Das COMPASS-Experiment am CERN

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1 Das COMPASS-Experiment am CERN Hendrik Vondracek Seminar zu experimentellen Methoden in der Kern- und Teilchenphysik 17. Dezember 2010 Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

2 Gliederung 1 Einführung Spinstruktur der Nukleonen physikalische Grundlagen relevante hadronische Prozesse 2 Das COMPASS-Experiment Übersicht Detektoren 3 Messungen und Ergebnisse hight-p T -Events open-charm-events Fazit und Ausblick Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

3 Spin des Nukleons Einführung Spinstruktur der Nukleonen naives Modell (static quark model): S z = 1 2 Σ Σ = u + d = 1 Aber gemessen (u.a. EMC-Experiment am CERN in Genf): Spinkrise Ende der 1980er Jahre Σ Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

4 Einführung Erweiterung des Spinmodells Spinstruktur der Nukleonen Erste Erweiterung (Quark-Partonen-Modell): Σ wird aus Ξ Λ ermittelt erforderliche Annahme: s + s = 0 theoretisch folgt Σ 0 60 aus der Ellis-Jaffe-Summenregel Zweite Erweiterung (polarisiertes DIS): Abhängigkeit q(x) mit 0 < x < 1 q = 1 0 q(x)dx erweitert um NLO-QCD 1 : Σ Σ 3αs 2π G geeignete Bestimmung: G = 1 0 g(x g )dx g messen Insgesamt: S z = 1 2 Σ + G + L z 1 Next-to-leading-order QCD Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

5 Einführung Experimente zur Spinstruktur Spinstruktur der Nukleonen SLAC Stanford (Nobelpreis 1990 weitere Untersuchungen ) JLAB Newport News Virginia RHIC Brookhaven EMC-Experiment - CERN Genf (1980er) HERMES am HERA - DESY Hamburg (ab 1995) SMC am SPS - CERN Genf ( ) COMPASS am SPS - CERN Genf (ab 2002) Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

6 tiefinelastische Streuung Einführung physikalische Grundlagen Drei Arten von DIS: inklusiv: Berechnung von G mittels NLO-QCD semiinklusiv: Gluonenbeteiligung aus Endzuständen semiinklusivpolarisiert: aufgelöst G G Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

7 Skalenvariablen Einführung physikalische Grundlagen Q 2 : Vierimpulsquadrat des γ Björken-x: Anteil des Impulses der vom Lepton auf das Quark übertragen wurde x = Q 2 2M N E(l) y: relativer Energieverlust des Leptons y = E E Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

8 Einführung relevante hadronische Prozesse Methoden zur Untersuchung der Gluonenpolarisation Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten: high-p T -Events mit zwei hadronischen Jets mit hohem transversalem Impuls open-charm-events (Produktion von c c-paaren) Gemessen wird die Asymmetrie des Wirkungsquerschnitts in Bezug auf die Helizität. Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

9 Einführung relevante hadronische Prozesse Prozesse für high-p T -Untersuchungen Leading Order QCD-Prozesse: γ q q Photonen-Gluonen-Fusion: γ g q q quantenchromodynamische Compton-Streuung: γ q qg Resolved Photon-Prozesse Die 3 direkten Prozesse mit Beitrag zur Hadronenpaarproduktion Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

10 Einführung Prozesse der c c-produktion relevante hadronische Prozesse c c entstehen ausschließlich durch PGF c c fragmentieren zu D-Mesonen deren Zerfallsprodukte können detektiert werden PGF bei der c c-produktion Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

11 Das COMPASS-Experiment U bersicht U berblick u ber das Experiment Standort: CERN-Nordgela nde Pre vessin Halle 888 an der M2-Beamline des SPS Dort zuvor bereits aufgebaut: EMC und SMC Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

12 Das COMPASS-Experiment Skizze des Experiments Übersicht Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

13 Der Teilchenstrahl Das COMPASS-Experiment Übersicht 160 GeV µ + -Strahl aus Pion- und Kaonzerfällen aus dem Beschuss eines Be-Targets mit Protonen Strahlintensität variabel über Dicke des Be-Targets Impuls und Richtung der Myonen werden beim Eintritt in den experimentellen Aufbau bestimmt Parameter: Spill µ + Polarisation P b 0 76 Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

14 Das Target Das COMPASS-Experiment Übersicht Parameter des Targets: Parameter bis 2006 nach 2006 Apertur 70 mrad 180 mrad Zahl der Zellen zwei (upstream downstream) drei Zellenlänge je 60 cm cm Zellendurchmesser d = 3 cm Abstand der Zellen a = 10 cm Parameter des Targetmaterials: Material Verwendung Dilution Factor Polarisation 6 LiD Deuteronenuntersuchung > ± 0 05 NH 3 Protonenuntersuchung Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

