contribution to the g0 experiment on parity violation : calculation and simulation of radiative...

Contribution to the G0 experiment on parity violation : calculation and simulation of radiative corrections and

background study Hayko Guler

Institut de Physique Nucléaire d’Orsay

Groupe PHASE

1. Introduction : From parity violation to strange quarks

2. G0 experiment

3. Electromagnetic radiative corrections

4. Simulations with GEANT

5. Study and calculation of the inelastic background and comparison to experimental datas

6. Conclusion & outlook

1.1. Introduction : de la violation de la Introduction : de la violation de la parité aux quarks étrangesparité aux quarks étranges

2. L’expérience G0

3. Les corrections radiatives électromagnétiques

4. Simulations avec GEANT

5. Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales

6. Conclusion

Strange quarks in proton

proton

gluons

Paires de quarks ( u, u ) et ( d, d ) de la mer

u

u

Paires de quarks ( s, s ) de la mers

s

Quarks of valenceu

u

d

Do strange quarks contribute to proton properties ?

Proton mass ( -N scattering ) ~ 30 %Proton spin (D.I.S.) ~ 10 %

Contribution of s quarks to charge and magnetic current of proton ?

What role do strange quarks play in nucleon properties?u

ud

u

us

s

valence quarks

“non-strange” sea (u, u, d, d) quarks

“strange” sea (s, s) quarks

proton

gluon

Spin:

Mass:

Charge and current:

DIS) (polarized %10 ~ | | NssN

term)-( %30 ~ || NNssN

?? | | sM

sE GGNssN

Contribution of s quarks to charge and magnetic current of proton ?

Electromagnetic form factor of the nucleon

Electric form factor

Magnetic form factorQ2

Form factor decomposition over quark flavours

Proton Neutron

sM,E

dM,E

uM,E

pM,E G

3

1G

3

1G

3

2G s

M,Ed

M,Eu

M,EnM,E G

3

1G

3

2G

3

1G

Electric charge of each quark

Electromagnetic form factor of the nucleon

Electric form factor

Magnetic form factorQ2

Form factor decomposition over quark flavors

Proton Neutron

sM,E

dM,E

uM,E

pM,E G

3

1G

3

1G

3

2G s

M,Ed

M,Eu

M,EnM,E G

3

1G

3

2G

3

1G

Isospin Symmetry between proton and neutron

quark u quark d ( Violation : ~ 1% )

Electromagnetic form factor of the nucleon

Electric form factor

Magnetic form factorQ2

Form factor decomposition over quark flavors

Proton Neutron

sM,E

dM,E

uM,E

pM,E G

3

1G

3

1G

3

2G s

M,Ed

M,Eu

M,EnM,E G

3

1G

3

2G

3

1G

Electromagnetic interaction : 4 equations and 6 unknowns

sM,EW

2dM,EW

2uM,EW

2pZM,E Gsin

3

1

4

1Gsin

3

1

4

1Gsin

3

2

4

1G

Weak form factors of nucleon

Form factor decomposition over quark flavors

Electric weak form factor

Pseudo-scalar form factor

Magnetic weak form factor

Axial form factor

Weak charge of each quark

( )

sM,EW

2dM,EW

2uM,EW

2pZM,E Gsin

3

1

4

1Gsin

3

1

4

1Gsin

3

2

4

1G

Weak form factors of nucleon

Form factor decomposition over quark flavors

Electric weak form factor

Pseudo-scalar form factor

Magnetic weak form factor

Axial form factor

( )

em. interaction + weak 6 equations et 6 unknown

Weak coupling measurement Access to strange quarks

sME

dME

uME

pZME

nME

pME GGGGGG ,,,

,,

,,

,, ,,,,

If we neglect the axial form factor

Weak process extraction of

• Weak process very small in compare to electromagnetic interaction : at Q² = 1 (GeV/c)²,

• But, weak interaction violate the symmetry of parity

M10M 5

Z

Experimental method : electron-proton elastic scattering, with longitudinally polarized electrons

ee ,,

eeDD p’p’

ee ,,

eeGG p’p’

