La fisica dello spin del nucleone con sonde di leptoni
La fisica dello spin del nucleone con sonde di leptoni
La fisica dello spin del nucleone con sonde di leptoni
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>La</strong> <strong>fisica</strong> <strong><strong>del</strong>lo</strong> <strong>spin</strong> <strong>del</strong> <strong>nucleone</strong> <strong>con</strong> <strong>sonde</strong> <strong>di</strong><br />
<strong>leptoni</strong><br />
Federica Sozzi<br />
Universita’ <strong>di</strong> Trieste e INFN
Deep Inelastic Scattering<br />
<strong>La</strong> maggior parte <strong>del</strong>le informazioni sulla struttura <strong>del</strong> <strong>nucleone</strong> proviene<br />
da esperimenti <strong>di</strong> Deep Inelastic Scattering (DIS) <strong>con</strong> fasci <strong>di</strong> <strong>leptoni</strong>.<br />
Anni ’70 esperimenti a SLAC: prime informazioni sulle funzioni <strong>di</strong> struttura<br />
non polarizzate F 1 e F 2 scoperta <strong><strong>del</strong>lo</strong> scaling, relazione <strong>di</strong> Callan-Gross,<br />
sviluppo <strong>del</strong> mo<strong><strong>del</strong>lo</strong> a partoni<br />
AllostatoattualeF 2 e’ misurato da <strong>di</strong>versi esperimenti<br />
in un ampio intervallo cinematico.<br />
Interpretazione a LO in termini <strong>di</strong><br />
Parton Distribution Function:<br />
2<br />
F<br />
2(x)<br />
x<br />
eq<br />
q(x) <br />
q<br />
<br />
q(x) <br />
q u, d, s<br />
Accesso a q(x) tramite fit<br />
globali dei dati esistenti<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 2
DIS polarizzato<br />
Tramite esperimenti DIS <strong>con</strong> fascio e bersaglio polarizzati longitu<strong>di</strong>nalmente,<br />
si accede alla funzione <strong>di</strong> struttura <strong>di</strong> <strong>spin</strong> g 1 <strong>del</strong> <strong>nucleone</strong>.<br />
Misure inclusive: solo il leptone <strong>di</strong>ffuso e’ rivelato<br />
Osservabili: asimmetrie ottenute <strong>con</strong>frontando sezione d’urto <strong>con</strong><br />
polarizzazioni <strong>del</strong> fascio e bersaglio parallele e antiparallele:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
d<br />
d<br />
||<br />
2 g1<br />
A ||<br />
<br />
~ (1 )<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
d<br />
d<br />
D F1<br />
A<br />
A LO, g 1 per il protone o neutrone ha una semplice interpretazione<br />
probabilistica in termini <strong>di</strong> <strong>di</strong>stribuzioni <strong>di</strong> elicita’ per <strong>di</strong>versi sapori:<br />
1 2<br />
g1(x)<br />
e q(x) q(x)<br />
q q<br />
<br />
2<br />
<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 3
Crisi <strong><strong>del</strong>lo</strong> <strong>spin</strong><br />
EMC al CERN: prima misura su un<br />
ampio intervallo in x, da cui e’ stato<br />
possibile integrare g 1p e accedere al<br />
primo momento <br />
p 1<br />
1 2<br />
1 g1(x)<br />
e q q<br />
q q<br />
<br />
2<br />
p<br />
1<br />
0.123 0.013 <br />
0.019<br />
<br />
EMC, 1988<br />
dx 0.17<br />
Da 1p , si ottiene il <strong>con</strong>tributo dei quark allo <strong>spin</strong> <strong>del</strong> <strong>nucleone</strong>:<br />
(usando altre due relazioni tra le elicita’ per u d e s<br />
dai deca<strong>di</strong>menti deboli degli iperoni):<br />
( u<br />
u)<br />
( d<br />
d)<br />
( s<br />
s)<br />
Contributo dei quark allo <strong>spin</strong> e’ piccolo!<br />
“crisi <strong><strong>del</strong>lo</strong> <strong>spin</strong>” nel mo<strong><strong>del</strong>lo</strong> a partoni<br />
0.12 <br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 4
Crisi <strong><strong>del</strong>lo</strong> <strong>spin</strong>: soluzioni<br />
Grande sviluppo teorico/fenomenologico per capire e interpretare il risultato<br />
