maria laach, 12. september 2005 physik bei hera der weltweit einzige ep-collider thomas...
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Maria Laach, 12. September 2005
PHYSIK BEI HERADer weltweit einzige ep-Collider
Thomas Schörner-SadeniusUniversität Hamburg
DPG-Herbstschule Maria Laach12. September 2005
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 2Maria Laach, 12. September 2005
H1
Hermes
ZEUS
DESY
HERA
PETRA
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 3Maria Laach, 12. September 2005
GLIEDERUNGeine ‘Tour de Force de HERA’ in 60 Minuten
Grundlagen der HERA-Physik – was ist das Proton?
HERA und die Experimente H1 und ZEUS
Das Proton und seine Struktur Der hadronische Endzustand, Jets Die Physik schwerer Quark Diffraktion Exotische und neue Physik
}Je nach Zeitund Laune
Kein Ergebnis-Marathon – statt dessen lieber Verständnis der Basics!
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 4Maria Laach, 12. September 2005
,Z,W
k Lepton (e±)
ProtonP
k’(e±,)
Neutral current (NC): epeXCharged current(CC): epX
KINEMATIK DER ep-STREUUNG Das Elektron als Sonde, x und Q2
p=xP
Q2=-q2=-(k-k’)2
y=1-E’/E: Inelastizität
Q2: Auflösung ~1/Q]
bei gegebenem s nur zwei Variablen unabhängig: Q2 = s·x·y
x=Q2/2Pq: Anteil des Proton-impulses in harter Streuung.
Ee = 27.5 GeV
Ep = 920 GeV
s = 4EeEp ~ 318 GeV
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 5Maria Laach, 12. September 2005
2tan
21
2cos
4 22
22
22
2
2
M
Q
E
E
QdQ
d
STRUKTUR DES PROTONSVon Rutherford zum Quark-Parton-Modell
Höhere Energien: Unelastische ep-Streuung zwei Variablen Q2,!
Hofstadter et al.: Elastische Streuung am Proton, Formfaktoren GE,M
2
tan212
cos4 22
222
22
2
2
M
ME GGG
E
E
QdQ
d -- GE,M: Formfaktoren Ausdehnung-- G2
E,M~(1+Q2)-1
2tan,2,
2cos
4 221
22
222
2
2
2
QWQWE
E
MQddQ
d W1,2 entsprechen den (quadrierten) elastischen Formfaktoren GE,M!
Elastische Rutherford/Mott-Streuung von Spin-1/2 an Spin-0 (1/2):
-- Rutherford/Mott-Streuung mit Rückstoss-- Spin-1/2-Target magnetische WWirkung
• SLAC 1969: W1,2 hängen nur von einer dimensionslosen Variable x=Q2/2 ab – und nicht von zwei Variablen Q2 und – “Scaling”. Wieso? • Bjorken: Parton-Hypothese! Ausdehnung des Protons durch punktförmige Spin-1/2-”Partonen” (die später mit den Quarks identifiziert wurden)!
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 6Maria Laach, 12. September 2005
STRUKTUR DES PROTONSFrühe Messung des Skalenverhaltens
Die Struktur ist beifestem x von Q2 und unabhängig!
W2
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 7Maria Laach, 12. September 2005
STRUKTUR DES PROTONSAuf dem Weg zur QCD – Quark-Parton-Modell
Unelastische ep-Streuung = Summe der elastischen eq-Streuungen
eqep
dQ
d
dQ
d22
)()(14
12
222
2
2
2
xFxyxFyxQdxdQ
d
ep
Strukturfunktionen F1,2, z.B.:
qqi
ii xxfQxF,
22 )()(
fqi(x)dx: Wahr’keit, ein Partonvom Typ i mit Impulsanteil xim Interval [x,x+dx] zu finden.
dxxfQ qq )(2
Partonverteilungs/dichte-Funktionen (parton distribution functions, PDFs): fi(x)
Nicht-wwirkende Partonen Wwirkende Partonen
fi(x)
x1/3 1
“Scaling” in einfachen Worten: Die Bestandteile des Protons sind punktförmige – die Auflösung Q2 spielt keine Rolle!Diese (drei) Partonen nennt man die “Valenzquarks” des Protons.
