qcd-tests an beschleunigern
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QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN. Thomas Sch örner-Sadenius Universit ä t Hamburg DPG-Tagung Dortmund 24. M ärz 2006. Mit herzlichem Dank an: blablabl. HERA-LHC-WORKSHOP Reiche Auswahl an QCD-Ergebnissen. ÜBERSICHT. ¶ EINLEITUNG UND MOTIVATION ¶ DAS PROTON ALS QCD-LABOR - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN
Thomas Schörner-SadeniusUniversität Hamburg
DPG-Tagung Dortmund24. März 2006
Mit herzlichem Dank an: blablabl
Dortmund, 24.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 2
HERA-LHC-WORKSHOPReiche Auswahl an QCD-Ergebnissen
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ÜBERSICHT
¶ EINLEITUNG UND MOTIVATION
¶ DAS PROTON ALS QCD-LABOR
¶ JETS UND DIE BESTIMMUNG VON S
¶ SCHRITT ZURÜCK: IST ES WIRKLICH QCD SU(3)C?
¶ PRODUKTION VON EICHBOSONEN
¶ “UNDERLYING EVENTS”, “MULTIPLE INTERACTIONS”
¶ DER HADRONISCHE ENDZUSTAND
… und das alles (u.v.a.) kommt nicht unter: ¶ Physik schwerer Quarks ¶ Diffraktion ¶ Photon- und Elektronstruktur ¶ Spinstruktur des Protons ¶ Phänomenologie (Resummation, ME+PS etc.)
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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.
Elektron Gestreutes Elektron
Boson
Gestreutes Parton
ProtonrestProton
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... then a miracle occurs …
QCD-Stra
hlung
Partonschauer
FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.
Hadronisierung
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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.
Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element)
,...),(ˆ RF
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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.
Partonverteilung (PDF)summiert “weiche” Anteile
der QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F.
F
,...),(ˆ RF
Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element)
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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.
Partonverteilung (PDF)summiert “weiche” Anteile
der QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F.
F
,...),(ˆ RF
Jet-Algorithmussummiert effektiv Strahlung
vom gestreuten PArton.
Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element)
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SCHWERPUNKT: PERTURBATIVE QCDund Reihenentwicklung der harten Wechselwirkung
Partonver-teilungen fi/p
Matrixelement
Faktoriserungder Probleme
gqqi
pif,,
/
Faltung von Partonverteilungenund partonischen Wirkungs-
querschnitt (“Matrixelement”);Anwendung eines Jet-Algos.
• S ist groß ~ 0.1 – 0.2 Reihenkonvergenz? Höhere Ordnungen!
• Berechnung der Koeffizienten Cn? NLO (NNLO) Maß der Dinge!
Probleme(sogar hier!)
0n
nnS C
Störungsreihein S
NLO'' ,1SLO'' ,0
S NNLO'' ,2S
“Harte” Abstrahlungen führen zu komplexeren Matrixelementen proportional zu Potenzen von S (nur reelle Korrekturen gezeigt).
Jet
Elektron
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BEDEUTUNG VON PRÄZISION?Beispiele Supersymmetrie, Higgs
LO,NLO NNLO
S
• Höhere Ordnungen ändern Vorhersagen Beispiel: Interpretation des Higgs! (Higgs~mt
2 als Test des SM).
• Höhere Ordnungen reduzieren theoret. Unsicherheiten! PDF, Skalen, etc.
• Problem: Berechnungen verlangen Konsistenz: S, PDF und Matrixelemente in gleicher Ordnung!
• Weltmittelwert in NNLO (PDG): S(MZ)=0.1187(20) 2% Fehler in NNLO! (EM auf 12 Stellen, GF auf 6 Stellen!)
• HERA (Jets etc.): NLO (C. Glasman) S(MZ)=0.1186±0.0050
• Bedeutung z.B. für Frage nach großer Vereinheitlichung, SUSY!