Electron-proton scattering cross section

e

e p

p Z0e

e p

p +

2

*

2

D/GZD/GZ

22

D/GZD/G )(M2Reσ MMMMM ++=+ *

G

*

ZγD

*

Zγ)M(M)M(M

52

γ

G

*ZγD

*Zγ

GD

GDPV

10M

)M(MRe)M(MRe

σσ

σσA

Parity violation asymmetry calculation

Asymmetry can be decomposed as

S0PV AAA

Parity violation asymmetry

Kinematical parameters :

Basic constants : 2FW G,,sin

Asymmetry : deviation from A0

2pM

2pE

1TA

0TA

pM

nM

pM

nE

pE

W2

2F

0GG

GGGGGGGsin41

24

QGA

2pM

2pE

sA

pM

sM

pM

sE

pE

2F

SGG

GGGGGG

24

QGA

Electric and magnetic form factors

proton neutron

Kinematical domain

Forward angles (PVA4, Happex, G0)

Backward angles (Sample, G0)

Pour G0 : measure at forward angles and backward angles on LH2. AND measure on LD2 at backward angles. Rosenbluth separation

Q2 = 0.25 (GeV/c)2

sA

sA

sM

sM

sE

sE

1TA

1TA

0TA

0TA

1PV2

F

GXGXGXGXGXXAQG

24

1. Introduction : de la violation de la parité aux quarks étranges

2.2. L’expérience G0L’expérience G0

3. Les corrections radiatives électromagnétiques

4. Simulations avec GEANT

5. Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales

6. Conclusion

G0 Experiment

Strange form factors separation Q2 = ( 0.3, 0.5, 0.8 ) (GeV/c)2

• PART 1 : Measurement at forward anglesDetect recoil protons between 48 et 77°

Q2 [ 0.16, 1. ] (GeV/c)2

Liquid hydrogen target• PART 2 : Measurement at backward angles

Detect electrons ~ 110ºLiquid hydrogen target

Measure at backward anglesDeuterium target

G0 experiment at forward angles

électrons incidents Cible

Collimateurs

FP détecteurs

• Electron beam energy = 3 GeV on 20 cm LH2 target

• Detect recoil protons ( ~ 62 - 78o corresponding to 15 - 5o

electrons)

• Magnet sorts protons by Q2 in focal plane detectors

• Full desired range of Q2 (0.16 - 1.0 GeV2) obtained in one setting

• Beam bunches 32 nsec apart (31.25 MHz = 499 MHz/16)

• Flight time separates p (about 20 ns) and + (about 8 ns)

L’expérience G0 au laboratoire Jefferson

Main components :• Superconducting toroidal magnet • Jefferson Lab. Polarized source ( 40 µA et P = 75 % )• Large acceptance scintillation detector array (0.9 sr) • LH2 (20 cm) target• Custom high count rate electronics •(2 MHz by detector)

Calendar :

• Design and construction (1993 - 2001)• 1st Commissioning run (October 2002 / January 2003)• 2nd Commissioning run (December 2003 / February 2004)• Forward angles detection run (February – April 2004)• Backward angles detection run (2005 - 2006)

G0 beammonitoring girder

superconducting magnet (SMS)

detectors (Ferris wheel)

cryogenic supply

target service module

G0 installed in Hall C at JLAB

Vue générale de G0 dans le Hall C de JLAB

Alimentation cryogénique

Détecteurs (Ferris wheel)

Module avec cible

Moniteur de faisceau G0

Aimant supraconducteur

Detectors

• G0 made up of 8 sectors or octants (4 French et 4 Nord-American )

• One octant made up of 16 detectors

• One detector = pair of Scintillators in coincidence read by photomultipliors

Structure en temps du faisceau

• YO [START] = 31.25 MHz (499MHz / 16)

• Helicity is flipped at 30 Hz (every 33 ms)

MacroPulse (MPS) : 1 helicity state duration (33 ms)

