1 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 WG: FISICA ADRONICA E DELLO SPIN ORGANIZZAZIONE DI QUESTA PRESENTAZIONE 1.INTRODUZIONE   le caratteristiche di questo WG   l’impostazione del lavoro iniziale 2.LAVORO INIZIALE: la prima riunione del WG   il menu’ di fisica risultante 3.MISCELLANEA di considerazioni scaturite in questa fase istruttoria del lavoro materiale largamento ricavato dalle trasparenze dei colleghi dello WG e da S.Forte (MI, 4/5/05): grazie !

2 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 INTRODUZIONE

3 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 WG: FISICA ADRONICA E DELLO SPIN sostanziali overlap e contiguita' scientifiche con altri WG:   (S)PS++ e fisica relativa   overlap e contiguita’ + evidenti, urgenti  contatti con WG (S) PS++   Futuro di e+e- a LNF   Fisica dei K   CSN III (si veda la prossima trasparenza)   contiguita’ riconosciuta fin dall’inizio, contatti fra i Presidenti   Prima linea scientifica della CSN III– Mauro Taiuti   Referente fattori di forma: Valeria Muccifora   Referente trasversita’ : Paolo Lenisa   contatti con MT,VM,PL: non siamo riusciti ad avere una riunione congiunta, i contatti continuano   il progresso del lavoro suggerira' come gestire queste aree comuni   GOAL di questa fase iniziale : delineare la nostra attivita’ parziale overlap contiguita’ : facilities condivise

4 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 CSN III – attivita’ contigue per completezza, una compilazione delle attivita’ contigue del gruppo III, tutte incluse nella loro linea scientifica prima:  fattori di forma e.m. dei nucleoni, anche con misure di GSI  spettroscopia adronica (charmonio, esotici, elettroproduzione e GSI, JLab  fisica dello JLab, GSI  distribuzioni partoniche JLab, GSI  OVERLAP COSPICUO !

5 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 I RIUNIONE del Working Group  Roma, 7/11/2005  Partecipanti D. Bettoni F. Bradamante M.P. Bussa F. Cervelli S. Dalla Torre M. Grassi M. Maggiora A. Martin V. Muccifora F. Tessarotto la presenza di Valeria ha costituito un importante link con la CSN III: grazie ci e’ mancata la presenza del nostro teorico, oberato da molti impegni (non e’ stato possibile individuare una data compatibile): si e’ parlato molto di fisica e i commenti a caldo del collega teorico sarebbero stati preziosi le presenze, come l’agenda, sono il riflesso dei gruppi che hanno alzato la mano

6 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 I RIUNIONE del Working Group AGENDA – 7/11/05  Commenti introduttivi, S. Dalla Torre  Fisica dello spin a COMPASS 2 ed altro, F. Bradamante  Le prospettive sperimentali della fisica adronica dell'esperimento PANDA, D. Bettoni  Le prospettive dello studio della violazione di sapore leptonico nel settore dei leptoni carichi, M. Grassi  Prospettive delle facility ad alta intensita' per il progresso della fisica adronica, F. Cervelli  Discussione conclusiva NON E’ FISICA ADRONICA, MA STRUMENTI DI ALTA INTENSITA’ IN COMUNE CONTIGUITA’ E CONTATTI, COME DETTO (di questo non si parlera’ nel seguito; si veda il talk di Franco)

7 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 I 3 SOGGETTI DI FISICA IN RAPIDI CENNI

8 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 COMPASS 2

9 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 COMPASS 2, perche’ ?   i frutti della fisica adronica dello spin  1988 : la scoperta della “crisi dello spin” (misure di DIS)  2005 : la prima misura precisa di  G/G (misure di SI-DIS)  > 2000 : il ruolo della trasversita’ (misure di SI-DIS)   gli interrogativi aperti (alcuni molto datati)  la natura dello spin del nucleone  un oggetto quotidiano come il N e’ ancora mal capito e descritto !  i grandi effetti di polarizzazione nello scattering pp   il ruolo delle misure di DIS e SI-DIS  illustrato dai risultati menzionati sopra  le sonde  : accesso ai piccoli x in misure DIS e SI-DIS con polarizzazione  le prospettive - ~2010: il fascio di  dell’SPS sara’ l’unica facility per DIS ad alta energia (ELIC, eRHIC un sogno lontano)