Decomposizione <strong><strong>del</strong>lo</strong> <strong>spin</strong> in cui tutti i termini hanno un’interpretazione<br />
probabilistica:<br />
1<br />
2<br />
2<br />
1 G L<br />
Contributo <strong><strong>del</strong>lo</strong> <strong>spin</strong> <strong>del</strong> gluone G :<br />
G <strong>con</strong>tribuisce a g 1 tramite “splitting” gqqbar (equazioni DGLAP );<br />
interpretazione <strong>di</strong> g 1 e’ piu’ complicata fit globali per estrazione <strong>di</strong> q e G<br />
Necessita’ <strong>di</strong> misure <strong>di</strong>rette <strong>di</strong> G:<br />
Proposte <strong>di</strong> esperimenti a SLAC, CERN, DESY<br />
Contributo <strong>del</strong> momento angolare orbitale <strong>di</strong> quark e gluoni L<br />
Non accessibile sperimentalmente;<br />
Recente interesse in misure <strong>di</strong> GPDs,<br />
che danno accesso al momento angolare totale <strong>di</strong> q e g<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 5
Misura <strong>di</strong> g 1<br />
p<br />
1<br />
xg<br />
0.08<br />
0.07<br />
0.06<br />
0.05<br />
0.04<br />
0.03<br />
EMC<br />
SMC<br />
E143<br />
E155<br />
HERMES<br />
CLAS W>2.5<br />
COMPASS<br />
Oggi misure <strong>di</strong><br />
precisione <strong>di</strong> <strong>di</strong>versi<br />
esperimenti<br />
<strong>con</strong>fermano il risultato <strong>di</strong> EMC<br />
d<br />
1<br />
0.02<br />
0.01<br />
0<br />
0.04<br />
COMPASS<br />
PRELIMINARY<br />
SMC<br />
-2<br />
10<br />
-1<br />
x<br />
10 1<br />
Esperimenti <strong>con</strong><br />
<strong>di</strong>verso intervallo cinematico<br />
coperto<br />
grande intervallo in x<br />
(solo COMPASS a piccolo x)<br />
xg<br />
0.03<br />
E143<br />
E155<br />
HERMES<br />
0.02<br />
CLAS W>2.5<br />
COMPASS<br />
0.01<br />
0<br />
-0.01<br />
-2<br />
10<br />
-1<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 6<br />
x<br />
10 1
Misura <strong>di</strong> g 1<br />
)+c(x)<br />
2<br />
(x,Q<br />
p<br />
1<br />
g<br />
4<br />
3.5<br />
3<br />
2.5<br />
x=0.006<br />
x=0.015<br />
x=0.025<br />
x=0.035<br />
x=0.049<br />
x=0.077<br />
EMC<br />
SMC<br />
E143<br />
E155<br />
HERMES<br />
CLAS W>2.5<br />
COMPASS<br />
LSS 05<br />
COMPASS<br />
PRELIMINARY<br />
2<br />
x=0.120<br />
1.5<br />
1<br />
x=0.170<br />
x=0.240<br />
x=0.340<br />
0.5<br />
x=0.480<br />
0<br />
1 10<br />
2<br />
Q<br />
x=0.740<br />
2<br />
10<br />
[GeV<br />
2<br />
]<br />
-Dati da esperimenti a bersaglio fisso Correlazione tra x e Q2<br />
-Intervallo cinematico molto piccolo se <strong>con</strong>frontato <strong>con</strong><br />
l’equivalente figura per F 2<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 7
SIDIS<br />
Maggiori informazioni sulle <strong>di</strong>stribuzioni <strong>di</strong> elicita’<br />
tramite DIS semi-inclusivo:<br />
un adrone e’ rivelato in coincidenza <strong>con</strong> il leptone<br />
<strong>di</strong>ffuso<br />
Correlazione tra l’identita’ <strong>del</strong>l’adrone<br />
e il sapore <strong>del</strong> quark colpito,<br />
descritta dalle funzioni <strong>di</strong> frammentazione<br />
Dalla misura <strong>di</strong> asimmetrie <strong>di</strong> <strong>spin</strong> ottengo informazioni su q:<br />
A LO:<br />
h<br />
A 1<br />
<br />
<br />
<br />
q<br />
e<br />
q<br />
2<br />
q<br />
e<br />
Δq<br />
D<br />
2<br />
q<br />
q<br />
D<br />
•PDF per <strong>di</strong>versi quark e antiquark accessibili (al <strong>con</strong>trario <strong>del</strong> DIS)<br />
•separazione in sapore risoluzione <strong>di</strong> un sistema <strong>di</strong> equazioni<br />
(asimmetrie su <strong>di</strong>versi bersagli e per <strong>di</strong>versi tipi <strong>di</strong> adroni) in cui appaiono<br />
PDF e FF<br />
h<br />
q<br />
h<br />
q<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 8
SIDIS<br />