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LEP, HERA, TEVATRON, LHCDie Werkzeuge
96ns Rate-WW
km 3,6
GeV 318
Umfang
s ep
s22 Rate-WW
km 5,27
GeV 20991
Umfang
s ee
396ns Rate-WW
km 3,6
TeV 96.1
Umfang
s pp
s25 Rate-WW
km 5,27
GeV 14000
n
Umfang
s pp
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EXPERIMENTEEine Auswahl
CDF/TEVATRON
ZEUS/HERA
OPAL/LEP
ATLAS/LHC
• 4-Abdeckung.• Silizium-Streifendetektoren• präzise Spurkammern • granulare, hochauflösende Kalorimeter• Myon-Systeme
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DAS PROTON ALS QCD-LABORErforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten
qqi
qpiep QQxfxQxF,
22/
22 ,,
TiefunelastischeStreuung (DIS)
Der Wirkungsquerschnitt ist proportional zur Strukturfunktion F2, die die Verteilung elektrisch geladener Bestandteile beschreibt
Photonimpuls q(Q2 = -q2)
Impulsbruchteil x
Q hc Auflösung
(HERA: 0.0001-1fm)
ep-Wirkungs-querschnitt
QCD-Erwartung Bei steigender Auflösung Q2: - Gluonabstrahlung vom Quark mit x1 Quarkdichte fi(x1) bei hohen x1 sinkt. - Gluonen zerfallen in Quark-Antiquark Quark/Gluondichte bei kleinen x steigt.
x1 x2<x1
(Partonverteilungen fi/p: W’keit, bei Auflösung Q2 Parton i mit Impuls x zu finden).
x2x3<x2
“Inklusive Messung”: Messung vonElektronwinkel- und Energie liefert
Variablen x und Q2.q
e±e±
Proton
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Abfall bei
hohen x
“Sca
ling” b
ei
mittleren x
Anstieg beihohen x
– Erweiterung des kinematischen Bereichs um viele Größenordnungen.– Experimentelle Genauigkeit: 2%!
STRUKTURFUNKTION F2
und der HERA-Beitrag
– Glänzenden Bestätigung der QCD.– Verstehen wir die Dinge wirklich so gut?
2222
22 ,,ln
,
:sFormalismu-DGLAP
QxgPQxFPQd
QxdFgqSqgS
– Zugang zur Kopplung S, zu den Quark- Dichten fi und zur Gluondichte g.
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DIE PARTONVERTEILUNGENHERA, Unterschiede der Fit-Gruppen
qqi
qpi QQxfxQxF,
22/
22 ,,
HERA:Bedeutung
60
20
40
60
20
40
Ohne HERA
Mit HERA
HERA entscheidend für genaue PDFs!Drastische Unterschiede der einzelnen Fits!
Gluon beikleinen x
Nur durch Ableitung dF2/dlnQ2 bestimmt ungenau!
Unterschiede bei höheren Q2 kleiner (Evolution).
10%-Unterschied bleibt.
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BEDEUTUNGBeispiel: Higgs-Physik
PDF-Unsicherheit auf Higgs-WQS: je 10% von Quark- und Gluon-PDFs!
Reicht das, um Charakter des Higgs-zu etablieren (Higgs~mt
2 )?
PDFs Higgs-Produktion bei LHC ist sowohl auf Quark- als auch auf Gluondichte sensitiv!
Unsicher-heit
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VERBESSERUNGEN ?Kombinierte Analysen, mehr Daten (Jets)!
AndereDaten
MehrDaten
ZEUS-Jet-Daten (zusätzlich zuF2) schränken Gluon ein. Grund:Boson-Gluon-Fusion bei hohen x!
H1/ZEUS-Averaging
Alekhin
NNLOGluondichte xg(x)
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GLUON BEI KLEINEN xMessung von FL – nur bei HERA machbar.
),(
)(2QxxgF
Fqqg
SL
LL
Idee • Longitudinale Strukturfunktion gibt unmittelbaren
Zugang zur Gluondichte bei kleinen x!
• HERA bietet einzigartige Möglichkeit, FL zu messen Vorschlag für HERA-Run mit niedriger Protonenergie (z.B. 460 GeV).
• Gleichzeitig wichtiger Test von QCD in höheren Ordnungen.
