карло. Масса J/ реконструирована – энергии е +, е - измеряются калориметром из Pb- стекла, углы камерами. Разрешение 75 МэВ /c 2. Констрейнт на массу J/ (3096 МэВ ) - энергии поправляются, углы не меняются. С поправленными импульсами е + и е - и измеренным в PWO - квантом определяется 2. Разрешение лучше, чем 10 МэВ /c 2. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

19 Требования на триггер Триггер на события с Триггер на события с J/ с р T от е + и е -. Суперблоки в калориметре. р T сигнал для суперблока. Перед калориметром триггерный годоскоп для мечения заряженных. Сегменты годоскопа соответствуют суперблокам. Требования на триггер : или более электронных кандидата с р T суперблоков > 0.6 ГэВ /c ; - - хиты в соответствующих сегментах триггерного годоскопа ; - - р T сработавших суперблоков > 2,5 ГэВ / с. Этим требованиям удовлетворяют 88% J/, попавших в калориметр ( см. Рисунок на следующем слайде ) Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

20 р T -корреляции е + и е - от распада р T -корреляции е + и е - от распада 2 Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

21 Триггер Логическая диаграмма для триггера на J/ - частицу Логическая диаграмма для триггера на J/ - частицу Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

22 Триггер Схематическая диаграмма структуры суперблоков калориметра. Пунктирные линии – ячейки калориметра. Жирные линии – границы суперблоков. суперблоков. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

23 Скорость счета триггеров Монте - Карло для суперблоков 4 х 4. LUND(PYTHIA) – на события Монте - Карло для суперблоков 4 х 4. LUND(PYTHIA) – на события накладывались требования к триггеру. Учитывались вторичные накладывались требования к триггеру. Учитывались вторичные взаимодействия в мишени в GEANT3. Поляризованная протонная взаимодействия в мишени в GEANT3. Поляризованная протонная мишень длиной 20- см. мишень длиной 20- см. ~ 200 запусков для 10 8 протонов / цикл. ~ 35% триггеров от электронов от - конверсии. ~ 65% триггеров от заряженных адронов, попавших в один суперблок с - квантом. - квантом. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

24 Фон Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ) При идентификации При идентификации J/ по распаду е + е -, определяя инвариантную массу е + е - с помощью калориметра, основным фоном будут пары заряженных адронов ( сечение в области массы J/ в ~6000 больше, чем сечение самого J/ - мезона ). 1) Поперечный профиль ливня – режекция ~ 100 на пару адронов 2) р Т 1 > 0,6 ГэВ и р Т 2 > 0,6 ГэВ ; р Т 1 + р Т 2 > 2,5 ГэВ - фон для J/ ~10% ( адроны и электроны конверсии ) - фон для 2 -> см. рис : от 0 ) (J/ + от 0 )

25 Точности измерений Оценка в Р Оценка в Р / месяц и 9200 J/ при интенсивности пучка 2,7*10 7 протонов / мин. Учитывая фактор 3,5 уменьшения сечения ( от 200 ГэВ до 60 ГэВ ) и фактор 20 увеличения интенсивности (10 8 протонов / цикл при 6 цикл / мин ) получим общий фактор улучшения 6. За месяц ожидается ~10 тыс. 2 и ~55 тыс. J/. G/G = 0,55 при х =0,3 и Если предположить, например, что G/G = 0,55 при х =0,3 и А LL = -30%, то при поляризации пучка 70% и поляризации мишени 80% за месяц работы будут получены такие результаты : за месяц работы будут получены такие результаты : А LL = - ( 30±4 ) % и ( G/G) 2 =0,30 ± 0,04 А LL = - ( 30±4 ) % и ( G/G) 2 =0,30 ± 0,04 Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

26 Два этапа эксперимента Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ) На первом этапе на 14-ом канале предлагается создать и отладить установку и на протонном и пионном пучках и поляризованной мишени измерить A N в образовании 1, 2 и J/, а также отношения выходов 1 / 2 с целью определения механизма образования чармония. На втором этапе, после завершения работ по ускорению поляризованных протонов в У-70 и вывода пучка в новый 24- ый канал переезд в зону FODS-1 на этом канале и измерение там двухспиновой асимметрии в образовании чармония с целью определения поляризации глюонов в протоне, что поможет разрешить спиновый кризис протона.