Asimmetrie inclusive e semi-inclusive su protone da COMPASS e HERMES;<br />
dati simili per deuterio<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 9
Misura <strong>di</strong> G<br />
Approccio recente: fit globali al NLO <strong>di</strong> dati DIS, SIDIS e collisioni pp a RHIC<br />
<strong>con</strong> estrazione <strong>di</strong> q e G<br />
Esempio: DSSV fit<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 10
Misura <strong>di</strong> G<br />
Misura <strong>di</strong>retta tramite processi<br />
“Photon Gluon Fusion”:<br />
produzione <strong>di</strong> coppie quark-antiquark,<br />
che frammentano in due getti<br />
<strong>di</strong> adroni nello stato finale<br />
Due selezioni:<br />
•stato finale <strong>con</strong> produzione <strong>di</strong> charm (q=c): COMPASS<br />
D 0 K e D*D 0 <br />
Statistica limitata, interpretazione teorica facile<br />
•Stato finale <strong>con</strong> uno o due adroni <strong>con</strong> alto p T : COMPASS, HERMES<br />
Interpretazione <strong>di</strong>fficile (MC necessario per stimare l’apporto <strong>di</strong> fondo)<br />
Questa segnatura e’ anche usata per accedere a G in p-p scattering<br />
a STAR e PHENIX (RHIC)<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 11
Misura <strong>di</strong> G<br />
Δ g/g<br />
0.6<br />
0.4<br />
COMPASS, open charm, prel., 02-07<br />
2<br />
2<br />
COMPASS, high p<br />
, Q<br />
1 (GeV/c)<br />
, prel., 02-04<br />
T<br />
2<br />
HERMES, single high p<br />
hadrons, all Q<br />
, arXiv:1002.3921<br />
2<br />
T<br />
SMC, high p<br />
, Q<br />
>1 (GeV/c)<br />
T<br />
2<br />
fit with<br />
ΔG>0, μ<br />
=3(GeV/c)<br />
2<br />
fit with<br />
ΔG
Transversita`<br />
A causa <strong>del</strong>la natura relativistica <strong>del</strong> moto dei quark leggeri,<br />
esiste una terza PDF in<strong>di</strong>pendente <strong>con</strong> interpretazione probabilistica:<br />
Distribuzione <strong>di</strong> trasversita’<br />
Evoluzione in Q 2 <strong>di</strong>versa, non <strong>di</strong>pende da G<br />
Non misurabile in DIS, ma solo in SIDIS tramite “effetto Collins”:<br />
asimmetria destra/sinistra nella <strong>di</strong>stribuzione <strong>di</strong> un adrone prodotto dalla<br />
frammentazione <strong>di</strong> un quark polarizzato trasversalmente<br />
asimmetria azimutale, <strong>di</strong>fficile da misurare<br />
A<br />
Coll<br />
<br />
e<br />
q<br />
<br />
2<br />
q<br />
q<br />
Δ<br />
e<br />
2<br />
q<br />
T<br />
q<br />
Δ<br />
qD<br />
0<br />
T<br />
h<br />
q<br />
D<br />
h<br />
q<br />
Funzione <strong>di</strong> Frammentazione <strong>di</strong> Collins:<br />
Descrive la correlazione tra lo <strong>spin</strong> <strong>del</strong> quark<br />
che frammenta e il momento <strong>del</strong>l’adrone<br />
prodotto<br />
Accessibile anche in reazioni e + e - h Belle, Babar<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 13
Asimmetrie <strong>di</strong> Collins<br />
Bersaglio: protone<br />
A Coll<br />
0.2<br />
0.1<br />
positive pions<br />
negative pions<br />
Due misure: deuterio e protone<br />
COMPASS: 2003-2004<br />
0<br />
-0.1<br />
-2<br />
10<br />
-1<br />
10<br />
x Bj<br />
0.2 0.4 0.6 0.8<br />
z<br />
0.5 1 1.5<br />
p [GeV/c]<br />
t<br />
Asimmetrie su p <strong>di</strong>verse da zero trasversita’ e FF <strong>di</strong> Collins entrambe <strong>di</strong>verse da zero<br />
Asimmetrie su d compatibili <strong>con</strong> zero cancellazione tra <strong>con</strong>tributo <strong>di</strong> u e d<br />
Asimmetrie su p per + e - <strong>di</strong> segno opposto<br />
Δ D<br />
0<br />
T<br />
fav<br />
~ -Δ<br />
0<br />
T<br />
D<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 14<br />
unfav
Asimmetrie <strong>di</strong> Collins<br />
Prima estrazione <strong>del</strong>la trasversita’ per u e d quark (Anselmino et al )<br />
Soffer bound<br />