Gesamte Verbesserung der PDFS durch HERA-II
(Beispiel hoher Q2 LHC)
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kT-EFFEKTE IM PROTONvon HERA lernen für LHC (z.B. Higgs)
Annahme kollineare Faktorisierung: Partonen der harten Wechselwirkung haben keinen Transversalimpuls kT!
Real QCD-Strahlung vom Parton erzeugt kT kT des Higgs in ggH!
LO
Effekt Drastisch – viele GeV! Abstrahlungen müssen berücksichtigt werden, um sauberes Higgs-Signal zu erhalten (Untergrund aus tt).
Unintegrierte Parton-dichten!!! (HERA).
Weitere PDF-Themen:
• Resummationen um weicher Effekte und großer Logarithmen Herr zu werden.
• DGALP-Evolution auf dem Prüfstand: Lineare Evolution in Q2? Höhe der Ordnungen? Saturationseffekte? Terme in ln1/x?
• …
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QCD-TESTS MIT JETSWie bestimmt man S mit Jets? (am Beispiel HERA)
???
)1(0 ,,/
???
0 ,,/ )(ˆ)(ˆ
n gqqipi
nS
n gqqipi
nS dxxxff
Wirkungs-querschnitt
Im Vergleich Daten – Theorie (NLO) kann man: – PDFs extrahieren (schon gezeigt); ihre Universalität testen,– S extrahieren (geht auch mit F2 u.v.a, siehe später), – die Annahmen von Faktorisierung und Störungstheorie testen.
Daten,Experimente
Tests dieser Art bei LEP (v.a. in Photon-Photon), HERA (Elektron-Proton und Photon-Proton) und Tevatron.
e+
e– e± e±,
p
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JETS BEI LEP UND HERAGroßer Erfolg der perturbativen QCD!
LEP Zweijet-Ereignisse in -Stößen.Photon-Struktur Theorie unsicherer.
HERA Jets in tiefunelastischem ep.Unsicherheiten der NLO-Theorie dominieren Fehler.
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JETS BEI TEVATRONBis zu sehr hohen Jet-Energien; aber große Fehler.
Jet-Ereignisse in pp-Stößen.Systematik: Energieskala, PDFs.
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JETS IN NLO: UNSICHERHEITEN oft durch Theorie dominiert!
– Universalität der PDFs und Faktorisierung funktionieren (5%).– Theorie in NLO limitiert Ausnutzung der Daten Skaleneffekte höhere Ordnungen (NNLO), PDFs, …
Fazit
Abschätzung des Effekts fehlender Ordnungen Variation von R.
PDF-Unsicherheit.
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JETS BEI LHCPDF-Fehler als Entdeckungshindernis?
Jets bis 5 TeV!Experimentelle
Fehler?
Heutige PDF-Fehler(CTEQ6.1)
D. Stump et al., hep-ph/0303013
Groß genug, um einSignal zu übersehen?
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JETS BEI LHC – BIS 5 TeV!Was können wir noch erwarten?
Erwarteter PDF-Fehler bis 2007 (gelb) …
… und der Effekt auf LHC-Jets.
Erst durch genaue Kenntnis der PDFs (und anderer Theoriebestandteile) kann man z.B. Multijet/”Multiple Interaction”-Ereignisse von “mini black holes” unterscheiden oder SUSY-Signaturen erkennen!
Weitere Jet-Themen (falls Zeit):
• unintegrierte Partonverteilungen: Transversalimpuls der Partonen im Proton können nicht einfach vernachlässigt werden.
• “Underlying Events” und “Multiple Interactions” werden bei LHC zu drastischen Effekten führen – aber die “Tevatron-Tunes” scheinen zu versagen!
• …
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IST ES WIRKLICH QCD ?Spin von Quarks und Gluonen
2cos1cos
:2
1Spin
d
d
2cos1cos
:0Spin d
d
Gluon-Prop.
“Direct Resolved” Photon
Quark-Spin
Quarks/Gluonen
Quark-Propagator
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IST ES WIRKLICH QCD?”Color Factor”-Analyse von LEP,HERA
DAFCFFBAFAFjetsep CTTCCCC 2
3
ColorFactors
CF, CA, TF definieren die Farbdynamik, legen die unterliegende Eichgruppe.
