qcd-tests an beschleunigern thomas schörner-sadenius universität hamburg dpg-tagung dortmund 29....

QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN

Thomas Schörner-SadeniusUniversität Hamburg

DPG-Tagung Dortmund29. März 2006

Mit herzlichem Dank an: K. Borras, A. Geiser, G. Grindhammer, H. Jung, R. Klanner, I. Melzer, J. Schieck, P. Schleper, G. Steinbrück, S. Tapprogge, P.Uwer u.v.a.

Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 2

ÜBERSICHT

¶ EINLEITUNG UND MOTIVATION

¶ DAS PROTON ALS QCD-LABOR (A. Glazov, Freitag)

¶ JETS UND DIE BESTIMMUNG VON S

¶ PRODUKTION VON EICHBOSONEN

¶ “UNDERLYING EVENTS”, “MULTIPLE INTERACTIONS”

¶ ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

… und das (u.v.a.) kommt leider nicht vor: ¶ Physik schwerer Quarks ¶ Diffraktion ¶ Hadronische Struktur des Photons ¶ Spinstruktur des Protons ¶ Phänomenologie (Resummation, ME+PS etc.) ¶ Studien des hadronischen Endzustands

Schwerpunkt: neuere Ergebnisse zur perturbativen QCD an Beschleunigern.


FREUD UND LEID DER QCDZ.B. Zweijet-Prozess bei HERA in führender Ordnung

ElektronGestreutes

Elektron

Boson(,Z,W) Gestreutes

Parton

ProtonrestProton

Harte Abstrahlung

Das Standardbild der perturbativen QCD.

Kopplung S(R)

Energieskala R

(Renormierungsskala)


FREUD UND LEID DER QCDFaktorisierung der Probleme.

(weiche) QCD-Strahlung

Parton-schauer

Hadroni-sierung

StabileTeilchen

Zahlreiche nicht-perturbative Effekte erweitern das Bild!


FAKTORISIERUNG Partonischer Wirkungsquerschnitt (“Matrix-Element”)

Der Wirkungsquerschnitt der harten Wechselwirkung ist in perturbativer QCD berechenbar.

,...)(ˆ R

)( RS

Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element)

Renormierungsskala R


FAKTORISIERUNGPartonverteilungsfunktionen

Partonverteilungen sind in pQCD nicht a priori berechenbar; Messungen bei niedrigen Skalen F werden mit Evolutionsgleichungen (z.B. DGLAP) zu höheren Skalen evolviert.

,...),(ˆ RF

)( RS

Partonverteilung (PDF)summiert “weiche” Anteile

der QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F.

PDF:fi(F)

Faktorisierungs-

skala F


FAKTORISIERUNGJet-Algorithmus.

,...),(ˆ RF

)( RS

Jet-Algorithmussummiert Effekte weicher QCD-Strahlung im Partonschauer auf

PDF:fi(F)

Berechnung von Wirkungsquerschnitten: Faltung der Parton-verteilungen mit hartem Wirkungsquerschnitt: Faktorisierung!

gqqi

iif,,

Dient dazu, Zugang zu Partonender harten Wechselwirkung zu

erhalten.


PERTURBATIVE QCDund Reihenentwicklung der harten Wechselwirkung

• S ist groß ~ 0.1 – 0.2 Beiträge höhere Ordnungen (NLO,

NNLO) sind wichtig.

• Berechnung der Koeffizienten Cn ist schwierig. In den meisten

Fällen bis zur NLO bekannt; selten NNLO.

Probleme

0 ,,

)(

0 n gqqi

nii

nS

nn

nS fC

Störungs-reihe in S

“Harte” Abstrahlungen und virtuelle Korrekturen führen zu Matrix-Elementen höherer Ordnungen proportional zu S

n.

