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PHYSIK BEI HERA Der weltweit einzige ep-Collider

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Präsentation zum Thema: "PHYSIK BEI HERA Der weltweit einzige ep-Collider"—  Präsentation transkript:

1 PHYSIK BEI HERA Der weltweit einzige ep-Collider
Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg DPG-Herbstschule Maria Laach 12. September 2005

2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
DESY HERA PETRA H1 Hermes ZEUS T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

3 GLIEDERUNG eine ‘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 Zeit und Laune Kein Ergebnis-Marathon – statt dessen lieber Verständnis der Basics! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

4 KINEMATIK DER ep-STREUUNG Das Elektron als Sonde, x und Q2
,Z,W k Lepton (e±) Proton P k’(e±,) Neutral current (NC): epeX Charged current(CC): epX 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 Ich greife hier aber in dem Sinne vor, dass ich schon annehme, dass es Partonen gibt! Berger zu Aufloesungsvermoegen und Q2. Damit ist aber noch nichts ueber das Proton als solches gesagt – das ist nur Kinematik der unelastische Streuung eines Elektrons an einem Spin-1/2-Teilchen. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

5 STRUKTUR DES PROTONS Von Rutherford zum Quark-Parton-Modell
Elastische Rutherford/Mott-Streuung von Spin-1/2 an Spin-0 (1/2): -- Rutherford/Mott-Streuung mit Rückstoss -- Spin-1/2-Target  magnetische WWirkung Hofstadter et al.: Elastische Streuung am Proton, Formfaktoren GE,M -- GE,M: Formfaktoren  Ausdehnung -- G2E,M~(1+Q2)-1 Höhere Energien: Unelastische ep-Streuung  zwei Variablen Q2,! W1,2 entsprechen den (quadrierten) elastischen Formfaktoren GE,M! Im Limes ist W1  F1, nu/M*W2F2 fuer x fest Rutherford ist sin^4(theta/2) Was ist das tau in der Formfaktorformel????? Radius Hofstader: 0.8fm? Sagen, was nu hier ist! Naemlich der Energieverlust des Elektrons! Bjorken: Beschreibung dann durch Strukturfunktionen W1,2! Elastisch (Hofstadter): Lange Zeitdauer, kleiner E-Uebertrag der WW (kleine Q2). Daher sieht Projektil ein verschwommenes Bild des Protons und wwirkt mit allen Bestandteilen kohaerent. Inelastisch: kurze Zeitdauer, hoher E-Uebertrag  inkohaerente Streuung an einem Parton! Sigma haengt nicht nur von Q2 ab, sondern auch von DeltaE~nu! Parton-Hypothese: Punktforemige Konstitutenten mit Spin-1/2 – unelasti. Ep Streuung ist elastische eq-Streuung! inkohaerent: Summe! 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

6 STRUKTUR DES PROTONS Frühe Messung des Skalenverhaltens
W2 Die Struktur ist bei festem x von Q2 und  unabhängig! Was ist das tau in der Formfaktorformel????? Radius Hofstader: 0.8fm? Sagen, was nu hier ist! Naemlich der Energieverlust des Elektrons! Bjorken: Beschreibung dann durch Strukturfunktionen W1,2! Elastisch (Hofstadter): Lange Zeitdauer, kleiner E-Uebertrag der WW (kleine Q2). Daher sieht Projektil ein verschwommenes Bild des Protons und wwirkt mit allen Bestandteilen kohaerent. Inelastisch: kurze Zeitdauer, hoher E-Uebertrag  inkohaerente Streuung an einem Parton! Sigma haengt nicht nur von Q2 ab, sondern auch von DeltaE~nu! Parton-Hypothese: Punktforemige Konstitutenten mit Spin-1/2 – unelasti. Ep Streuung ist elastische eq-Streuung! inkohaerent: Summe! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

7 STRUKTUR DES PROTONS Auf dem Weg zur QCD – Quark-Parton-Modell
Unelastische ep-Streuung = Summe der elastischen eq-Streuungen fqi(x)dx: Wahr’keit, ein Parton vom Typ i mit Impulsanteil x im Interval [x,x+dx] zu finden. Strukturfunktionen F1,2, z.B.: Partonverteilungs/dichte-Funktionen (parton distribution functions, PDFs): fi(x) fi(x) x 1/3 1 “Scaling” in einfachen Worten: Die Bestandteile des Protons sind punktförmige – die Auflösung Q2 spielt keine Rolle! Nicht-wwirkende Partonen Wwirkende Partonen Doppelt-differentiell in Q2 und x und umschreiben auf “vertraute” Variablen: Diese (drei) Partonen nennt man die “Valenzquarks” des Protons. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