Jets Verschiedene Beiträge zum WQS (z.B. 3-Jets in Photoproduktion):
LEP
Some blabla hier …
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BESTIMMUNG VON S Aus Jets (alle), F2-Skalenverletzungen etc.
SQd
dF 2
2
ln
22
1 CC SSJet
23
12
4 BB SSjet
Dazu noch Ergebnisse aus der Analyse – der inneren Struktur von Jets– Event-Shapes (später)– Skalenverletzungen von Fragmentationsfunktionen– … und natürlich ,Z-Breite etc.
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BESTIMMUNGEN VON S eine subjektive Auswahl
Trotz NNLO (immer noch) 2% Fehler!
Tevatron: Jets (NLO)
HERA: F2, Jets (NLO)
Gute Übereinstimmung aller Experimente; Bestimmungen in unterschiedlichen Prozessen!
Vergleich HERA, Tevatron, LEP,
Weltmittel (NNLO).
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S BEI LHC AUS JETSIst eine genaue Bestimmung denkbar?
“Daten”… sind sensitiv …
aber starke PDF-Abhängigkeit! Abschät-zung
Theoretischer Fehler von unter 10% sollte möglich sein.
Wie werden die experimentellen Unsicherheiten aussehen ?
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PROMPTE PHOTONEN bei LEP, HERA, TEVATRON
Daten
Zugang zur partonischen Wechselwirkung ohne Hadronisierungs-korrekturen (wie z.B. bei Quarks, Gluonen).– Trennung vom Untergrund (, , Zerfallsphotonen)?– EM-Schauer sind leichter zu messen als hadronische Jets syst. Unsicherheit geringer.– Abweichungen zwischen Daten und NLO-QCD in pp, p “intrinsic kT” der Partonen?
Idee
Von LEP, HERA, Tevatron; alle verglichen mit NLO.
Weitere Erfolg der QCD!
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PRODUKTION SCHWERER EICHBOSONEN am TEVATRON in LO, NLO, NNLO
“Leading order” funktioniert ganz gut … … aber große Unsicherheiten!
NNLO?
?????
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EICHBOSONEN BEI LHC Rechnungen in NNLO, Zugang zu PDFs? • Ratios von Wirkungsquerschnitten reduzieren Unsicherheiten – experimentell (Luminosität, Energieskalen, Akzeptanz) – theoretisch (Skalen, PDFs). • Untersuche Ratios von W/Z-Wirkungsquerschnitten – Aufschluss über PDFs? – Attraktiv, da Theorie in NNLO vorhanden (reduzierte Unsicherheiten). • Kleiner Effekt dieser Daten in PDF-Fits (Parameter g: Fehler halbiert)
Z-Produktion als Funktion der Rapiditätfür verschiedene PDFs: PDF8%.
W/Z-Ratio als Funktion der Rapiditätfür verschiedene PDFs: PDF3%.
ATLAS-Pseudodaten (We+) und ZEUS-PDF mit Unsicherheit vor und nach Einschluss der Pseudodaten in den PDF-Fit.
Potential zur PDF-Präzisierung?
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“UNDERLYING EVENTS” (UE) und mehrfache Wechselwirkungen
Versuch, den weichen Energiefluss jenseits der einen (?) harten Wechsel-wirkung zu beschreiben: Partonschauer, weitere Partonstreuungen, Strahlremnants …
Tuning der Monte-Carlo-Modelle an TEVATRON-, HERA-Daten …Abhängigkeit von Behandlung weicher Wechselwirkungen, PDFs, Faktorisierung etc. …
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MODELL-TUNING BEI TEVATRONAnpassung z.B. an pT-Summe …
Idee Betrachte Ereignis “weit weg” von der harten Physik – also von harten Jets; Definiere die “transversale” Richtung:90o in relativ zum Jet versetzt von UE dominiert?
Messung pT-Summe in der transversalen Region, Multiplizität geladener Teilchen als Funktion des Jet-ET.