Der Wirkungsquerschnitt ergibt sichaus der Summe der Ordnungen:

...1)/ln(

4)(

220

RS

Laufende Kopplung S(R)in niedrigster Ordnung

LO'' ,1S NLO'' ,2

S NNLO'' ,3S


DAS PROTON ALS “QCD-LABOR”Erforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten

qqi

iiep qQxfxQxF,

2222 ,,

TiefunelastischeStreuung (DIS)

Qc Auflösung

(HERA: 0.001-1fm)

ep-Wirkungs-querschnitt

“Inklusive Messung” von Winkel und Energie des gestreuten Elektrons liefert x und Q2 Bestimmung der Kinematik.

Photonimpuls q(Q2 = -q2)

Impulsbruchteil x

q

e±e±

Proton

Proportional zur StrukturfunktionF2 des Protons (elektromag-netischer Gehalt des Protons).

AuflösungDas Auflösungsvermögen der Photon-”Sonde” kann mithilfe von Q2 eingestellt werden:

(Partonverteilungen fi, Ladungen qi)

Das Proton ist DAS Labor für systematische QCD-Studien!


¶ Erwartung für steigendes Q2: ¶ Mehr Gluonabstrahlungen von den Valenzquarks sichtbar bei hohen x sinkt F2 (~Quarkdichte!) ¶ Gluonen zerfallen (ggg,gqq) bei niedrigen x steigt F2 an (Seequarks!)

¶ Beschreibung: DGLAP-Formalismus

DIE STRUKTURFUNKTION F2

und der HERA-Beitrag

2222

22 ,,ln

,QxgPQxFP

Qd

QxdFgqSqgS

Die gute Beschreibung der Daten durch dieTheorie ist ein großer Erfolg der QCD – QCD ist Präzisionsphysik!

¶ Experimentelle Genauigkeit: 2%! – Bis auf hohe x, Q2 systematisch dominiert. – HERA-Bereich: 5·10-5 < x < 0.6, 5 < Q2 < 10000 GeV2.


DIE PDFsErgebnisse verschiedener Gruppen

¶ Die verschiedenen Bestimmungen der PDFs weichen signifikant voneinander ab. Unterschiede schon in den Daten – nicht im Fit.

¶ Viele wichtige Kanäle bei LHC betroffen (ggH)

¶ PDF-induzierte Unsicherheit des Higgs-Wirkungs- querschnitts derzeit je 10% durch Quarks und Gluonen.

Q2 = 5 GeV2: Fehler 100%,

Kenntnis der PDFs wichtig für Entdeckungen + ihre Interpretation bei LHC!

Q2 = 200 GeV2: Fehler 10%,

Reicht das, um Essenz des Higgs-Mechanismus zu bestätigen (tH~mt)?


x

VERBESSERUNGEN ?Weitere Observablen, Kombination H1+ZEUS, …

AndereObservablen

“H1+ZEUS”

ZEUS-PDF-Fit: F2 UND Jet-Daten:kleinerer Gluon-Fehler als nur F2 !

WeitereIdeen

Kombination der H1- undZEUS-Daten reduziert Un-sicherheiten

¶ PDF-Fits in NNLO werden Unsicherheiten reduzieren. ¶ FL-Daten von HERA Gluon bei kleinen x, Q2.¶ Berücksichtigung intrinsischer kT-Effekte.

HERA-Ziel: Halbierung der Fehler! - Statistik: Faktor 3-4 bis Mitte 2007!- Forward-Jet-Daten Gluon bei hohen x- weitere Observablen (HFL, Tevatron, …)

Gluondichte

Gluondichte

Mit Jet-Daten


QCD-TESTS MIT JETSam Beispiel von HERA

???

0 ,,

)(ˆn gqqi

nii

nS f

Wirkungs-querschnitt

Im Vergleich Daten – Theorie kann man:

– PDFs extrahieren; ihre Universalität testen,– S extrahieren (siehe später), – Faktorisierung und Störungstheorie testen.

Beispiel:H1

Jeder weitere Jet reduziertden Wirkungsquerschnitt grob um Faktor S (Gluon-Abstrahlung)!