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 8Maria Laach, 12. September 2005
Quarks strahlen Gluonen ab, Gluonen strahlen Gluonen ab und zerfallen in zwei Quarks. Virtuelle Fluktuationen!
Mit jeder Abstrahlung wird Dichte der Partonen bei hohen x kleiner, die bei kleineren x-Werten nimmt zu. Proton=Valenzquarks + Seequarks + Gluonen!
STRUKTUR DES PROTONSDer heutige Stand: Quantenchromodynamik - QCDLetzter Schritt: Es gibt Gluonen!
Mit steigendem Auflösungsvermögen Q2 kann man mehr von diesen Prozessen / Partonen bei kleinen x “sehen” (und weniger Partonen mit hohem x).
F2(x) F2 = F2(x,Q2) – “Scaling Violations”
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 9Maria Laach, 12. September 2005
STRUKTUR DES PROTONSQCD verletzt das Skalenverhalten!
),(2
~ 224
2
2
2
QxFxQdxdQ
d
Für kleine y, E’~E:
F2(x,Q2)
Q2
SLAC ’69!
Mit steigendem Q2 nimmt Valenz-quarkdichte ab
(qqg).
Mit steigendem Q2 nimmt See-quarkdichte zu
(gqq).
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 10Maria Laach, 12. September 2005
GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK
Die Bedeutung von x und Q2
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 11Maria Laach, 12. September 2005
GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK
x und Q2 im Wechselspiel
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 12Maria Laach, 12. September 2005
DESY UND HERAep-Collider im Herzen von Hamburg
Umfang 6.3 kmEe = 27.5 GeVEp = 920 GeV
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 13Maria Laach, 12. September 2005
HERA-LuminositätLumi-Upgrade im Jahr 2000
Physik-Lumi: HERA-I (ZEUS): 132pb-1 HERA-II (e+) : 40.6pb-1 HERA-II (e-) : ~100pb-1
HERA I
HERA I+II
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 14Maria Laach, 12. September 2005
DAS H1-EXPERIMENTAsymmetrische Detektoren – ep-CMS!
-- LAr-Kalorimeter mit 45000 Zellen-- SpaCal: rückwärtiges Kalorimeter-- 2 grosse Jetkammern-- Silizium zentral/rückwärts-- Myon-System
Elektron
Proton
-- 400 Physiker aus 12 Ländern-- HERA-Halle Nord-- 15*15*15m3
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 15Maria Laach, 12. September 2005
DAS H1-EXPERIMENTEtwas schematischer
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 16Maria Laach, 12. September 2005
DAS H1-EXPERIMENTim “Eventdisplay”
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 17Maria Laach, 12. September 2005
NOCH EIN H1-EREIGNISHigh-Q2 NC!
e+
Jet
e+ p
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 18Maria Laach, 12. September 2005
Das ZEUS-Experiment
e
p
Wechselwirkungspunkt
Vertex-DetektorNachweis der Zerfaelle
langlebiger Teilchen
SpurkammernFeld/Signal-Draehte
(Ionisationsnachweis,Impulsmessung
geladener Teilchen)
Uran-Kalorimeter(Energiemessung neutraler
und geladener Teilchen)kompensierend
Solenoid
WeitereKalorimeter
Muon-Kammern
20*12*11 Meter3600 Tonnen
Ca. 25 Komponenten
][)35.0(18.0
GeVEE
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 19Maria Laach, 12. September 2005
ZEUS-Microvertex-Detector (MVD)Eingebaut im Shutdown 2001/02
e p
Wechselwirkungspunkt
360k elektrischeKanäle im Readout!600 Silizium-Streifendetektoren
Nutzen vor allem für die Physik schwerer Quarks Ausnutzung der Zerfälle langlebiger Hadronen
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 20Maria Laach, 12. September 2005
DAS ZEUS-EXPERIMENTDie Kollaboration
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 21Maria Laach, 12. September 2005
GLIEDERUNGZwischenstand
Das Proton und seine Struktur Der hadronische Endzustand, Jets Die Physik schwerer Quark Diffraktion Exotische und neue Physik
Grundlagen der HERA-Physik – was ist das Proton?
