A joint CSN3-CSN1 referee report SPIN PHYSICS @ GSI A joint CSN3-CSN1 referee report Motivazioni di fisica principali: Trasversità ed Att PAX & ASSIA Programmi delle due collaborazioni Milestones e richieste finanziarie di PAX in CSN3 Milestones e richieste finanziarie di ASSIA in CSN1 Assegnazioni A.Braghieri, L.Lanceri, S.Miscetti, P.Pedroni Riunione CSN1, Napoli 20/09/2005

SPIN physics al GSI: Trasversità Discussione/programmi in sviluppo per identificare se la SPIN physics sarà inclusa in una fase avanzata del progetto di acceleratori al GSI. Come vedremo qualunque opzione proposta comporta una variazione della configurazione degli anelli finora progettati. Il QCD PAC del GSI è favorevole al riguardo Due collaborazioni si sono formate nel 2004: PAX ed ASSIA con proposte sperimentali /di macchina diverse. Il GOAL principale di entrambe le collaborazioni è quello di studiare la trasversità h1(x) degli adroni (ovvero la differenza di densità dei quarks con spin parallelo e antiparallelo alla polarizzazione trasversa dell’adrone parente) che non è conosciuta sperimentalmente. S.MISCETTI CSN1 Napoli

Trasversità e ATT I processi di Drell Yan, ovvero la produzione ppbar → e+e- X, m+m-X sono ideali per la misura di h1(x) in quanto non c’e’ “soppressione chirale” come nel DIS. L’asimmetria presenta la seguente dipendenza angolare att = sin2()/(1+cos2()) cos(2 )… { Massima a 90 gradi Varia come cos(2 ) S.MISCETTI CSN1 Napoli

Piano cinematico Esiste una “safe” region in Mll (4-9 GeV) dove lo spettro dei dileptoni è  continuo e non vi sono effetti di risonance a complicare la interpretazione dei dati La sez d’urto differenziale scala come 1/√s  =x1x2 = M2/s, XF= 2QL/√s = x1-x2 per coprire buona parte del piano cinematico s > 100 GeV2 S.MISCETTI CSN1 Napoli

PAX and ASSIA PAX propone collisioni di protoni polarizzati da 3.5 GeV con pbar pol. da 15 GeV Il rivelatore è disegnato per un collisore ma può lavorare anche a targhetta fissa. E’ ottimizzato per DY con elettroni. Propone la realizzazione di APR all’interno di HESR ASSIA ha proposto due casi diversi: Fascio di antiprotoni da 45 GeV con estrazione da SIS 300 su targhetta polarizzata. Rivelatore alla COMPASS. DY con coppie di muoni. Collider mode nell’anello HESR 15 GeV+15 GeV Entrambe le collaborazioni hanno sottoposto una LOI. In Italia entrambe le collaborazioni vengono finanziate su dotazioni (CSN3, PAX), (CSN1,ASSIA). S.MISCETTI CSN1 Napoli

Altre misure di fisica rilevanti … Questi esperimenti propongono altre misure che possono avere una buona rilevanza e che possono essere effettuate anche senza polarizzazione degli antiprotoni. Ex: 1) ASSIA propone lo studio di processi esclusivi ppbar → L Lbar (dove la polarizzazione della L viene misurata tramite il decadimento pp- ) 2) Entrambe le collaborazioni intendono misurare asimmetria di single spin. 3) La misura dei FF Timelike di protone e antiprotone a basse energie. Al momento la linea guida per il nostro referaggio rimane la misura di ATT per la determinazione diretta della trasversità …… ma intendiamo approfondire al più presto la scala di priorità /fattibilità di queste misure. S.MISCETTI CSN1 Napoli

PAX collaborazione e storia PAX è composto da 175 membri (35 istituti) Alessandria 1 Lecce 2 Cagliari 2 Torino 3 (teorici) Ferrara 10 LNF 11 { 29 Italiani Spokes: P.Lenis (Fe), F.Rathmann Jan. 04 LOI submitted 15.06.04 QCD PAC meeting at GSI 18-19.08.04 Workshop on polarized antiprotons at GSI 15.09.04 F. Rathmann et al., A Method to polarize stored antiprotons to a high degree (Phys. Rev. Lett. 94, 014801 (2005)) 15.01.05 Technical Report submitted 14-16.03.05 QCD-PAC meeting at GSI …. S.MISCETTI CSN1 Napoli