Unsicherheiten: 10%. Abschätzung höherer Ordnungen sind größter Beitrag.

1 Jet

2 Jets

3 Jets

Bestätigung der PDF- Universalität und der Faktorisierung auf 5-10%!

QCD-Matrixelemente ver-standen.


JETS AM TEVATRON Syst. Unsicherheiten dominiert durch Energieskala!

¶ QCD kann auch diese Daten beschreiben.

¶ LHC: 30%-Effekt durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala!

Jets am Tevatron: Beschreibung durch NLO-QCD über acht Größenordnungen!

20%-100% Unsicherheit, dominiert durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala.


JETS BEI LHC – BIS 5 TeV!Bedeutung für Entdeckungsphysik

Die gesteigerte Genauigkeit der PDFs wird theoretische Unsicher-heiten der Jet-Wirkungsquer-schnitte bei LHC halbieren– bei hohen ET von 50% auf 20%.

Kenntnis der PDFs wichtig, um z.B. Multijet/”Multiple

Interaction”-Ereignisse von “mini black holes” zu unterscheiden oder SUSY-Signaturen zu erkennen!


BEDEUTUNG VON S z.B. für die Große VereinheitlichungNur unter der Annahme von Supersymmetrie (Erweiterung des Teilchenspektrums!)vereinigen sich die drei Kopplungen des Standardmodells bei ca. 1016 GeV!

Zur Überprüfung ist möglichst genaue Kenntnis von S nötig!

Verhalten bei hohen Skalen nur durch Renormierung, Teilchenspektrum und Startwerte bei heute zugänglichen Skalen bestimmt.

Standard-Modell SUSY

1 = (5/3)·/cos2W

2 = /sinW

2 = S

???

0 ,,

)(ˆn gqqi

nii

nS f


S: HEUTIGER STANDS(MZ)=0.1187(20) [PDG]S(MZ)=0.1182(27) [Bethke]

S(MZ)=0.1186± 0.0011(exp)±0.0050(th)

Weltmittel(NNLO)

HERA-Mittel(NLO)

Fehler auf S ca.2% (in NNLO).

¶ Viele Einzelmessungen in verschiedensten QCD- Prozessen ergeben kon- sistentes Bild!

Fehlende höhere Ordnungen (4%)!

Verständnis der QCD ist ausgezeichnet!

¶ Das “Laufen” der Kopplung (rechts) wird von der QCD sehr gut beschrieben.


Prompte PhotonenTheorie in NLO

H1

PRODUKTION VON EICHBOSONENals weiterer QCD-Test

– Zugang zur partonischen Wechselwirkung ohne Hadronisierungskorrekturen: , Zll, Wl

– Wichtiger Zugang zur Detektorkalibration: Zll,qq, Wqq’,… [ (MW)~30 MeV ! ]

– Wichtig zur Luminositätsbestimmung bei LHC.

Idee

W+Jets, Theorie in LO

Auch hier funktioniert QCD sehr gut.

z.B. “prompte” Photonenoder Drell-Yan …


EICHBOSONEN BEI TEVATRON, LHC Rechnungen in NNLO, Zugang zu PDFs?

• Bisherige Rechnungen zur Produktion

von Eichbosonen an Hadron- Maschinen “nur” in LO/NLO.

• Mittlerweile Vorhersagen für manche Kanäle in NNLO vorhanden (W,Z).

• Große PDF-Fehler (W,Z-Produktion)

W/Z-Ratio für verschiedene PDFs: PDF3%.

Verhältnisse von Wirkungsquerschnitten reduzieren Unsicherheiten – Luminosität, Energieskalen, Akzeptanz – QCD-Skalen, PDFs.

– geringer Einfluss auf PDF-Bestimmung– Wichtig für Luminositätsbestimmung

Z-Produktion für verschiedene PDFs: PDF8%.

