Wyniki fizyczne uzyskane w ramach realizacji zadań projektu

Nr wniosku: 150098, nr raportu: 13783. Kierownik (z rap.): prof. dr hab. Andrzej Maciej Sandacz
Wyniki fizyczne uzyskane w ramach realizacji zadań projektu wnoszą istotny wkład do
zrozumienia spinowej struktury protonu. Zagadnienie w jaki sposób spin nukleonu równy ½ może być
złożony ze spinów i orbitalnych momentów pędu partonów (kwarków i gluonów) stało się
przedmiotem dużego zainteresowania fizyków od czasu opublikowania w 1988 r. przez Współpracę
EMC w CERN-ie zaskakującego wyniku, że całkowity wkład spinu kwarków do spinu nukleonu jest
mały. Wynik ten został potwierdzony przez kolejne eksperymenty. Obecnie wielkość ta znana jest z
dość dobrą dokładnością (kilka procent) i wynosi około 30% , wbrew przewidywaniom statycznego
modelu nukleonu, w którym suma spinów trzech kwarków jest równa spinowi nukleonu. Zagadka
dlaczego wkład spinu kwarków okazał się tak mały, nazwana ‘kryzysem spinu nukleonu’, pozostaje
dotychczas nierozwiązana i wywołuje pytania jaka jest rola spinu gluonów oraz orbitalnego momentu
pędu kwarków i gluonów w nukleonie.
W ramach prób znalezienia odpowiedzi na powyższe pytania realizacja niniejszego projektu
dostarczyła nowych, znacznie dokładniejszych niż dotychczas danych. W szczególności dotyczą one:
i) Pierwszego i dotychczas jedynego wyznaczenia polaryzacji gluonów w przybliżeniu NLO
chromodynamiki kwantowej (QCD) dla fuzji fotonowo-gluonowej PGF (ang. Photon Gluon Fusion)
badanej w procesie produkcji mezonów powabnych; ii) Najdokładniejszego dotychczas wyniku
dotyczącego polaryzacji gluonów otrzymanego w przybliżeniu LO QCD dla reakcji PGF badanej w
procesie semi-inkluzywnej produkcji hadronów z dużymi pędami poprzecznymi; iii) Wyznaczenia z
trzykrotnie większą niż dotychczas precyzją azymutalnych asymetrii dla produkcji mezonów
wektorowych na poprzecznie spolaryzowanych protonach i deuteronach. Wyniki te dostarczają
doświadczalnych ograniczeń na oszacowania orbitalnych momentów pędu kwarków walencyjnych u i
d.; iv) Pierwszego pomiaru azymutalnej asymetrii Siversa dla gluonów, zmierzonej dla procesu PGF.
Wynik jest pierwszą eksperymentalną wskazówka na istnienie niezerowego orbitalnego moment pędu
gluonów w nukleonie.
Zadania projektu dotyczyły także konstrukcji dwóch nowych detektorów, a mianowicie
dużego, o długości 4m, detektora protonów odrzutu (do pomiaru protonów o małym pędzie emitowanych z tarczy pod dużymi kątami względem wiązki) oraz kalorymetru elektromagnetycznego o
szerokiej akceptacji kątowej. Zbudowanie detektora protonów odrzutu CAMERA i nowego
kalorymetru elektromagnetycznego ECAL0 umożliwi w ciągu kilku następnych lat pomiary procesów
ekskluzywnej produkcji fotonów oraz mezonów i realizację programu badania rozkładów
uogólnionych rozkładów partonów GPD (ang. Generalised Parton Distributions). Rozkłady te
zawierają informację na temat trójwymiarowej struktury protonu oraz orbitalnego momentu pędów
kwarków i gluonów. Badanie rozkładów GPD jest częścią projektu ‘COMPASS-II proposal’, którego
realizację rozpoczęto w 2012 r.
Detektor CAMERA składa się z dwóch współosiowych cylindrów zbudowanych z podłużnych
płyt scyntylatora z odczytem sygnałów na obu końcach scyntylatorów. Detekcja protonów odrzutu
emitowanych z tarczy z ciekłym wodorem umieszczonej wewnątrz detektora oraz wyznaczenie ich
pędu oparte są na pomiarze czasu przelotu pomiędzy wewnętrznym i zewnętrznym pierścieniem
scyntylatorów. Analiza danych zebranych w 2012 r. potwierdza istotną rolę jaką spełnia detektor
CAMERA w pomiarach reakcji ekskluzywnych.
Jako detektory fotonów w kalorymetrze elektromagnetycznym ECAL0 zostały użyte wielopikselowe fotodiody pracujące w trybie Geigera. Ostatecznie wybrano fotodiody typu MPPC (ang.
Multipixel Photon Counters), które charakteryzuje wysoka gęstość pikseli, niski poziom szumów i
liniowość odpowiedzi bez utraty wydajności detekcji
Odnośnie możliwych aplikacji zastosowanych w tym projekcie technik detekcyjnych, to
szczególnie obiecujące są perspektywy zastosowań wielopikselowych fotodiod MPPC. Spośród
możliwych zastosowań tych detektorów poza dziedziną fizyki wysokich energii można wymienić np.
tomografię PET+MRI, przenośne detektory poziomu radiacji (np. używane do kontroli na granicach)
bądź inne zastosowania, gdzie konieczna jest odporność na silne pole magnetyczne (dyskwalifikująca
fotopowielacze), małe rozmiary czy konieczność stosowania niskich (<100V) napięć zasilających.