27 План работ на 14-ом и 24-ом каналах Установку можно начинать собирать на 14- ом канале. Методические работы. Определение основных параметров установки. Установку можно начинать собирать на 14- ом канале. Методические работы. Определение основных параметров установки. Цель исследований на 14- ом канале – определение соотношений вкладов глюонного слияния ( на протонном пучке ) и кварк - антикварковой аннигиляции ( на - пучке ) в образовании чармония. Соотношения 1/ 2 при этом будут разные на р - и - пучках. Энергии - мезонов и протонов надо сделать близкими друг к другу, чтобы снизить неопределенность от энергетической зависимости сечений образования чармония, например, снизив энергию в У -70 до 50 ГэВ, но сохранив ( в другом сеансе ) энергию - мезонов 40 ГэВ с максимальной интенсивностью 3-4*10 6 / цикл для интенсивного образования чармония. Цель исследований на 14- ом канале – определение соотношений вкладов глюонного слияния ( на протонном пучке ) и кварк - антикварковой аннигиляции ( на - пучке ) в образовании чармония. Соотношения 1/ 2 при этом будут разные на р - и - пучках. Энергии - мезонов и протонов надо сделать близкими друг к другу, чтобы снизить неопределенность от энергетической зависимости сечений образования чармония, например, снизив энергию в У -70 до 50 ГэВ, но сохранив ( в другом сеансе ) энергию - мезонов 40 ГэВ с максимальной интенсивностью 3-4*10 6 / цикл для интенсивного образования чармония. Измерения следует делать на поляризованной мишени ПРОЗА – могут быть впервые измерены односпиновые асимметрии А N. Измерения следует делать на поляризованной мишени ПРОЗА – могут быть впервые измерены односпиновые асимметрии А N. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

28 План работ на 14-ом и 24-ом каналах Когда будут осуществлены ускорение на У-70 и вывод из него поляризованного протонного пучка и измерены его параметры с помощью поляриметра, установка переедет на 24-ый канал для основных измерений поляризации глюонов в продольно поляризованном протоне. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

29 Заключение Предлагаем измерить двухспиновую асимметрию А LL в образовании Предлагаем измерить двухспиновую асимметрию А LL в образовании чармония в эксперименте с открытой геометрией. Это позволит определить поляризацию глюонов в поляризованном протоне и приблизит к решению проблемы спинового кризиса протона. чармония в эксперименте с открытой геометрией. Это позволит определить поляризацию глюонов в поляризованном протоне и приблизит к решению проблемы спинового кризиса протона. Для этого надо ускорить поляризованный протонный пучок на У -70 и вывести его в 24- ый канал с поворотом поперечной поляризации в продольную. Для этого надо ускорить поляризованный протонный пучок на У -70 и вывести его в 24- ый канал с поворотом поперечной поляризации в продольную. На первом этапе, во время ускорения поляризованных протонов можно создавать и отлаживать аппаратуру на 14- ом канале, а также измерить отношение на р - и - пучках и поперечно - поляризованной мишени ПРОЗА с целью определения механизма образования чармония и односпиновой асимметрии А N в образовании и, возможнго, На первом этапе, во время ускорения поляризованных протонов можно создавать и отлаживать аппаратуру на 14- ом канале, а также измерить отношение 1 / 2 на р - и - пучках и поперечно - поляризованной мишени ПРОЗА с целью определения механизма образования чармония и односпиновой асимметрии А N в образовании J/, 2 и, возможнго, 1. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

30 Backup slides Далее расположены вспомогательные слайды Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

31 Угловой аксептанс установки Аксептанс по углу от распада Распределение после поправки 2 - частиц. на аксептанс. 2 - частиц. на аксептанс. Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

32 Теоретические предсказания величины двухспиновой асимметрии (модель Дончески-Робинета) (a) -A LL для 2 (b) -A LL для J/ (a) -A LL для 2 (b) -A LL для J/ (a) (b) (a) (b) Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

33 Модель Кантагориса (испарение цвета) Модель Кантагориса (испарение цвета) Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)

34 Измерение двухспиновой асимметрии А LL в образовании чармония март 2005 – А.Н.Васильев (ИФВЭ)