Helicity Flip500s

Data transfer

++ ++ ++ ++

MPS MPS MPS MPS MPS MPS MPS

Quartet Quartet

Quartets ( + - - +) or ( - + + - ) randomly distributed

DMCH-16x electronic module

DiscriminatorsMean-TimersTime Digital ConverterHistogramming 16 channelsX pour VXI standard

32 Discriminators

16 Mean-Timers1/2 Octant

1 DMCH-16X module :

8 detectors

EPLDTRIG TDC FIFO

DSPFrontEnd

DSPVME

Lecture

Thresholds(Analog 50mV~)

Daughter card

DFC/MTHistograms over 32ns

DFC Droit

DFC Gauche

MeanTimer

Sci

nti

llate

ur

Left pm

Right pm

250 ps

32 photomultipliors entry

CFD-MT

S-DMCH

Flash TDC

Front End DSPsDSP Concentrator

Module DMCH-16X (IPN/SEP)

Time of Flight spectra

Pions

Inelastic protons

Elasticprotons

1 4

8

2 3

765

10 12

9 11

1413 15

16

1. Introduction théorique : de la violation de la parité aux quarks étranges

2. L’expérience G0

3.3. Les corrections radiatives Les corrections radiatives électromagnétiquesélectromagnétiques

4. Simulations avec GEANT

5. Calcul du bruit de font et comparaison aux données expérimentales

6. Conclusion

Energie des électrons incidents

Electrons interact with target elements : ionization and external radiative corrections

External radiative corrections

Incidentelectron

Principal scattering

Internal radiative corrections

Difference between external radiative corrections and internal radiative corrections

ScatteredProton

Ionization External radiative corrections

• Ionization : Energy loss ~ 5 MeV ( 15 MeV)• External_RC: Energy loss ~ 40 MeV 3 GeV

But more than 95 % of electrons energy loss is smaller than 500 MeV

Energy loss

Born cross section and experiment

TPTelas

PP

3

dEd

d

P

Born2

d

d

For a fixed angle P :

Born cross section only Experimentally

TPTelasTcut

1 2

Traitement de la zone 1

dddEd

d

dEd

d

PP

5

PP

3

Integral calculation :

Proton detected : Integration over all directions

+

Internal Bremsstrahlung diagrams

2

Asymmetry calculation in zone 1

Necessity to calculate Z0 exchange diagrams

Electromagnetic interaction

Weak interaction

+

+

Traitement de la zone 2

Only the integral of 2nd zone has a physical meaning :

P

Born2

PP

E

E PP

3

d

dIII,II,IKdE

dEd

dPelas

Pcut

Le facteur d’atténuation est calculé en tenant compte des diagrammes suivants :

+

22

+

Corrections radiatives réelles

Émission de photons mous Born Vertex Énergie du vide

Corrections radiatives virtuelles

(I) (II)

(III)

Traitement de la zone 2

Trois conditions pour déterminer les coefficients a, b et c

• Condition intégrale :

• Continuité de la section efficace en Ecut

• Continuité de la dérivée de la section efficace en Ecut

cEbEadEd

dP

2

PP

3

P

La section efficace peut être représentée par un polynôme fonction de l’énergie du proton :

P

Born2

PP

E

E PP

3

d

dIII,II,IKdE

dEd

dPelas

Pcut

Interpolation de la section efficace

Ne passent plus les collimateurs

• Difficulté d’interpoler directement la section efficace • La section efficace est approchée par des polynômes

et les coefficients sont interpolés par des splines dans chaque zone

1. Introduction : de la violation de la parité aux quarks étranges

2. L’expérience G0

3. Les corrections radiatives électromagnétiques

4.4. Simulations avec GEANTSimulations avec GEANT

5. Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales

6. Conclusions

Simulations avec GEANT

• L’information physique est un temps de vol• L’aimant, les collimateurs, la position des

détecteurs (géométrie) et les pertes dans les différents matériaux traversés sont pris en compte dans la simulation