HERA und die Experimente H1 und ZEUS
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 22Maria Laach, 12. September 2005
DIE STRUKTURFUNKTION F2
‘Nur’ Messung des differentiellen WQS!
),(2
~ 224
2
2
2
QxFxQdxdQ
d
Der doppelt-differentielle WQS in x, Q2! Ich muss also nur diese beiden Variablender Kinematik bestimmen (und dann die Anzahl
der Ereignisse pro Bin in x,Q2 zählen). Aber … wie?
Ich muss nur das gestreute Elektron messen: E’, x,Q2! “inklusive Messung”
e(E’,)e(27.5GeV)
)(
2sin1
2cos4
2
2
22
syQx
EEy
EEQ
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 23Maria Laach, 12. September 2005
DIE STRUKTURFUNKTION F2
Unterteilung der kinematischen Ebene in x,Q2
2
4
2
22
2
224
2
2
2
2),(
),(2
~
xQ
dxdQ
dQxF
QxFxQdxdQ
d
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 24Maria Laach, 12. September 2005
DIE STRUKTURFUNKTION F2
Valenzquarks bei hohen x: Mit steigendem Q2 sehe ich immer mehr Fluktuationen qqg Valenzquarkdichte nimmt ab!
Kleine x: Mit steigendem Q2 sehe ich immer mehr Fluktuationen gqq. Seequarkdichte steigt an!
Typischer Fehler: 2%
)(),(~ln
222
2 QQxxgQd
dFs
)(),(~ln
222
2 QQxqQd
dFs
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 25Maria Laach, 12. September 2005
ELEKTROSCHWACHE EFFEKTEUnterschied zwischen e+p und e-p!
12222
2
2
2
14
FxyFyxQdxdQ
d
LFyxFyFyxQdxdQ
d 23
22
2
22
2
2
2
11114
)(
)/()()( ZZ
Niedrige Q2: Nur Photonaustausch:
Q2~MZ2: Photon+Z-
Austausch:
F2: -- elektromagnetische Struktur des Protons -- Summe von Quarks und Antiquarks See!xF3: -- Interferenz Photon-Z -- Differenz von Quarks, Antiquarks Valenz! -- Paritätsverletzung in der schwachen WW!
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 26Maria Laach, 12. September 2005
ELEKTROSCHWACHE EFFEKTEUnterschied zwischen e+p und e-p!
LFyxFyFyxQdxdQ
d 23
22
2
22
2
2
2
11114
Unterschiedliche Interferenz-Effekte zwischen und Z füre±p-Streuung sichtbar für Q2 > 1000 GeV2!
e-: Konstruktive Interferenz
e+: Destruktive Interferenz
Q2 ~ MZ2: Z-Austausch möglich!
/Z
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 27Maria Laach, 12. September 2005
DER GELADENE STROMAustausch von W-Bosonen – Händigkeit der schwachen WW
= x [u+c+(1-y)2(d+s)]e-p = x [u+c+(1-y)2(d+s)]e+p
Test des d-Valenzquarks Test des u-Valenzquarks
e+ und e- koppeln an unterschiedliche Quarks
Effekt der W-Massedurch Propagator
d2CC GF
dxdQ2 4 x(e) = (Y+F2 Y-xF3 - y2FL )
M2 M2 + Q2
W
W
22
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 28Maria Laach, 12. September 2005
DER GELADENE STROMAustausch von W-Bosonen
NC: Unterschied durch Vor-zeichenwechsel im /Z-Interferenzterm in e±.
CC: Unterschied zwischene+ und e- wegen Kopplungan verschiedene Quarks!
Elektroschwache Verein-heitlichung!
24222 10 GeVMMQ WZCCNC
NC
CC
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 29Maria Laach, 12. September 2005
POLARISIERTE ELEKTRONENTest der elektroschwachen Struktur des SM
NC:“Textbook Measurement”: Sieht man die erwartete Chiralitätsstruktur des SM? Oder gibt es rechtshändige schwache Kopplungen?