10 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 LA CRISI DELLO SPIN il“puzzle”dello spin dei nucleoni LA CRISI DELLO SPIN, EMC 88 poi confermata, oggi:  ~ 0.2 [aspettazione SU(3)  = 0.6] COMPASS, 2004: misure di precisione ed, inoltre, da misure di DIS polarizzato verifica della Bjorken Sum Rule verifica della Bjorken Sum Rule (solo grazie al piccolo x !!!, SMC) (solo grazie al piccolo x !!!, SMC) misura precisa  s misura precisa  s  (in MS) =

11 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 LO STUDIO DELLA CRISI   ~ 0.2, contributo di  G ?  ruolo dell’anomalia assiale: la nuova frontiera sperimentale: SI-DIS per misurare:  G/G e non solo:  q i (non accessibile in Drell-Yan) trasversita’

12 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 LA PRIMA MISURA DI  G/G Photon Gluon Fusion (PGF)   P  q COMPASS 2005: 17 anni dopo la crisi dello spin, la prima misura precisa del contributo del gluone allo spin del nucleone q = c: Open Charm (decadimenti D 0, D *)   limitazioni statistiche   interpretazione chiara: golden channel   essenziale l‘alta energia q = u, d, s: coppie adroniche ad alto p t   misure non limitate statisticamente   fondo da processi fisici competitori

13 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 ANCORA CON SI-DIS HERMES: prima decomposizione di g 1 con 5 flavour

14 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 UN’ INDICAZIONE PER I PROSSIMI PASSI  al valore di x misurato:  G/G piccolo, compatibile con zero da confermare con il golden channel da misurare a x differente da confrontare con le misure in corso al RHIC Phoenix:  0 inclusivo da pp (p polarizzati) STAR: jet da pp (p polarizzati)  il momento angolare orbitale gioca un ruolo centrale per lo spin del nucleone? studio delle GPD (Generalized Parton Distributions)

15 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 TRASVERSITA’ sviluppo recente della teoria ruolo complementare  q e  T q ruolo di k t caratteristiche della trasversita’ verifica la natura relativistica dei q non c’e’ contributo di g evoluzione in Q 2 e SumRule ≠ longit. sensibile ai q di valenza

16 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 TRASVERSITA’ – un esmpio

17 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 TRASVERSITA’ – LE PROSPETTIVE da COMPASS: ED, INOLTRE: la polarizzazione delle  l’identificazione degli adroni semi-inclusivi con il RICH le misure di trasversita’ di HERMES

18 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 GENERALISED PARTON DISTRIBUTIONS

19 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 COMPASS 2 LA FISICA IL FASCIO IL FASCIO ALCUNE MISURE POSSONO ESSERE EFFETTUATE CON L’INTENSITA’ATTUALE (MISURE SU PROTONI) ALCUNE MISURE BENEFICEREBBERO DI UNA INTENSITA’ MAGGIORE DEL FASCIO DI MUONI (x 5) ALCUNE MISURE BENEFICEREBBERO DI UNA MAGGIORE ENERGIA DEL FASCIO DI MUONI (ΔG da HIGH Pt HADRON PAIRS e OPEN CHARM)

20 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 COMPASS 2 PERCHE’ ALTA ENERGIA  importante avere grande Q 2 e grande W (massa equivalente dello stato adronico) per ridurre i contributi degli higher-twists  per la misura di  G/G  dalla asimmetria delle coppie di adroni a grande p T si puo’ migliorare la stima delle direzioni dei quark  dalla asimmetria di open charm aumenta la sezione d’urto di produzione

21 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 GPD’s a COMPASS2 La Collaborazione ha espresso il suo interesse per queste misure al meeting di Villars, settembre 2004 “COMPASS with high intensity muon beams and unpolarized target”, N. d'Hose e successivamente ha sottomesso una "Expression of Interest": SPSC-E0I-005 "Expression of Interest": SPSC-E0I-005 canali proposti:  Exclusive meson electroproduction:   Vector mesons (  0 )   Pseudoscalar mesons (  )  Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS)