PAX: physics and exp. plans Transversity Electromagnetic Form Factors Hard Scattering Effects SSA in DY, origin of Sivers function Soft Scattering Low-t Physics Total Cross Section pbar-p interaction Esperimento pensato in 3 fasi: Fase 0 (2005-2010) Disegno-ottimizzazione APR Realizzazione APR Fase 1 (2011-2015) Running @CSR fixed target - Fase 2 (2015-2017) Asymmetric collider @ HESR with APR

APR ... with SPIN filtering La proposta sperimentale di PAX (almeno la fase 2) è “basata” sulla esistenza di una sorgente di pbar polarizzati. In particolare PAX propone di inserire una APR (antiproton polarizer ring) nell’anello HESR con il GOAL di raggiungere una polarizzazione del 30%! Il metodo proposto è quello dello SPIN filtering: Un fascio di p (pbar) subisce attraversamenti multipli su un bersaglio polarizzato. Dato che le sezioni d’urto di assorbimento possono avere una dipendenza dallo spin, ci si aspetta che il fascio trasmesso risulti alla fine polarizzato. Questa tecnica è stata utilizzata con un fascio di protoni al TSR (FILTEX) . Il rate di polarizzazione raggiunto è un fattore due minore di quanto atteso La comprensione e l’interpretazione quantitativa basata su trasferimento di polarizzazione dagli elettroni del bersaglio al protone è stata contestata (hep-ph: 0504183) non ci sono misure esistenti per pbar NUOVE MISURE NECESSARIE! S.MISCETTI CSN1 Napoli

Evaluation by QCD-PAC (March 2005) … the PAC would like to stress again the uniqueness of the program with polarized anti-protons and polarized protons that could become available at GSI. …the PAC considers it is essential for the FAIR project to commit to polarized antiproton capability at this time and include polarized transport and acceleration capability in the HESR, space for installation of the APR and CSR and associated hardware, and the APR in the core project We request the PAX collaboration to: 1) Commit to the construction and testing of the APR 2) Explore all options to increase the luminosity to the value of 1031 cm-2s-1 3) Prepare a more detailed physics proposal and detector design for each of the proposed stages. These stages may include: a) 3.5 GeV/c polarized antiprotons on a polarized proton target b) 15 GeV/c polarized antiprotons with the PANDA detector (for single spin asymmetries) c) 15 GeV/c polarized antiprotons on a polarized proton target in a dedicated detector d) Collisions of 15 GeV/c antiprotons with 3.5 GeV/c polarized protons. S.MISCETTI CSN1 Napoli

SMILE: Spin Measurements in Interactions at Low Energy From COSY to FAIR… Study of spin-filtering process. Electromagnetic interaction: unpolarized protons on polarized internal target at COSY Hadronic interaction: unpolarized antiprotons on polarized internal target at AD (CERN). SMILE: Spin Measurements in Interactions at Low Energy S.MISCETTI CSN1 Napoli

PAX/SMILE proposal (Pol. Bersaglio trasversa). Nel prossimo futuro (4 anni) PAX si occuperà di studiare il processo di BUILDUP (i.e. le sezioni d’urto efficaci di polarizzazione) con cui produrre i pbar polarizzati. La proposta per COSY è stata già approvata e si dividerà in due fasi: Studi con protoni non polarizzati sulla targhetta di ANKE (Pol. Bersaglio trasversa). Ripete la misura di FILTEX a diverse energie ed angoli di accettanza nell’anello. Necessita di una cella di accumulazione per raggiungere le densità necessarie. La polarizzazione del fascio verrà misurata con un telescopio di silicio già esistente. Studi con la targhetta di HERMES (Pol. bersaglio Longitudinale) Per disaccoppiare l’effetto sul buildup degli elettroni polarizzati da quello dei protoni polarizzati bisogna operare il bersaglio con campo magnetico di guida forte. Per evitare la deflessione del fascio a basso momento (300 MeV/c) campo di guida ed il momento devono essere paralleli (Pol Longitudinale). Vi è inoltre una LOI per studiare il filtraggio di spin direttamente con antiprotoni all’anello AD del CERN. Risposta attesa per fine Ottobre 2005. S.MISCETTI CSN1 Napoli