Seit 2003: HERA mit longitudinal polarisierten Elektronen. Erinnerung: Im SM koppeln Teilchen nur linkshändig!
e-R e
R
uR dR
W–R?
HERA I
03-04 e+p
04-05 e -p
Q2 > 400 GeV2
y < 0.9
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 30Maria Laach, 12. September 2005
F2 UND DIE PDFsWie komme ich von F2 zu den PDFs?
),/(),/()(2
),(),(),( 221
2222222 QzxqQzxqzC
z
dzQxQxqQxqQxQxF ii
x
qi
is
iii
i
122
2
2
2
)(),()(),(2
),(
x
qgqqs zPQzgzPQzq
z
dzQ
Q
Qxq
122
2
2
2
)(),()(),(2
),(
x
gggqs zPQzgzPQzq
z
dzQ
Q
Qxg
gg
SS
vd
v
vdvd
v
vu
v
vuvu
v
CBg
CBS
E
d
CB
dv
E
u
CB
uv
xxAQxxg
xxAQxxS
xDxxAQxxd
xDxxAQxxu
)1(),(
)1(),(
)1()1(),(
)1()1(),(
20
20
20
20
PDFs a priori unbekannt: Plausible Annahmen für Startskala Q0
2.
Evolution der PDFs von Startskala Q0
2 zu beliebiger Skala Q2 mit DGLAP-Gleichungen
Setze F2 in Berechnung von d2/dxdQ2 ein und vergleiche mit Daten adjustiere die Parameter A,B,C,D iterative Prozedur!
qi
iii xqxqxQxF )()()( 22
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 31Maria Laach, 12. September 2005
F2 UND DIE PDFsWie komme ich von F2 zu den PDFs?
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 32Maria Laach, 12. September 2005
DER HADRONISCHE ENDZUSTANDJets als einfacher Zugang zur Partondynamik
Problem: Confinement (Nobelpreis 2004)! Keine freien Quarks/Gluonen! aus einzelnen Partonen werden Bündel (“Jets”) von Teilchen. Rekonstruktion des 4er-Impulses des Partons aus dem des Jets Zugang zu Matrixelement! Partonen Hadronisierung viele Spuren/ Energiedepositionen Jets
QCD bis jetzt beschränkt auf PDFs. Kopplung ist elektroschwach! Wir wollen QCD jetzt auch im Matrixelement! -- Gluon-induzierte Prozesse -- Abstrahlung von Gluonen im Endzustand.Dazu: Zusammenspiel von PDF und Matrixelement zum WQS (Faktorisierung)
Bis jetzt “nur” das gestreute Elektron gemessen. Und “der Rest”?
?
Matrixelement
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 33Maria Laach, 12. September 2005
JETS IM ENDZUSTAND Aus Fragmentation, Hadronisierung von Quarks
e+
Jet
e+ p
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 34Maria Laach, 12. September 2005
DER JET-WIRKUNGSQUERSCHNITTFaltung von PDF und partonischem Matrixelement (ME)
Die PDFs fa/p werden in anderen Prozessen gemessen und übertragen. Test ihrer Universalität und von Faktorisierung! Bis jetzt erfolgreich!
Potenzreihenentwicklung in s darstellbar durch Feynman-Diagramme immer höherer Ordnungen:
gqqa
rffpan
rnS
gqqapa xxfdxfMEPDF
,,0,,
),,(ˆ),()(ˆ
s0 s
1 s2
Matrixelement
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 35Maria Laach, 12. September 2005
JET-WIRKUNGSQUERSCHNITTE1,2,3-Jet-Ereignisse
In vielen Fällen werden die Daten perfekt vonder Theorie beschrieben. Wir verstehen: -- die QCD-Matrixelemente-- die PDFs (Universalität!)-- die Faktorisierung von PDF und ME!