22 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 E=190, 100GeV At fixed x Bj, study in Q 2 Limitation by luminosity now N  = 2·10 8 μ per SPS spill Q 2 < 7.5 GeV 2 for DVCS  if N   2  Q 2 < 11 GeV 2 for DVCS Benefit of a higher muon intensity for GPDs study if N   5  Q 2 < 17 GeV 2 for DVCS

23 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 Transverse Structure Functions via Drell-Yan kinematics possibile misura con fascio di  -, pbar e bersaglio di protoni polarizzati trasversalmente [“Future Physics using Hadron Beams with COMPASS”, S. Paul,Villars, Sett. 2004]

24 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 Transverse Structure Functions (Drell-Yan) 30 GeV/c 15 GeV/c 40 GeV/c  = const: hyperbolae x F = const: diagonal PANDA (GSI) ASSIA (GSI) COMPASS Phase space

25 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 COMPASS 2 INFORMAZIONI GENERALI, preliminari  Costuzioni dal 2008:  Tracciatori a piccolo angolo  Sistema di trigger - partecipazione INFN  DAQ - partecipazione INFN  RICH2 (alti p) - partecipazione INFN  Terzo ECal  Recoil detector per DVCS  Data taking: 2011/  Costo ~10 M€  impegno INFN ~ quello attuale in COMPASS  ~30 FTE, fisici  ~5 FTE, tecnici  25% costi

26 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 ALTRE VIE ALLA FISICA DELLO SPIN

27 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 … e ALTRO interesse per altre opzioni di studio della fisica dello spin  FISICA DELLO SPIN A FAIR  GSI: pbar > 40 GeV  LOI ASSIA  Drell-Yan di-lepton production  transversity  spin observables in hadron production  electromagnetic form factors  LOI PAX   FISICA DELLO SPIN A PROTVINO  Intensita’ fino a 5x10 12 /spill  Energia fino a 70 GeV  Polarizzazione fino a 70%  Collaborazione: Protvino-Troitsk-Novosibirsk  FISICA DELLO SPIN A J-PARC  la potenza aumentera ’ fino a ~1 MW raggiunto nel 2012  Previsto fascio di protoni polarizzati a 50 GeV

28 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 da ASSIA LoI studio di possibili lay-out degli accelaratori per avere un fascio di antiprotoni polarizzati di energia sufficiente collider simmetrico collider asimmetrico... studio di fattibilita’ di almeno parte del programma a PANDA simulazioni per Drell-Yan PAX definizione dell’apparato studi per polarizzabilita’ degli antiprotoni: possibili misure a COSY e a AD Fisica dello spin a FAIR work in progress verso uno Spin Experiment with AntiProtons (SEAP) in parallelo a PANDA

29 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 FISICA ADRONICA A PANDA

30 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 FISICA ADRONICA A PANDA il programma il fascio   p beams with momenta up to 15 GeV/c (√s  5.5 GeV) PANDA – esperimento approvato dalla CSN III con referee congiunti con la CSN I per la parte adronica del programma di fisica

31 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 PANDA – L’APPARATO richieste :  (Nearly) 4  solid angle coverage (partial wave analysis)  High-rate capability (2×10 7 annihilations/s)  Good PID ( , e, µ, , K, p)  Momentum resolution (  1 %)  Vertex reconstruction for D, K 0 s,   Efficient trigger  Modular design per il charmonio, in particolare :  Pointlike interaction region  Lepton identification  Excellent calorimetry   Energy resolution   Sensitivity to low-energy photons

32 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 Charmonium Physics Outlook  All 8 states below D Dbar threshold have been observed, with open problems:  The study of the h c (1P1 singlet resonance) remains a very high priority in charmonium physics: contradictory evidence  The agreement between the various measurements of the  c mass and width is not satisfactory. New, high-precision measurments are needed. The large value of the total width needs to be understood.  The study of the  c has just started; mass agrees, m = 5 M eV, but theoretical doubts : small splitting from the  must be understood. Width and decay modes must be measured.  The angular distributions in the radiative decay of the triplet P states must be measured with higher accuracy.  The energy region above open charm threshold is the most interesting for the future and have to be explored in great detail:  find all missing states, measure their properties.  explain nature of existing states (X(3872), Y(3940)...)  study radiative and strong decays, e.g.  (4040)  D *  D * and  (4160)  D *  D *, multi amplitude modes which can test the mechanisms of the open-charm decay.