Modelle können mehr oder wenigergut an Daten angepasst werden.
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EXTRAPOLATION ZU LHC , RELEVANZGroße Unsicherheiten!
I. Borjanovic et al., hep-ex/0403021
Vorgehen Wende CDF-Tunes auf LHC-Vorhersagen an.
Man beobachtet sehr große Unterschiede der Modelle!
Problem?
Z.B. die Bestimmung der Top-Masse hängt massiv vom Einfluss des “underlying event” ab – muss also bekannt sein.
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VON/BEI HERA LERNEN?… in p-Kollisionen
HERA p Ist effektiv Hadron-Hadron Kollision – also mit pp-Kollision vergleichbar.
Hadronischer Charakter des Photons ist “einstellbar” (Q2). Bei HERA etwas über die Grundlagen des underlying events lernen?
BeispielZEUS-Jets in Photoproduktion als Funktion von x. Vergleich mit PYTHIA mit (durchgezogen) und ohne (gestrichelt) “multiple interactions”-Option.
HERA sollte hier noch Beiträge liefern; ZEUS-Anstrengung gerade gestartet.
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TEILCHEN-MULTIPLIZITÄTENin e+e–, pp und ep.
))ln(exp( ECBAEnch
Die Multiplizität geladener Teilchen ist vielleicht die einfachste Variable zur Beschreibung von Effekten der Fragmentation und Hadronisierung – des hadronischen Endzustandes.
Sie wurde in ee, ep und pp gemessen. Die verschiedenen Ergebnisse stimmen gut überein.
MC-Modelle und auf LHPD und Resummation beruhende Rechnungen beschreiben Daten.
))(/exp()( EAEKEn SSch
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NICHTPERTURBATIVE EFFEKTE Abschätzung mit “Power Corrections”
Problem
Alternativ
Abschätzung der Hadronisierungmit Monte-Carlo-Generatoren: MC
Partonen
MCHadronenTheorie
PartonenTheorieHadronen CC
,
Für “Event Shape”-Variablen (Thrust, Broadening, C-Parameter …) Abschätzung mithilfe von “power corrections” (Webber et al.):
Jet-Physik
?????
Theorie:Partonen
Experiment:Hadronen
Zusätzlich Für “Event Shapes” bei LEP und HERA existieren resummierte Vorhersagen zusätzlich zur “fixed-order”-QCD: LLA, MLLA …
p
Sp
PCPCpQCD Q
ACVVV 0,
V ;
Universeller
Parameter 0
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EVENT SHAPES + POWER CORRECTIONS … und der Resummierung
Ist ein Ereignis (in e+e–) eher “rund”
oder “bleistiftartig”?
z.B.Thrust
Hadroni-sierung
T=0.5
T=1.0
Andere Variablen: Broadening, Jet-Massen, C-Param.
Mit MC-Modellen Mit Power Corrections
Mittelwerte der Event Shapes.
Beide Ansätze scheinen vergleichbar gut zu funktionieren.
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EVENT SHAPES BEI LEP UND HERA Anwendung der Power Corrections und der Resummierung
)()(PC
pQCD
VVdV
dV
dV
d
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EVENT SHAPES Extraktion von S und 0.
konsistentes Ergebnis?Reicht ein Parameter 0?
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AUSBLICK Noch schöne Daten von HERA und Tevatron
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ZUSAMMENFASSUNG
QCD … ist eine spannende Theorie,– zu deren Verständnis Beschleunigerexperimente viel beitragen;– die noch viele Fragen bereit hält;– die jeden LHC-Physiker interessieren muss!
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!(und ein Hinweis auf der nächsten Seite)
Präzision – ist in der QCD eine Herausforderung;
– wird in manchen Messungen mehr und mehr erreicht (S, PDFs);
– ist notwendige Voraussetzung für Entdeckung und Verständnis von Physik jenseits des Standardmodells bei LHC.
LHCbraucht
– präzise vermessene Partonverteilungen;– höhere Ordnungen, wann immer möglich; – genaue Kenntnis der Detektoren (nicht behandelt)
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LHC-D-WORKSHOPSzu QCD, Electroweak, Higgs etc.