Was können wir noch lernen? s, PDFs …
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 36Maria Laach, 12. September 2005
JETS UND DIE STARKE KOPPLUNG Ein schöner QCD-Konsistenztest
gqqa
rffpan
rnS xxfdx
,,0
),,(ˆ),()(
Bei gegebenem s(MZ) ist Verlauf von s(Q) im Rahmen der QCD vorgegeben
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 37Maria Laach, 12. September 2005
PHYSIK SCHWERER QUARKS“Charming” und “Beautyful”
Jetzt schwere Quarks (c,b) im Endzustand – können sogar gebunden sein (J/cc). Durch Fragmentation der Quarks werden
charm/beauty-Hadronen erzeugt (D*). Erzeuge D* etc. und vermesse sie – Herausforderung an Theorie.
Detail: Die (hohe) Quarkmasseist eine weitere Skala, die in derperturbativen Rechnung benutztwerden kann theoretisch interessant!
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 38Maria Laach, 12. September 2005
DAS TAGGING SCHWERER QUARKSrelativer Transversalimpuls von Zerfallsleptonen
Klare Trennung von beauty/charmund Untergrund leichter Quarks. -- zumindest auf statistischer Basis (also nicht event-by-event)
c,b-Hadronen: Zerfall semileptonisch. -- Hohe Masse von B (D) hohes pT der Leptonen relativ zum hadronischen Jet.
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 39Maria Laach, 12. September 2005
DAS TAGGING SCHWERER QUARKS“Impact parameter”, Lebensdauer, sekundäre Vertizes
Jet
B-Hadron
IP
Sekundärvertex
Hadronen schwerer Quarks habenlange Lebensdauern messbare Flugstrecken vor Zerfall sekundäre Zerfallsvertizes oder grosse Impaktparameter
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 40Maria Laach, 12. September 2005
PHYSIK SCHWERER QUARKSMit hochauflösenden Silizium-Vertexdetektoren
Ortsauflösung ~20 m!
Auflösung sekundärer Zerfalls-vertizes aus den Zerfällen derlanglebigen schweren Quarks.
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 41Maria Laach, 12. September 2005
SCHWERER QUARKSExtraktion von F2
cc, F2bb.
Anteil der Struktur, der zu schweren Quarks im Endzustand führt.
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 42Maria Laach, 12. September 2005
D*-WIRKUNGSQUERSCHNITTEGute Beschreibung von charm durch die Theorie
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 43Maria Laach, 12. September 2005
PHYSIK SCHWERER QUARKSBeauty-Produktion als Sorgenkind
Beauty-Messungen konvergieren langsam. Aber immer noch grosse (theoretische) Unsicherheiten:
Massen der schweren Quarks (20%) Skalen in der theoretischen Rechnung Gluondichte
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 44Maria Laach, 12. September 2005
DIFFRAKTIONEreignisse ohne Aktivität “vorne”
“Rapiditygap”
FarblosesObjekt
Abstrahlung vomFarbstring
Proton-RestGestreutes
Elektron
10% der Ereignisse bei HERA haben “rapidity gap” – es fehlt die Abstrahlung vom Farbstring zwischen Proton und harter Streuung.
Beschreibung durch farbloses “color singlet”-Objekt -- zwei Gluonen? -- “Pomeron”?
Ableitung einer PDF des farb- losen Objekts: F2
D analog zu F2 bei den inklusiven WQS.
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 45Maria Laach, 12. September 2005
DIFFRAKTIONDiffraktive Strukturfunktion
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 46Maria Laach, 12. September 2005
DIFFRAKTIONKann man die Ergebnisse zum Tevatron übertragen?
ppγ*p
Der Tevatron-Wirkungsquerschnitt ist einen Faktor 3-10 zu tief! Mögliche Ursache 1: Faktorisierung von PDF und harter Streuung funktioniert (hier) nicht. Mögliche Ursache 2: die Unterschiede zwischen den Ereignissen bei HERA und am Tevatron sind zu gross (MI, UE?). Spannende Frage: Was passiert bei LHC?
Genau wie F2 sollte F2D universell
sein kann man mit HERA-F2D
diffraktive Tevatron-Daten be- schreiben?
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 47Maria Laach, 12. September 2005
SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 1: Leptoquarks (Supersymmetrie)
s-Kanal u-Kanal
Mehrere Theorien sagen Existenz von LQs voraus!