Rapidität

Rapidität


“UNDERLYING EVENTS” (UE) +mehrfache Wechselwirkungen (“Multiple Interactions”)

“Underlying Event” = Versuch, weichen Energiefluss jenseits der einen (?) harten Wechselwirkung zu beschreiben: Partonschauer, weitere Streuungen, Strahlreste …

– UE nicht aus “first principles” berechenbar (weiche QCD).

– Anpassung der Monte-Carlo-Modelle an TEVATRON-, HERA-Daten.


I. Borjanovic et al., hep-ex/0403021

RCluster

mt [G

eV]

RELEVANZ BEI LHCz.B. Bestimmung der Top-Masse in tWbqq’b3Jets

IdeeBestimmung der Top-Masse in high-pT-Ereignissen durch direkte Summe der Kalorimeter-Energien aller drei Quark(-Jets).

– Andere systematische Unsicherheiten (Zell-Energien, nicht Jet-Skala)! sehr interessant als Cross-Check und bei Mittelwertbildung!– Aber genaue Kenntnis des Energieflusses (UE) wichtig!

Schon 10%-Variation der “underlying energy” führt zu deutlicher Abhängig-keit der Top-Masse von R.

Verstehen wir das UE z.B. am Tevatron oder bei HERA so genau?

Kenntnis und Verständnis des “UE”– interessant an sich,– wichtig für top-Messungen,– wichtig für alle QCD-Messungen.

UE

UE ist ein potentiell großer Effekt!


MODELL-ANPASSUNG AM TEVATRONAnpassung z.B. an pT-Summen

Idee Betrachte Ereignis “weit weg” von der harten Physik – von harten Jets; Definiere die “transversale” Richtung:90o in relativ zum Jet versetzt von “UE” dominiert?

Messung Betrachte als Funktion der Jet-Energie – pT-Summe in der transversalen Region– Multiplizität geladener Teilchen in transversaler Region

Modelle können (mehr oder wenigergut) an Daten angepasst werden.

– Finale Anpassung am LHC nötig, aber schwierig. – Tieferes Verständnis des Phänomens wünschenswert.

Transversale E

reignisa

nsicht


Mit UE

Ohne UE

EXTRAPOLATION ZUM LHC… und Lernen bei HERA

HERA p

Photoproduktion bei HERAist effektiv Hadron-Hadron-Streuung:

Hadronischer Charakter des Photonsist “einstellbar” (Q2) HERA idealerOrt für systematisches Verständnis!

LHCTevatron-Anpassungen liefern vollkommen verschiedene Ergebnisse bei LHC!


ZUSAMMENFASSUNG …¶ HERA-Daten: Massive Erweiterung des kinematischen Bereichs von F2, experimenteller Fehler 2%.

Erstmals gemessen: 102 < Q2 < 105 GeV2, x < 0.005 ¶ Fehler der up-Quarkdichte 3%, von S = 2%.

¶ Faktorisierung und Störungstheorie auf 5-10% bestätigt.

¶ Unsicherheiten durch – fehlende höhere Ordnungen (NNLO) (5% - 20%) – ungenaue Kenntnis der PDFs (Gluon!, 3% - …) – Unkenntnis der Jet-Energieskala (5% / 20% / 100%)


… und AUSBLICK¶ HERA-Ziel: 750 pb-1 (derzeitige Ergebnisse: 150 pb-1)¶ Tevatron strebt 4-5 fb-1 bis 2009 an! Derzeit: 1 fb-1.¶ Reduktion des PDF-Fehlers um Faktor 2?¶ Theoretischer Fortschritt: Höhere Ordnungen, Resummationsrechnungen, “Underlying Event”, NLO+PS, …

¶ QCD am LHC: – Große Unsicherheiten durch PDFs, Energieskalen – Verständnis der QCD wichtig für Detektorkalibration, Luminositätsbestimmung, Standardmodell-Physik – Verständnis der QCD limitiert Entdeckungspotential Higgs, SUSY, Große Vereinheitlichung, …

Ich hoffe, ich konnte Ihnen zeigen, dass die QCD eine spannende, präzise und für die Zukunft der Teilchenphysik wichtige Theorie ist.