15 Das COMPASS-Experiment weitere technische Aspekte Übersicht NMR Targetmagnet mit B l = 2 5 T B t = 0 5T Kryostattechnik und natürlich: Detektoren Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

16 Übersicht Das COMPASS-Experiment Detektoren Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

17 Übersicht 2 Das COMPASS-Experiment Detektoren Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

18 Faserhodoskope Das COMPASS-Experiment Detektoren Parameter der Faserhodoskope zur Strahllokalisation und im Strahlbereich als SciFi Core aus Polystyrol Cladding aus PMMA und PP insgesamt 8 Detektoren Effizienz 94 % Auflösung 130µm Timing 0 45 ns Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

19 MicroMeGas Das COMPASS-Experiment Detektoren Parameter der MicroMeGas im Bereich zwischen Target und SM1 insgesamt 12 Detektoren aktive Fläche (40 40) cm 2 Effizienz % Auflösung 65µm Timing 8 ns Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

20 Das COMPASS-Experiment Ablauf einer Triggerung Detektoren Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

21 Messungen und Ergebnisse hight-p T : Eventkriterien hight-p T -Events (anteiliger) Energieverlust des Myons 0 35 < y < 0 9 invariante Masse des zwei-hadronen-systems m 0 > 1 5 GeV c 2 Transversalimpuls der beiden Hadronen p H i t Gesamtimpuls der beiden Hadronen i (ph i t > 0 7 GeV c ) 2 > 2 5 ( GeV c ) 2 Insgesamt konnten ( ) etwa Events detektiert werden. Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

22 Messungen und Ergebnisse hight-p T -Events Helizitätsasymmetrien bei high-p T -Events A II = ( 1 N u N d 2 P b P t f Nu + N d + N d N d Nu + Nu ) Unter Betrachtung aller hier zu beobachtender QCD-Prozesse ergibt sich: + AII D f f γ =udsū s dg âpgf LL = R PGF D R f f γ â ff γ f LL f f γ f γ G + R QCDC âqcdc LL D A 1 G + R LO A LO + R lowpt A lowpt Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

23 Messungen und Ergebnisse hight-p T -Events ermittelte Gluonenpolarisation aus high-p T -Events A II D = ± 0 019(stat) ± 0 003(sys) Große Fehler ergeben sich aus der Modellabhängigkeit. Für Minimalszenario Maximalszenario und Mittelwert folgt: G Modell G σ stat σ sys σ MC-sys MIN: ±0 068 ±0 011 ±0 018 MAX: ±0 089 ±0 014 ±0 052 Der Mittelwert beträgt: G G avg = ± 0 089(stat) ± 0 057(sys) Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

24 Messungen und Ergebnisse Detektion von c c-events open-charm-events Für die c c werden zwei Zerfallskanäle betrachtet: D (2010) + D 0 π + slow K π + π + slow bezeichnet als D -Sample D 0 K π + bezeichnet als D 0 -Sample - BR 3 9% Detektiert werden müssen (neben µ und µ ): zwei bis drei zusätzliche Spuren K und π im RICH-Detektor Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

25 c c: Eventkriterien Messungen und Ergebnisse open-charm-events Teil der Energie des γ welches vom D 0 -Meson-Kandidaten getragen wird z > 0 2 cos(θ ) < 0 9 für D cos(θ ) < 0 65 für D 0 Insgesamt konnten ( ) 8700D und D 0 -Events detektiert werden. Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

26 Messungen und Ergebnisse open-charm-events Helizitätsasymmetrien bei c c-events A II = a LL (x) g g (x) Hier wird nun ein Wichtungsfaktor für Signal und Hintergrund verwendet: 8 Gleichungen für 10 Unbekannte. Verwende daher zwei Annahmen: w S = P b fa LL s+b w B = P b fd b s+b s Akzeptanzvariationen betreffen u und d gleichermaßen Signal und Hintergrund sind gleichermaßen von der Akzeptanz einer Targetzelle betroffen Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

27 Messungen und Ergebnisse ermittelte Gluonenpolarisation open-charm-events für 0 06 < x < 0 22 g = 0 49 ± 0 27(stat) ± 0 11(sys) g x Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

28 Messungen und Ergebnisse Zusammenfassung der Ergebnisse Fazit und Ausblick Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

29 Messungen und Ergebnisse Fazit und Ausblick einige weitere Ergebnisse & zukünftige Messungen Virtuelle Photonen Asymmetrie für D 0 -Produktion flavorabhängige Quarkhelizitätsverteilung ( s d...) Transversale Quark-Spin-Verteilungsfunktionen GPDs - Generalized Parton Distributions Hadronstrukturuntersuchungen Suche nach Gluebällen... Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30

30 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hendrik Vondracek (2010) Das COMPASS-Experiment am CERN 17. Dezember / 30