Quarks und Leptonen: punktförmige Teilchen, die sich ähnlich verhalten: Gruppierung in Familien (3x2)
Gibt es eine höhere Symmetrie? Leptoquarks (LQ): Teilchen mit B0 und L0 und drittelzahliger Ladung
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 48Maria Laach, 12. September 2005
SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Leptoquarks
Signatur: einzeln nicht unterscheidbar von NC/CC-Ereignis, aber: Resonanz in e+-Jet-Massenverteilung
SM: WQ sinkt mit Q2, LQ: Überschuss bei hohem Q2
Kein eindeutiges Signal bei HERA! Berechne Grenzen für die Kopplung ij als Funktion von MLQ
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 49Maria Laach, 12. September 2005
SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Leptoquarks - Massenlimits
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 50Maria Laach, 12. September 2005
SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 2: Pentaquarks – 5 Quarks in einem Hadron?
Bisher bekannt: Mesonen und Baryonen Warum nicht mehr Quarks pro Hadron??? Evidenz für Pentaquarks, z.B. uudds.
ppKS 0
0SK
Proton-ID via dE/dx!
Derzeitige Meinung: Wahrscheinlich nichts!
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 51Maria Laach, 12. September 2005
SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 3: Angeregte Fermionen
HERA: Anregung des auslaufenden Leptons oder gestreuten Quarks Suche nach Resonanzen in invarianten Massen der Zerfallsprodukte
Annahme: Fermionen nicht punktförmig, sondern zusammengesetzt Möglichkeit, angeregte Zustände zu erzeugen! Lagrangian (Hagiwara et al.):
Massenskala muss endlich sein f,f’,fs: freie Parameter, mindestens einer 0!
L = -1 (f • SU(2) + f ‘ • U(1) + fS • SU(3))
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 52Maria Laach, 12. September 2005
SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Angeregte Fermionen - Ergebnisse
Kein Überschuss gefunden setze Limit auf f/L!
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 53Maria Laach, 12. September 2005
SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 4: Kontaktwechselwirkungen
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 54Maria Laach, 12. September 2005
ZUSAMMENFASSUNGNoch zwei Jahre mit hoher Lumi!
HERA macht interessante Physik in vielen Bereichen: QCD: PDFs, s, Tests der Grundlagen von QCD (Faktorisierung etc.) Elektroschwache Physik: Photon, Z, W – Polarisation … Physik schwerer Quarks Diffraktive Physik Neue Physik
HERA hat derzeit ca. 270pb-1 Daten gesammelt; in vielen Bereichen sind erst 80pb-1 oder weniger analysiert.
Datennahme bis 31. Juli 2007: Ziel sind 700pb-1 für manche Analysen 10fache Statistik! Reduktion der Fehler und Offenheit für neue Physik!
Ich hoffe, ich konnte Ihnen einen kleinen Überblick über die HERA- Physik verschaffen und wünsche Ihnen noch eine schöne Zeit in Maria Laach.
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 55Maria Laach, 12. September 2005
BACKUP SLIDES
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 56Maria Laach, 12. September 2005
GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK
x und Q2 im Wechselspiel
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 57Maria Laach, 12. September 2005
2tan
21
2cos
4 22
22
22
2
2
M
Q
E
E
QdQ
d
STRUKTUR DES PROTONSVon Rutherford zum Quark-Parton-Modell
Höhere Energien: Unelastische ep-Streuung zwei Variablen Q2,!
Hofstadter et al.: Elastische Streuung am Proton, Formfaktoren GE,M
2
tan212
cos4 22
222
22
2
2
M
ME GGG
E
E
QdQ
d -- GE,M: Formfaktoren Ausdehnung-- G2
E,M~(1+Q2)-1
2tan,2,
2cos
4 221
22
222
2
2
2
QWQWE
E
MQddQ
d Im damaligen Messbereich (fast)von Q2 unabhängig – “Scaling” “Beleg” für Parton-Hypothese!
Elastische Rutherford/Mott-Streuung von Spin-1/2 an Spin-0 (1/2):
-- Rutherford/Mott-Streuung mit Rückstoss-- Spin-1/2-Target magnetische WWirkung
Bjorken: Parton-Hypothese! Ausdehnung durch punktförmige Spin-1/2-”Partonen”!