1) Tirage de la position de la diffusion sur la cible

2) Tirage de l’énergie des électrons selon la loi de probabilité

3) Tirage de l’angle de diffusion du proton de recul

4) Tirage de l’énergie du proton de recul

5) Interpolation de la section efficace et de l’asymétrie

6) Normalisation (calcul du poids) et suivi de la particule

Electron

incident

Proton de recul

p

0 20 cm

Méthode à poids

• Le passage d’une section efficace à un taux de comptage est faite par une méthode à poids

• Toutes les variables sont tirées de façon uniforme • L’expression du poids pour la diffusion e-P dépend

du nombre de particules dans l’état final : • Diffusion élastique (2 particules état final) :

• Corrections radiatives internes ou réactions inclusives (3 particules état final) :

jj

2

Tj sin

d

d

NLW

jjminjmaxj

3

Tj sinEE

dEd

d

NLW

Domaine cinématique

Effet sur le temps de vol (1-4)

Corrections radiatives

Diffusion élastique

Effet sur le temps de vol (13-16)

Corrections radiatives

Diffusion élastique

Correction au TOF

• Coupure à 2 sigma (expérience)

• Les RC diminuent le TOF• L’effet est négligeable (< résolution

expérimentale)

Corrections radiatives

Diffusion élastique

Effet sur le Q2 (1-4)

Corrections radiatives

Diffusion élastique

Effet sur le temps de vol (13-16)

Corrections radiatives

Diffusion élastique

Correction au Q2

• Coupure à 2 sigma (expérience)

• Les RC augmentent le Q2

• L’effet est inférieur à 1 % sauf pour le détecteur 14

Q2 par détecteur Rapport des Q2 : RC-elas (en %)

Corrections radiatives

Diffusion élastique

Correction à l’asymétrie

• Coupure à 2 sigma (expérience)

• Les RC augmentent l’asymétrie • L’effet est inférieur à 1 % sauf pour le détecteur

14

Corrections radiatives

Diffusion élastique

1. Introduction théorique : de la violation de la parité aux quarks étranges

2. L’expérience G0

3. Les corrections radiatives électromagnétiques

4. Simulations avec GEANT

5.5. Calcul du bruit de fond et comparaison Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentalesavec les données expérimentales

6. Conclusion

Évaluation des inélastiques

• Fond polluant : protons inélastiques sous le pic élastique

• Processus calculés : électroproduction et photoproduction (dans la cible de LH2 uniquement)

Pions

Protons inélastiques

Protons élastiques

Générateur d’électroproductionExemple de réaction : e + p e + p + 0

eePP

5

PP

3

dddEd

d

dEd

d

Nous voulons évaluer :

Avec :2

elc3ePP

5

MKddEd

d

Dominé par Q2 ~ 0

Tend vers : 2

phc3 MK

Facteur cinématique à 3 corps

Amplitude de photoproduction :

2

phc2P

2

MKd

d

Facteur cinématique à 2 corps

Données expérimentales

Validité du modèle

On se place à une énergie de 650 MeV

)cosd

d)1(2cos

d

d

d

d

d

d(

ddEd

d TLTTLT

ePP

5

Facteur de flux

3 calculs différents sont effectués :

1. Un calcul exact avec tous les termes (lagrangien effectif )

2. Un calcul dans lequel on ne garde que la partie transverse

3. Un calcul dans lequel on prend les données de photoproduction

Comparaison à 650 MeV

Comparaison de la photoproduction avec l’électroproduction

• La longueur critique pour laquelle la photoproduction est équivalente à l’électroproduction vaut 0.04 longueur de radiation (Tsai) (cible de 36cm)

• Dans le cas de G0, la cible est de 20 cm de LH2, de densité 0.07 g/cm3, soit 0.022 longueur de radiation. L’électroproduction doit donc dominer la photoproduction

Comparaison des sections efficaces

Réactions en milieu de cible pour différents angles du proton de recul Électroproduction : e + p e + p + 0

Photoproduction : + p p + 0

Comparaison des temps de vols

e + p e + p + 0

+ p p + 0 ( venant du LH2 + de l’aluminium) + p p + 0 ( venant du LH2)

Comparaison aux données de G0 (1-4)

• Comparaison aux données du commissionning

• 6-7 mil. inch de fenêtres d’aluminium

Comparaison aux données de G0 (12-15)

Effet des fenêtres d’aluminium ?