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ZUSÄTZLICHES MATERIAL
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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Ereignis-Kinematik
über das gestreute Elektron Strukturfunktionen
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WO GEHT DER LHC WEITER?kinematischer Bereich der Strukturfunktionen
AuflösungQ2
Erweiterung des HERA-Bereichs um etwa vier Größenordnungen.Ein neuer Blick auf das Proton?
Impuls-anteil x
Der Bereich bis x=10-6 wird zugänglich werden.Verständnis der Partondynamik im Proton?
InvarianteMassen
Zustände mit Massen bis zu mehreren GeV werden direkt produziert.Resonanzen in Zweijet-Spektrum?
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BEDEUTUNG DES BISHERIGENBeispiel: Higgs-Physik
Derzeitige PDF-Unsicherheit 10% Fehler auf Higgs-WQS!
Higgs-Zerfall H!
Verbesserung der PDFS durch HERA-II
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PDFs BEI LHC Ist eine genaue Bestimmung denkbar?
Was soll ich hier schreiben?
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PROBLEME … gibt es natürlich auch einige…
• Es fehlen höhere Ordnungen in der Störungsreihe! - NLO für Jet-Verteilungen; oft sind die theoretischen Unsicherheiten dominant. - resummierte Rechnungen für inklusivere Verteilungen. - Neuerdings Ansätze zur Kombination von NLO-Rechnungen mit Partonschauern.
• Tevatron-Messungen oft systematisch dominiert - Messungen an Hadronmaschinen sind schwierig!
• Struktur des Photons weitgehend unbekannt. - HERA-Messungen bei niedrigen Q2 schwierig.
• Partondynamik des Protons nicht wirklich verstanden – Annahmen! - DGLAP-Formalismus funktioniert hervorragend für F2, Jets. Aber kleine x? - BFKL-Ansatz als Alternative, aber Probleme mit der Implementation. - Kombination beider Ansätze (CCFM) vielversprechend. - unintegrierte Partonverteilungen? - Saturation?
• … und … - Bereich niedriger Skalen pQCD schwierig (niedrige Q2, ET)
Gute Bilder als Belege bringen.
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LHC IM VERGLEICHLuminosität, Detektoren
Hauptunsicherheit: Unkenntnis der absoluten Jet-Energieskala.
LEP(OPAL)
LHC
Tevatron(CDF)
HERA(ZEUS)
Jetskala: 3% Effekt 5-10%.p/p ~ 2% 0.18%·p [GeV]
Jetskala Ziel: 1% (Wjj)EM: /E ~ 0.1/E [GeV] (ATLAS)
p/p ~ 0.5% 15%·p [TeV] (CMS)
Jetskala: 1-3% Effekt 5-10%.EM: E/E ~ 18%/E [GeV]p/pT ~ 0.65% 0.58%·pT [GeV]
Jetskala: 2-6% Effekt 10-X%p/pT ~ 0.17%·pT [GeV]
Luminositäten, Energien, Raten:
– see 209 GeV– BX = 22 s
– sep = 320 GeV– BX = 96 ns– L ~ 5·10^32 cm-2s-1.
– spp = 1960 GeV, BX = 396 ns– L ~ 10^32 cm-2s-1.
– spp = 14000 GeV– BX = 25 ns– L ~ 10^34 cm-2s-1.
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DIE ZUKUNFT: DER LHCQCD-Studien bei höchsten Energien
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FERMILAB, TEVATRON, CDF UND D0Proton-Antiproton-Kollisionen bei s=1.96 TeV
Dortmund, 24.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 55
DIE EXPERIMENTE – AUSWAHL 2Proton-
DØ/TEVATRONØ/TEVATRON
H1/HERA/HERA
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THE ZEUS EXPERIMENT … still going strong, even with new components!
But a lot of care-taking necessary to keep it going stably.
Microvertex tracker MVD installed 2001.
Starting to profit from it.
6m tagger starts tocontribute to:
- lumi measurement- FL determination
Freshly equipped FDET (STT):
Inclusive,heavy flavour, HFS measurements?