Strukturfunktionen W1,2 hängen nur von dimensionsloser Variable x=Q2/2 ab: x = Anteil des Partons am Proton-Impuls
Das Proton besteht aus 3 nicht-wwirkenden (Valenz-)Partonen (Quarks)!
])1;0[( x
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 58Maria Laach, 12. September 2005
WIE WIRD DIE KOPPLUNG BESTIMMT?Variation von s(MZ), bis es “passt”!
QCD-Vorhersage als Funktion von s(MZ).
GemessenerDatenpunkt
Messergebnisfür s.
)()( 2ZsZs MBMA
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 59Maria Laach, 12. September 2005
PHYSIK SCHWERER QUARKSEin Ereignis im ZEUS-MVD
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 60Maria Laach, 12. September 2005
PHYSIK SCHWERER QUARKSZEUS-Tracking
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 61Maria Laach, 12. September 2005
UND DIE ZUKUNFTx und Q2 bei LHC im Wechselspiel
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 62Maria Laach, 12. September 2005
DAS ZEUS-EXPERIMENTMit kompensierendem Uran-Kalorimeter
Kompensierendes UCAL:-- exzellente Energieauflösung-- ~12000 Zellen, ca. 5*20cm2
-- Readout der Szintillatoren mit zwei PMTs und schnellen ADCs. ][
)35.0(18.0GeVEE
Was noch:-- MVD: Silizium-Detektor-- CTD: Jetdriftkammer-- grosses Myonsystem.
Kollaboration/Detektor:-- 350 Physiker-- 50 Institutionen, 14 Nationen-- 3000t
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 63Maria Laach, 12. September 2005
UNIVERSALITÄT DER PDFsVergleich verschiedener Fits und Input-Daten
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 64Maria Laach, 12. September 2005
DAS ZEUS-EXPERIMENTMit kompensierendem Uran-Kalorimeter
Kompensierendes UCAL:-- exzellente Energieauflösung-- 12000 Zellen, ca. 5*20cm2
-- Readout der Szintillatoren mit zwei PMTs und schnellen ADCs.
][)35.0(18.0
GeVEE
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 65Maria Laach, 12. September 2005
DAS PROTON UNTER DER LUPEQCD und die Strukturfunktion F2
),(2
~ 224
2
2
2
QxFxQdxdQ
d
F2: beschreibt dynamische Struktur des ProtonsQ2: (Impulsübertrag)2 von e auf p [~1/Q]
F2(x) ~ eq2 xq(x,Q2)
Proton
Elektron (Q2)
x
ep-Streuung ~ eq-Streuungen!
HERA: Ideales Laborzur Untersuchung der Partondynamik im Proton.
q(x,Q2) ist Wahrscheinlichkeit,bei Auflösung Q2 ein Parton qmit Impulsanteil x zu finden:Partonverteilungsfunktion, PDF
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 66Maria Laach, 12. September 2005
F2 UND SKALENVERLETZUNGEN: s!bla
1 1222
2
2
2
22 ,2,
2ln
,
x q x
qgqqqs Qzzg
z
xP
z
x
z
dzeQzF
z
xP
z
x
z
dzQ
Qd
QxdF
1
1 2
Fqq CPz x<z
Die Veraenderung von F2 mit Q2 fuer ein gegebenes x haengt davon ab, wie sehr quarks mit hoeherem z>x Gluonen(=Energie) abstrahlen … oder so aehnlich ….
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 67Maria Laach, 12. September 2005
DAS TAGGING SCHWERER QUARKS“Impact parameter”, Lebensdauer, sekundäre Vertizes
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 68Maria Laach, 12. September 2005
DAS H1-EXPERIMENTim Eventdisplay
Elektron
Quark-Jet
Elektron Proton
Elektron Proton
Quark(-Jet)
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA 69Maria Laach, 12. September 2005
-Wieso Vorzeichenwechsel in xF3? Ist das auch die Helizitaets- struktur? Wird der Unterschied zwischen e+ udn e- fuer CC genau so gross wie fuer NC? Muesste doch eigentlich, wenn ich von EW-Vereinheitlichung reden will …