8 STRUKTUR DES PROTONS Der heutige Stand: Quantenchromodynamik - QCD
Letzter Schritt: Es gibt Gluonen! 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! Doppelt-differentiell in Q2 und x und umschreiben auf “vertraute” Variablen: 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

9 STRUKTUR DES PROTONS QCD verletzt das Skalenverhalten!
F2(x,Q2) Q2 Mit steigendem Q2 nimmt See- quarkdichte zu (gqq). Für kleine y, E’~E: SLAC ’69! Fuer kleine y kann man im wesentlichen schreiben wie oben. F2 beschreibt nur die EM-Struktur – es spielen nur Quarks eine Rolle – Gluonen sind “unsichtbar”. Mit steigendem Q2 nimmt Valenz- quarkdichte ab (qqg). T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

10 GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK Die Bedeutung von x und Q2
Berger zu Aufloesungsvermoegen und Q2. Damit ist aber noch nichts ueber das Proton als solches gesagt – das ist nur Kinematik der unelastische Streuung eines Elektrons an einem Spin-1/2-Teilchen. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

11 GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK x und Q2 im Wechselspiel
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

12 DESY UND HERA ep-Collider im Herzen von Hamburg
Umfang 6.3 km Ee = 27.5 GeV Ep = 920 GeV DESY UND HERA ep-Collider im Herzen von Hamburg T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

13 HERA-Luminosität Lumi-Upgrade im Jahr 2000
HERA I+II HERA I Physik-Lumi: HERA-I (ZEUS): 132pb-1 HERA-II (e+) : 40.6pb-1 HERA-II (e-) : ~100pb-1 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

14 DAS H1-EXPERIMENT Asymmetrische Detektoren – ep-CMS!
-- LAr-Kalorimeter mit Zellen -- SpaCal: rückwärtiges Kalorimeter -- 2 grosse Jetkammern -- Silizium zentral/rückwärts -- Myon-System Proton Elektron LAR: 12 / 50% fuer Elektronen, Hadronen Tracker : sigma(pt)/pt = 0.006*pt/GeV Physiker aus 12 Ländern -- HERA-Halle Nord -- 15*15*15m3 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

15 DAS H1-EXPERIMENT Etwas schematischer
LAR: 12 / 50% fuer Elektronen, Hadronen Tracker : sigma(pt)/pt = 0.006*pt/GeV T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

16 DAS H1-EXPERIMENT im “Eventdisplay”
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

17 NOCH EIN H1-EREIGNIS High-Q2 NC!
Jet p T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

18 Das ZEUS-Experiment p 20*12*11 Meter 3600 Tonnen Ca. 25 Komponenten
Muon-Kammern Wechselwirkungspunkt Vertex-Detektor Nachweis der Zerfaelle langlebiger Teilchen p Weitere Kalorimeter Solenoid e Spurkammern Feld/Signal-Draehte (Ionisationsnachweis, Impulsmessung geladener Teilchen) Uran-Kalorimeter (Energiemessung neutraler und geladener Teilchen) kompensierend T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

19 ZEUS-Microvertex-Detector (MVD) Eingebaut im Shutdown 2001/02
p Wechselwirkungspunkt 360k elektrische Kanäle im Readout! 600 Silizium-Streifendetektoren Nutzen vor allem für die Physik schwerer Quarks  Ausnutzung der Zerfälle langlebiger Hadronen T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

20 DAS ZEUS-EXPERIMENT Die Kollaboration
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

21 GLIEDERUNG Zwischenstand
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 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

22 DIE STRUKTURFUNKTION F2 ‘Nur’ Messung des differentiellen WQS!
Der doppelt-differentielle WQS in x, Q2! Ich muss also nur diese beiden Variablen der Kinematik bestimmen (und dann die Anzahl der Ereignisse pro Bin in x,Q2 zählen). Aber … wie? e(E’,) e(27.5GeV) Ich muss nur das gestreute Elektron messen: E’,   x,Q2!  “inklusive Messung” Praezisionsmessung – ich muss beam tilt, detector shift etc beruecksichtigen. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

23 DIE STRUKTURFUNKTION F2 Unterteilung der kinematischen Ebene in x,Q2
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