PAX/SMILE milestones 2006 + richieste Preparazione della cella di accumulazione per ANKE Trasporto del bersaglio di HERMES a COSY misure di spin-filtering a COSY con il bersaglio di ANKE N.R 5 Fte 1.8 Richieste: Produzione cella per ANKE 20 keuro Trasporto/adattamento bersaglio Hermes Trasporto 10 keuro Consumo 20 keuro Gestione bersaglio di Hermes @ COSY Consumo 10 keuro Missioni ME per COSY 8 mesi uomo ME per PAX meetings 1 mese uomo ME per rivelatore AD 1 mese uomo Assegnazioni (Dot.Fe) 20 keuro 10 keuro s.j. definizione esplicita progetto 5 keuro s.j. definizione di ripartizione spese di gestione con COSY OK ma 5.5 keuro/mese S.MISCETTI CSN1 Napoli

ASSIA .. S.MISCETTI CSN1 Napoli

Attività di ASSIA 2005-2006 Collaborazione 92 persone (37 INFN) TO 20 CO/BS 6 LNF 4 TS 7 Spokeperson: R.Bertini L’attività di ASSIA in Italia riflette le considerazioni del PAC GSI. 1) La collaborazione non ha ancora scritto un TPR non considerando ancora conclusa la discussione di quale sia la configurazione di macchina ottimale in energia e luminosità per la misura di Att. E’ quindi prematuro sviluppare un apparato specifico. - Studi di MC sono in corso per la determinazione delle energie ottimali in collaborazione con teorici. 2) Studio della fisica di singolo spin a) Come richiesto dal PAC-GSI dimostrare la fattibilità di eseguire misure di SSA in PANDA (ex. Collisore asimmetrico) b) Puntualizzazione delle misure di SSA con fascio estratto (vedi ASSIA LOI). S.MISCETTI CSN1 Napoli

Attività di ASSIA 2005-2006 3) Studio di schemi dettagliati di accelerazione per protoni e antiprotoni polarizzati in varie configurazioni. Vi è in corso collaborazione tra TS e Novosibirsk con il beneplacito del GSI. Risultati attesi già per fine anno. 4) Intenzione di collaborare con PAX per la definizione del progetto APR In particolare possibilità di partecipazione agli studi da effettuare con antiprotoni ad AD al CERN, utilizzando esperienza di lavoro al LEAR S.MISCETTI CSN1 Napoli

Milestones 2006 e Richieste Milestone 0: entro aprile 2006 Conclusione degli studi preliminari di macchina con gruppo Novosibirsk Milestone 1: entro autunno 2006 Valutazione di sensibilità per ATT , SSA con simulazioni MC riportate in un documento + inclusione della possibilità di utilizzare PANDA. Milestone 2: entro fine 2006 Programma comune con PAX/SMILE per misure ad AD Richieste/proposte MI (KE) ME (KE) TO: 3 1.5 8 5+3s.j. TS: 3 1.5 8 5+3s.j. su dotazioni delle sezioni MI per riunioni congiunte TO/TS/FE e referees ME riunioni al GSI (s.j. effettivo inizio della collaborazione per la milestone 2; “piano B” CNI?) S.MISCETTI CSN1 Napoli

SPARES S.MISCETTI CSN1 Napoli

Angular distribution in CS frame E615 @ Fermilab -N  +-X @ 252 GeV/c -0.6 < cos < 0.6 4 < M < 8.5 GeV/c2 cut on PT selects asymmetry 30% asymmetry observed for - Conway et al, Phys. Rew. D39 (1989) 92 S.MISCETTI CSN1 Napoli

Even unpolarised beam is a powerful tool to investigate Drell-Yan Asymmetries — Unpolarised beam, polarised target λ  1,   0 Even unpolarised beam is a powerful tool to investigate кT dependence of QDF D. Boer et al., Phys. Rev. D60(1999)014012. S.MISCETTI CSN1 Napoli

Drell-Yan Asymmetries — Polarised beam and target Uncorrelated quark helicities access chirally-odd functions TRANSVERSITY Ideal because: h1 not to be unfolded with fragmentation functions chirally odd functions not suppressed (like in DIS) S.MISCETTI CSN1 Napoli

Drell-Yan Di-Lepton Production Scaling: Full x1,x2 range . needed [1] Anassontzis et al., Phys. Rew. D38 (1988) 1377 S.MISCETTI CSN1 Napoli