33 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 CHARMONIO, IL FUTURO near future: new results in charmonium spectroscopy will come from existing e + e - machines:  BES at BEPC in Beijing will collect data at the  (3770) resonance  CLEO-c at Cornell will run for at least 5 years at the  and especially above threshold.  BaBar and Belle at the existing B-factories will continue to provide first rate results in charmonium spectroscopy. measurements which can only be done in a precision  pp experiment:  The measurement of very narrow widths, which cannot be achieved in e + e -, e.g. the h C and the X(3872).  The systematic study of the spectrum, below and above threshold.  The systematic study of all decay modes. COMPLEMENTARIETA’

34 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 IL CHARMONIO A PANDA  At 2  cm -2 s -1 accumulate 8 pb -1 /day (assuming 50 % overall efficiency)  10 4  10 7 (c  c) states/day  Total integrated luminosity 1.5 fb -1 /year (at 2  cm -2 s -1, assuming 6 months/year data taking).  Improvements with respect to Fermilab E760/E835:  Up to ten times higher instantaneous luminosity.  Better beam momentum resolution  p/p = (GSI) vs 2  (FNAL)  Better detector (higher angular coverage, magnetic field, ability to detect hadronic decay modes).

35 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 ADRONI NELLA MATERIA NUCLEARE

36 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 Hybrids and Glueballs Spin-exotic quantum numbers J PC are powerful signature of gluonic hadrons. In the light meson spectrum exotic states overlap with conventional states. In the c  c meson spectrum the density of states is lower and the exotics can be resolved unambiguously.  1 (1400) and  1 (1600) with J PC =1 -+.  1 (2000) and h 2 (1950)  1 (2000) and h 2 (1950) Narrow state at 1500 MeV/c 2 seen by Crystal Barrel : best candidate for glueball ground state (J PC =0 ++ ). Detailed predictions of mass Spectrum from quenched LQCD.

37 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 Proton Timelike Form Factors The electromagnetic form factors of the proton in the time-like region can be extracted from the cross section for the process:  pp  e + e -  pp  e + e - First order QED predicts: Excellent electron identification and background rejection make this measurement possible in  PANDA. The measurement can be carried out in parallel to the spectroscopy program and does not require any special running.

38 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 Proton Magnetic Form Factor |G M | (relevant for PAX, DAPHNE 2)

39 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 Form Factor Measurement in  PANDA PANDA -- measurement of proton timelike form factors over the widest q 2 range ever covered by a single experiment, from threshold up to q 2 =20-25 GeV 2, and reach the highest q 2.  At low q 2 (near threshold) high statistics, measure the angular distribution (and thus G M and G E separately) and confirm the sharp rise of the FF.  FF at the highest values of q 2 ever reached, GeV 2, 2 larger than the maximum value measure by E835. Since the FF decrease ~1/s 5, to get comparable precision to E835 we will need ~80 times more data.  in the E835 region, at least more data needed to be able to measure the electric and magnetic FF separately.

40 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 VIOLAZIONE DEL FLAVOUR LEPTONICO

41 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 VIOLAZIONE FLAVOUR LEPTONICO (LFV) con attenzione al settore  perche’ studiare queste violazioni ?   Charged Lepton Flavour Violation (CLFV) processes, like  e ,  eee,  e conversion, and also  e ,  ,  lll, are negligibly small in the extended Standard Model (SM) with massive Dirac neutrinos (BR  )   Super-Symmetric extensions of the SM (SUSY-GUTs) with right handed neutrinos and see-saw mechanism may produce CLFV processes at significant rates   CLFV decays are therefore a clean (no SM contaminated) indication of profound New Physics (mainly SUSY, but also on other exotic scenarios ) and they are experimentally accessible