On reproduit près de 50 % du bruit de fond

• Comparaison aux données du commissionning

• 6-7 mil. inch de fenêtres d’aluminium

Comparaison aux données 12/03 (1-4)

Comparaison aux données 12/03 (11-14)

1. Introduction : de la violation de la parité aux quarks étranges

2. L’expérience G0

3. Les corrections radiatives électromagnétiques

4. Simulations avec GEANT

5. Calcul du bruit de fond et comparaison avec les données expérimentales

6.6. ConclusionConclusion

Conclusion

• Contributions importantes pour l’interprétation future des données expérimentales de l’expérience G0

• Calcul complet des corrections radiatives électromagnétiques internes sur le proton

• Effet des corrections radiatives sur le temps de vol, le Q2 et l’asymétrie

• Début de simulation du fond polluant résultant des protons inélastiques venant de l’hydrogène de la cible

• Limites actuelles : simulation des fenêtres d’aluminium, et des polarisations

Détermination de l’énergie de coupure Ecut

• L’intégrale de la section efficace entre Emin = 2 MeV et Emax = Eelas ne doit pas dépendre de Ecut

P

Born2

PcutP

E

E PP

3Pcut d

dEAdE

dEd

dEI

Pcut

Pmin

Traiter les divergences

• Propagateur Pxi proportionnels à 1/E : divergence infrarouge pour E 0

• Deux régimes : Ep Ecut et Ep Ecut

• Ep Ecut photons durs et intégrale non divergente

• Ep Ecut photons mous et intégrale divergente

• Ecut pas une coupure physique

mais est un paramètre calculatoire

dddEd

d

dEd

d

PP

5

PP

3

But : calculer

Lever la divergence

• La divergence n’est pas physique mais calculatoire

• L’intégrale de la section efficace de RC est reliée à Born par un facteur d’atténuation A

• A contient les RC virtuelles

P

Born2

PcutP

E

E PP

3

d

dEAdE

dEd

dPelas

Pcut

Interpolation pour Ep Ecut

• Difficulté d’interpoler directement la section efficace • On approche la section efficace par des polynômes et on

interpole leurs coefficients • Interpolation (Lagrange) donne trop d’erreurs sur la valeur

de la section efficace Interpolation par des splines

Courbes Eelas = f() pour des énergies incidentescalculées

Courbes Eelas = f() pour l’énergie incidentetirée

Interpolation pour Ep Ecut

• Difficulté d’interpoler directement la section efficace • On approche la section efficace par des polynômes et on

interpole leur coefficients • Interpolation (Lagrange) donne trop d’erreurs sur la valeur

de la section efficace Interpolation par des splines

Différents tests des DMCH-16X

• Temps mort : mode NPN (Next Pulse Neutralisation) Position des césures

• Temps mort des discriminateurs (~32ns)• Modes de fonctionnement

Comparaison aux données de SOS

Avant G0, le spectromètre SOS a permit de tester les modèles théoriques (acceptance proche de G0 et Einc=3.245 GeV)

On reproduit 70-80 % des données à 58.6 degrés

Comparaison aux données de SOS

Avant G0, le spectromètre SOS a permit de tester les modèles théoriques (acceptance proche de G0 et Einc=3.245 GeV)

On reproduit 95 % des données a 65.6 degrés

Calcul du nombre de photons

Les électrons rayonnent des photons de Bremsstrahlung dont la distribution en fonction de leur énergie est :

Vérification de la méthode à poids

• Comparaison à la loi réelle (cas particulier d’une section efficace analytique )

• Vérification de la loi reliant l’intégrale de la section efficace de RC à Born (à 2% près )

• Comparaison avec les données expérimentales

Modèle d’étrangeté dans le calcul d’asymétrie

Modèle de Hammer :

Q² par détecteur