NH3 10g/cm3 : 2 x 10cm cells with opposite polarisation Beam and Target NH3 10g/cm3 : 2 x 10cm cells with opposite polarisation GSI modifications: extraction SIS100 → SIS300 or injection CR → SIS300 slow extraction SIS300 → beamline adapted to experimental area adapted to handle expected radiation from back S.MISCETTI CSN1 Napoli

Phase space for Drell-Yan processes  = const: hyperbolae xF = const: diagonal 15 GeV/c PANDA 30 GeV/c 40 GeV/c ASSIA S.MISCETTI CSN1 Napoli

HESR collider polarised p and beams Alternative GSI solution back Luminosity comparable to external target → KEY ISSUE dilution factor f~1 difficult to achieve polarisation Pp ~ 0.85 required achievable with present HESR performances (15 GeV/c) only transverse asymmetries can be measured p↑-beam required polarisation proton source and acceleration scheme preserving polarisation no additional beam extraction lines needed EXPERIMENTAL SETUP COMPLETELY DIFFERENT S.MISCETTI CSN1 Napoli

κT-dependent Parton Distributions Twist-2 PDFs f1, g1 studied for decades: h1 essentially unknown Distribution functions Chirality even odd Twist-2 U L T f1 g1 , h1, S.MISCETTI CSN1 Napoli

Production of polarized antiprotons I Polarized Atomic Beam Source e- p |1> mj = +1/2 mj = -1/2 mi=-1/2 mi=+1/2 1 |1> |2> |3> |4> S.MISCETTI CSN1 Napoli

Production of polarized antiprotons II Unpolarized anti-p beam Spin filtering Production of polarized antiprotons II P beam polarization Q target polarization k || beam direction σtot = σ0 + σ·P·Q + σ||·(P·k)(Q·k) transverse case: longitudinal case: For initially equally populated spin states:  (m=+½) and  (m=-½) Unpolarized anti-p beam Polarized H target back

Production of polarized antiprotons II Unpolarized anti-p beam Spin filtering Production of polarized antiprotons II P beam polarization Q target polarization k || beam direction σtot = σ0 + σ·P·Q + σ||·(P·k)(Q·k) transverse case: longitudinal case: For initially equally populated spin states:  (m=+½) and  (m=-½) Polarized anti-p beam Unpolarized anti-p beam Polarized H target back

Antiproton Polarizer Ring (APR) e-cooler APR ABS Siberian Snake B Injection 100 m Polarizer Target RING PARAMETERS (elm, hadronic): Energy: 50 MeV (200 MeV) qacc: 50 mrad (10 mrad) Circumeference: 100 m (150 m) No. Particles: 1012 EQUIPMENT: Polarized target Snake e-cool Stochastic cooling back

1992 Filter Test at TSR with protons Results Experimental Setup T=23 MeV F. Rathmann. et al., PRL 71, 1379 (1993) back

Elm. Interaction: Longitudinal Case Beam Polarization 0.1 0.2 0.3 0.4 Beam Polarization P(2·τbeam) 10 T (MeV) 100 EM only 5 30 20 40 Ψacc=50 mrad 1

Had Interaction: Longitudinal Case Beam Polarization Model D: V. Mull, K. Holinde, Phys. Rev. C 51, 2360 (1995) Model A: T. Hippchen et al., Phys. Rev. C 44, 1323 (1991) 50 100 150 200 250 T (MeV) 0.05 0.10 0.15 0.20 P 3 beam lifetimes Ψacc=20 mrad 2 beam lifetimes Ψacc=10-50 mrad Experimental Tests required: EM effect needs protons only (COSY) Final Design of APR: Filter test with p at AD (CERN) S.MISCETTI CSN1 Napoli

COSY ring at FZJ T: 30 MeV ÷ 2.8 GeV Np = 1011 Measurement 1 (B) S.MISCETTI CSN1 Napoli

Staging: Phase I (PAX@CSR) Physics: EMFF pbar-p elastic back Experiment: pol./unpol. Pbar (3.5 GeV/c) on int. pol. target Independent from HESR running

Staging: Phase II (PAX@HESR) Physics: Transversity back EXPERIMENT: 1. Asymmetric collider: polarized antiprotons in HESR (p=15 GeV/c) polarized protons in CSR (p=3.5 GeV/c) 2. Internal polarized target with 22 GeV/c polarized antiproton beam. Second IP with minor interference with PANDA