Wie fruchtbar der HERA-Input für den LHC ist, zeigt …


HERA-LHC- UND LHC-D-WORKSHOPSReiche Auswahl an QCD-Ergebnissen

Proceedings des Workshops:hep-ph/0601012, 0601013

Nächstes Treffen: 6.-9. Juni 2006, CERN

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


BACKUP


NICHTPERTURBATIVE EFFEKTE Abschätzung mit Monte Carlo / “Power Corrections”?

Abschätzung der Hadronisierungmit Monte-Carlo-Generatoren:

MCPartonen

MCHadronenTheorie

PartonenTheorieHadronen CC

,

p

Sp

PCPCpQCD Q

ACVVV 0,

V ;

Experiment: Teilchen

Theorie: Partonen

“Power Corrections” und universeller Parameter 0:

<Q> (GeV)

“Power Corrections”

<Q> (GeV)

MC

PartonenHadronen

Beide Ansätze funktionieren gut.


EVENT SHAPES BEI LEP UND HERA Anwendung der Power Corrections und der Resummierung

)()(PC

pQCD

VVdV

dV

dV

d


EVENT SHAPES Extraktionen von S und 0.

¶ Sind die Ergebnisse wirklich konsistent?

¶ Ist der Parameter 0 wirklich universell?

¶ Eine möglicher Ausweg: NLO + Hadronisierung (“NLO+PS”)


S AUS JETS AM LHCIst eine genaue Bestimmung denkbar?

“Daten”

aber

Theoretischer Fehler auf S bei LHC von unter 10% sollte möglich sein.

Wie werden die experimentellen Unsicherheiten aussehen ?

MC-simulierte Daten im Vergleich zu NLO-QCD-Rechnung: Jet-ET.

Die Theorie zeigt deutliche Abhängigkeit von S.

Auch die PDF-Abhängigkeit istsehr gross (einige Prozent).


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.


LEP, HERA, TEVATRON, LHCDie Werkzeuge

96nsBC

km 3,6

GeV 318

Umfang

s ep

s22BC

km 5,27

GeV 20991

Umfang

s ee

396nsBC

km 3,6

TeV 96.1

Umfang

s pp

25nsBC

km 5,27

GeV 14000

Umfang

s pp


EXPERIMENTE

CDF/TEVATRON

(D0)

ZEUS/HERA(H1)

OPAL/LEP(ALEPH,L3,

DELPHI)

ATLAS/LHC(CMS)


DIE PARTONVERTEILUNGEN (PDFs)und der HERA-Beitrag

“Vor HERA”Extrapolation bei

kleinen x!

“Nach HERA”

HERA-Daten führten zu präziser Kenntnis der PDFs über großen Bereich in x!


BEDEUTUNG DER PDFs für Boson-Produktion bei LHC

16% 4%

Unsicherheit der Z-Produktion hängt

massiv von Kenntnis der PDFs ab

Um Eichboson-Produktion bei LHC für Kalibration oder Lumi-Überwachung zu verwenden, ist genaue Kenntnis der PDFs wichtig.

Gleiches gilt für den gesamten Bereich der elektroschwachen Physik!


ZUSAMMENFASSUNG¶ Erweiterung des kinematischen Bereichs

von F2, experimenteller Fehler 2%.

¶ Fehler von S = 2%.

¶ Faktorisierung und Störungstheorie auf 5-10% bestätigt.

¶ Verständnis der QCD ist wichtig für jegliche LHC-Physik – LHC ist eine QCD-Maschine!

¶ Unsicherheiten durch – fehlende höhere Ordnungen (NNLO) – ungenaue Kenntnis der PDFs (Gluon!) – Unkenntnis der Jet-Energieskala¶ … und viele weitere offene Fragen ...

qcd-tests an beschleunigern thomas schörner-sadenius universität hamburg dpg-tagung dortmund 29....

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