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EVENTS IN ZEUS… our event display
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DAS PROTON – DAS QCD-LABORErforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten
qqi
qpi QQxfxQxF,
22/
22 ,,
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DAS PROTON – DAS QCD-LABORErforschung der Protonstruktur bei HERA
qqi
qpi QQxfxQxF,
22/
22 ,,
Dortmund, 24.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 60
DAS PROTON – DAS QCD-LABORErforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten
qqi
qpi QQxfxQxF,
22/
22 ,,
Beschreibung Mithilfe von Strukturfunktionen, speziell F2 (elektromagnetische Gestalt des Protons); daraus Bestimmung der Partondichten fi/p:
),(~ 22 QxFd ep
Q2
x
Dynamikim Proton
Quarks strahlen Gluonen ab,Gluonen zerfallen in zwei Quarks:
Steigendes Auflösungsvermögen Q2 mehr Quarks mit kleinem x, immer mehr Gluonen, noch mehr Quarks! Abstrahlung S!
x1 x2<x1
Konsequenz
2222
22 ,,log
,QxgQxF
Qd
QxdFSS
Skalenverletzungen im Proton Kopplung S und Gluondichte!
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WAS HEISST PRÄZISION?QCD-Messungen im Vergleich
GF
EM
MW,MZ
sin2eff
)46(0359991.137/14 02 ceEM
-253 GeV 10)1(16637.1/ cGF
Die Feinstrukturkonstante istauf 12 Stellen genau bekannt:
Die Fermi-Konstante ist auf0.0009% genau bekannt:
Der effektive Mischungswinkelist auf 0.065% genau bekannt:
)15(23120.0.0sin 2 eff
S
Die W- und Z-Masse sind zuca. 0.05 und 0.002% bekannt: 2
2
GeV/c )21(1876.91
GeV/c )38(425.80
Z
W
M
M
Die starke Kopplung istauf ca. 2% bekannt:
)20(1187.0)( ZS M
Ich möchte Ihnen demonstrieren dass die letzten Jahre dennoch enorme Fortschritte gebracht haben; wo die Begrenzungen und Probleme für bessere Genauigkeit liegen und was der LHC (Start 2007!) für die QCD bedeuten kann.
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Maybe I want this?
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MEHR JET-MESSUNGEN Universalität der Partondichten, Faktorisierung, …Wieder-holung
Alternativ
Jet-Wirkungsquerschnitt in ep, pp () benötigen als Input die Partondichten des Protons (Photons):
MCPartonen
MCHadronenTheorie
PartonenTheorieHadronen CC
mit
Abschätzung mithilfe von “power corrections” (Webber et al.): Hängen nur von universellem Parameter 0 ab:
Test an “Event Shape”-Variablen (Thrust, Broadening, C-Parameter …), die bei LEP und HERA gemessen wurden.
???
)1(0 ,,/
???
0 ,,/ )(ˆ)(ˆ
n gqqipi
nS
n gqqipi
nS dxxxff
Diese stammen im wesentlichen aus DIS/Drell-Yan/fixed-target-Experimenten!
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FARBENFROHE ZUSTÄNDEHadronen im Anfangs- und Endzustand
LEP: QCD-Korrekturenzu EW, e,-Physik,Jets, Hadronen, S.
HERA: ep,p-Physik,Protonstruktur, Jets,
Hadronen, S.
Tevatron: pp-Physik,Jets, Hadronen, S.
e+
e–
e+
e–
e± e±,
p
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BEDEUTUNG VON PRÄZISION?Beispiele Supersymmetrie, Higgs
LO,NLO NNLO
PDFs
S
• Höhere Ordnungen ändern Vorhersagen Beispiel: Interpretation des Higgs! (Higgs~mt
2 als Test des SM).
• Höhere Ordnungen reduzieren theoret. Unsicherheiten! PDF, Skalen, etc.
• Problem: Berechnungen verlangen Konsisten: S, PDF und Matrixelemente in gleicher Ordnung!
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NEUE PHYSIK BEI LHC bla?
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CERN, LEP UND DIE e+e--EXPERIMENTE Schwerpunktsenergien bis zu 209 GeV!