42 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 VIOLAZIONE FLAVOUR LEPTONICO (LFV)  in generale, le stesse lagrangiane efficaci per descrivere i seguenti fenomeni  LFV  non zero  EDM  deviazioni di g  -2 rispetto alle predizioni dello SM  e, ovviamente, connessioni con le oscillazioni di  e, ovviamente, connessioni con le oscillazioni di  LVF, le violazioni variano di ordini di grandezza a seconda dei modelli: – (da confrontare con SM: modelli: – (da confrontare con SM: BR  ) In SUSY models the slepton mixing matrix links the three processes

43 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 Experimental situation LFV searches Orders of magnitude improvement are required: experimental challenge!

44 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 PROSPETTIVE NEL SETTORE    +  e + e + e - : SINDRUM I  present limit B(  3e ) < 1x  a new experiment should aim to a sensitivity: B  (6 order of magnitude !)   +  e +   present limit B(  e  ) < 1.2x by the MEGA Collaboration  il prossimo futuro ( ): upper Limit at 90% CL BR  1  MEG (esperimento ben noto alla CSN I)   -  e - conversion  1 particella nello stato finale: non c’e’ fondo accidentale !  present limit B(  e:Au ) < 8x by the SINDRUM II + corpi nello stato finale: limitazioni dai fondi accidentali ! coherent LFV decay  (A,Z)  e (A,Z) e- -  e- -  (A,Z)

45 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05  -  e - generalities 1 particle in the final state: no accidental Background chance for pushing down the limit on BR  Event selection based on e - momentum only   lifetime ~.9  s on Al or.35  s on Ti Key element: beam quality !   Short (  t ~ 10ns) and intense (~  s) pulses of low momentum  (~ 68 MeV/c)   Long beam off intervals (  t ~ 1  s )   Extremely low  contamination (10 -9 proton extinction or FFAG)   Narrow momentum spread (<2 % with FFAG)

46 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05  -  e - : PRISM beam Phase Rotated Intense Slow Muon source To be operated at J-PARC (Japan) or elsewhere !!! (if J-PARC …) Based on a FFAG ring FFAG funded by Osaka Univ. Ready end 2007 nuovo elemento: apertura importante

47 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05  -  e - : PRIME detector Only a LOI has been presented at J-PARC The detector is in form of conceptual design The Collaboration seed is formed by Jap and US researchers Cost ??? Timescale ??? The physics channel is a very challenging but really interesting

48 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 MISCELLANEA DI CONSIDERAZIONI

49 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 MISCELLANEA DI CONSIDERAZIONI 1  FISICA DELLO SPIN - considerando  lo stato  le prospettive immmediate  i programmi futuri  le nuove facility  gli interrogativi aperti  indubbia vitalita’, grande interesse scientifico, panorama stimolante, entusiasmo di chi vi si dedica  la continguita’ e la complementarieta’ fra quanto proposto nel settore adrinico nell’ambito delle CSN I e III e’ evidente: si auspica una collaborazione solida e fattiva  in questa fase istruttoria, nel WG si e’ parlato soprattutto (piacevolmente !) di fisica  le motivazioni (e l’entusiasmo) dei partecipanti vengono dalla fisica  lo schema delle informazioni richieste sara’ completato nella prossima fase

50 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05 MISCELLANEA DI CONSIDERAZIONI 2  i partecipanti a questo WG considerano il CERN un importante laboratorio di riferimento  sia con le facility attuali (SPS: COMPASS, COMPASS 2)  sia, in prospettiva, con possibili facility future  proton driver, SPS ++ :    e  COMPASS ++  e, certamente, altro che si materializzerebbe avendo lo strumento a disposizione  sinergie con l’aumento di luminosita’ di LHC...  temono, pero’, che le strategie di sviluppo del CERN possano venir formulate senza un reale input della comunita’ scientifica:  il laboratorio e’ della comunita’ scientifica europea e non puo’ essere autoreferenziale  auspicano che l’INFN partecipi costruttivamente a delineare il futuro del Laboratorio  come comunita’ scientifica  a livello istituzionale

51 Sezione di Trieste Silvia DALLA TORRE CSN I, Frascati 15/11/05