Dati usati:<br />
Hermes + e - su p<br />
Compass h + e h - su d<br />
Belle e + e -<br />
Prime informazioni su T q,<br />
ancora lontani dal livello <strong>di</strong> <strong>con</strong>oscenza<br />
che si ha per q<br />
helicity<br />
Piu’ dati sono necessari<br />
(Compass su p, asimmetrie su K,<br />
Babar e + e - …)<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 15
TMD<br />
L’effetto Collins non e’ l’unica sorgente <strong>di</strong> asimmetrie azimutali in SIDIS.<br />
Tenendo <strong>con</strong>to <strong>del</strong>la componente <strong>del</strong> momento dei partoni trasversa al momento<br />
<strong>del</strong>l’adrone, p T , la descrizione <strong>del</strong>la struttura adronica <strong>di</strong>viene piu’ complessa e<br />
necessita <strong>di</strong> 8 “Transverse Momentum Dependent” PDF.<br />
Queste TMDs descrivono la correlazione tra momento e <strong>spin</strong> <strong>del</strong><br />
partone e/o <strong>del</strong>l’adrone, e danno origine a <strong>di</strong>verse modulazioni nella sezione d’urto SIDIS.<br />
PDF <strong>di</strong> Sivers :<br />
correlazione tra p T<br />
<strong>del</strong> partone<br />
e <strong>spin</strong> <strong>del</strong> <strong>nucleone</strong><br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 16
Asimmetrie <strong>di</strong> Sivers<br />
Bersaglio: protone<br />
A Siv<br />
0.2<br />
0.1<br />
positive pions<br />
negative pions<br />
Due misure: deuterio e protone<br />
COMPASS: 2003-2004<br />
0<br />
-0.1<br />
-2<br />
10<br />
-1<br />
10<br />
x Bj<br />
0.2 0.4 0.6 0.8<br />
z<br />
0.5 1 1.5<br />
p<br />
t<br />
[GeV/c]<br />
Piccolo segnale visto solo in + su p, ampiezza leggermente <strong>di</strong>versa per<br />
COMPASS e HERMES <strong>di</strong>versi intervalli cinematici possono giocare un ruolo<br />
Interessanti anche le asimmetrie su K + , maggiori <strong>di</strong> +<br />
ruolo non trascurabile <strong>del</strong> quark s<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 17
Prime informazioni da J<strong>La</strong>b<br />
J<strong>La</strong>b Hall A (6GeV) primi risultati bersaglio <strong>di</strong> 3He Accesso a neutrone<br />
Collins in accordo <strong>con</strong> le<br />
misure Hermes e COMPASS<br />
Sivers piu’ piccolo <strong>del</strong>le<br />
previsioni<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 18
Conclusioni<br />
A <strong>di</strong>stanza <strong>di</strong> più <strong>di</strong> 20 anni dalla 'crisi <strong><strong>del</strong>lo</strong> <strong>spin</strong>', lo stu<strong>di</strong>o <strong>del</strong>la struttura <strong><strong>del</strong>lo</strong><br />
<strong>spin</strong> <strong>del</strong> <strong>nucleone</strong> è un campo <strong>di</strong> ricerca ancora attuale e attivo.<br />
Negli ultimi 10 anni un grande sforzo sperimentale ha permesso <strong>di</strong> ottenere:<br />
- , G piccoli interesse spostato sulla terza componente <strong><strong>del</strong>lo</strong> <strong>spin</strong>;<br />
Misure <strong>di</strong> DVCS: accesso a GPD e momento angolare totale dei partoni<br />
(COMPASS 2, J<strong>La</strong>b)<br />
-Prima estrazione <strong>del</strong>la trasversita’ e prime informazioni sulle TMDs<br />
Nei prossimi anni dati SIDIS da:<br />
COMPASS (2010) su p<br />
JLAB (6 + 12 GeV)<br />
e informazioni complementari da p-p (RHIC) e Drell-Yan (COMPASS 2, RHIC,<br />
FNAL, PANDA….)<br />
Futuro :<br />
-Costruzione Electron-Ion Collider polarizzato, ruolo simile a Hera per DIS<br />
non polarizzato<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 19
<strong>La</strong>boratori<br />
DESY<br />
<br />
27 GeV e<br />
Intervallo in x-Q 2<br />
coperto<br />
<strong>con</strong> fasci <strong>di</strong> energia<br />
160, 27.5 e 6 GeV<br />
Bologna, XCVI Congresso Nazionale SIF Federica Sozzi 20
Change language