2000Beendet
km 5,27
GeV 20991
Umfang
s
100 200days into run0
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FERMILAB, TEVATRON, CDF UND D0Proton-Antiproton-Kollisionen bei s=1.96 TeV
km 3,6
TeV 96.1
Umfang
s
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DESY, HERA, H1 UND ZEUSDer weltweit einzige Elektron-Proton-Collider in Hamburg
km 3,6
GeV 318
Umfang
s
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CERN, LEP UND DIE e+e--EXPERIMENTE Schwerpunktsenergien bis zu 209 GeV!
2000Beendet
km 5,27
GeV 20991
Umfang
s
100 200days into run0
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FERMILAB, TEVATRON, CDF UND D0Proton-Antiproton-Kollisionen bei s=1.96 TeV
km 3,6
TeV 96.1
Umfang
s
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QCD IM SCHNELLDURCHGANGblablabla
QCD Eichtheorie auf Basis der Gruppe SU(3)C zur Beschreibung der Phänomene der starken Wechselwirkung.
Eichbosonen sind acht masselose, farbgeladene Gluonen; der Kopplungsparameter wird S (“S” für “strong”) genannt.
Kopplung Nicht-abelsche Eichtheorie mit Selbstwechselwirkung der Gluonen QCD-Kopplung wird mit abnehmendem Abstand kleiner (asymptotische Freiheit, Nobelpreis 2004).
Vorhersagen ... mithilfe der Störungstheorie mit S als Entwicklungsparameter. Problem 1: Größe der Kopplung Konvergenz der Reihe?Problem 2: Begrenzte Berechenbarkeit der Koeffizienten Cn.
0n
nnS C
...1)/ln(
4)(
220
S
Bei großen Abständen wächst die Kopplung, die Kraft wird konstant “Confinement” farbgeladener Teilchen.
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QCD-TESTS MIT JETSWie bestimmt man S mit Jets? (am Beispiel HERA)
???
)1(0 ,,/
???
0 ,,/ )(ˆ)(ˆ
n gqqipi
nS
n gqqipi
nS dxxxff
Partonische Matrixelemente.
Kopplung S
Partonverteilungen.Störungstheorie,Faktorisierung.
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JETS ALS WICHTIGES QCD-TOOLPrinzip von QCD-Jet-Vorhersagen am Beispiel HERA
Störungs-theorie
???
0
.....n
nS
Der Wirkungsquerschnitt wird geschrieben als Reihenentwicklungin Potenzen des starken Kopplungsparameters S:
???
)1(0 ,,/
???
0 ,,/ )(ˆ)(ˆ
n gqqipi
nS
n gqqipi
nS dxxxff
Die Gewichte der Ordnungen n ergeben sich aus Faltung vonProtonstruktur (Partonverteilungen fi/p) und perturbativ berechenbaren Parton-Parton-Wechselwirkungen .
KollineareFaktorisierung
Feynman-Graphen
Jede Ordnung in S kann durch eine Reihe von Feynman-Diagrammen dargestellt werden:
0S
1S
2S
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WAS HEISST PRÄZISION?QCD-Messungen im Vergleich
GF
EM
MW,MZ
sin2eff
)46(0359991.137/14 02 ceEM
-253 GeV 10)1(16637.1/ cGF
Die Feinstrukturkonstante istauf 12 Stellen genau bekannt:
Die Fermi-Konstante ist auf0.0009% genau bekannt:
Der effektive Mischungswinkelist auf 0.065% genau bekannt:
)15(23120.0.0sin 2 eff
S
Die W- und Z-Masse sind zuca. 0.05 und 0.002% bekannt: 2
2
GeV/c )21(1876.91
GeV/c )38(425.80
Z
W
M
M
Die starke Kopplung istauf ca. 2% bekannt:
)20(1187.0)( ZS M
Ich möchte Ihnen demonstrieren dass die letzten Jahre enorme Fortschritte gebracht haben; wo einige der Begrenzungen und Probleme liegen und was der LHC (Start 2007!) für die QCD bedeuten kann.