24 DIE STRUKTURFUNKTION F2
Kleine x: Mit steigendem Q2 sehe ich immer mehr Fluktuationen gqq.  Seequarkdichte steigt an! Valenzquarks bei hohen x: Mit steigendem Q2 sehe ich immer mehr Fluktuationen qqg  Valenzquarkdichte nimmt ab! Typischer Fehler: 2% T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

25 ELEKTROSCHWACHE EFFEKTE Unterschied zwischen e+p und e-p!
Niedrige Q2: Nur Photonaustausch: Q2~MZ2: Photon+Z-Austausch: xF3 = x Summe ueber f Bf (q - qquer) F2 = x Summer ueber f Af (q + qquer) xF3 ist vor allem auf Valenzen sensitiv F2 ist auf Photonaustausch sensitiv. Z-Austauschterm ist klein, weil Af = gamma + Z + interferenz Bf ist interferenz plus Z 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

26 ELEKTROSCHWACHE EFFEKTE Unterschied zwischen e+p und e-p!
Q2 ~ MZ2: Z-Austausch möglich! /Z e-: Konstruktive Interferenz Unterschiedliche Interferenz- Effekte zwischen  und Z für e±p-Streuung sichtbar für Q2 > 1000 GeV2! e+: Destruktive Interferenz Beschreibung ueber 6 Groessenordungen oder so – Q2 >  EW effects Konstruktive Interferenz fuer e- Destruktive Interferenz fuer e+ Erinnerung: Q~1/! Die bei HERA erreichten Q2- Werte entsprechen 10-18m! Punktförmige Quarks! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

27 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
DER GELADENE STROM Austausch von W-Bosonen – Händigkeit der schwachen WW d2sCC GF dxdQ px (e) = (Y+F Y-xF3 - y2FL ) M2 M2 + Q2 W 2 Effekt der W-Masse durch Propagator e+ und e- koppeln an unterschiedliche Quarks e+p e-p s = x [u+c+(1-y)2(d+s)] s = x [u+c+(1-y)2(d+s)] Test des d-Valenzquarks Test des u-Valenzquarks T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

28 DER GELADENE STROM Austausch von W-Bosonen
NC NC: Unterschied durch Vor- zeichenwechsel im /Z- Interferenzterm in e±. CC: Unterschied zwischen e+ und e- wegen Kopplung an verschiedene Quarks! Elektroschwache Verein- heitlichung! CC Differenz e+ e-: Niedriges Q2: See-Quarks dominieren  WQS aehnlich Hohes Q2: Valenzquarks dominieren: Sigma_e- ~ u … sigma_e+ ~ (1-y)^2*d Elektroschwache Vereinheitlichung …fuer Q2 >> MW2, MZ2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

29 POLARISIERTE ELEKTRONEN Test der elektroschwachen Struktur des SM
Seit 2003: HERA mit longitudinal polarisierten Elektronen. Erinnerung: Im SM koppeln Teilchen nur linkshändig! 04-05 e-p NC: “Textbook Measurement”: Sieht man die erwartete Chiralitätsstruktur des SM? Oder gibt es rechtshändige schwache Kopplungen? e-R eR uR dR W–R? 03-04 e+p Differenz e+ e-: Niedriges Q2: See-Quarks dominieren  WQS aehnlich Hohes Q2: Valenzquarks dominieren: Sigma_e- ~ u … sigma_e+ ~ (1-y)^2*d Elektroschwache Vereinheitlichung …fuer Q2 >> MW2, MZ2 Q2 > 400 GeV2 y < 0.9 HERA I T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

30 F2 UND DIE PDFs Wie komme ich von F2 zu den PDFs?
PDFs a priori unbekannt: Plausible Annahmen für Startskala Q02. Evolution der PDFs von Startskala Q02 zu beliebiger Skala Q2 mit DGLAP-Gleichungen Splitting function fuer den qqg vertex of QCD. Mein F2 hier ist in NLO Die C sind Wilson-Koeffs, die in NLO bekannt sind. Setze F2 in Berechnung von d2/dxdQ2 ein und vergleiche mit Daten  adjustiere die Parameter A,B,C,D  iterative Prozedur! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

31 F2 UND DIE PDFs Wie komme ich von F2 zu den PDFs?
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

32 DER HADRONISCHE ENDZUSTAND Jets als einfacher Zugang zur Partondynamik
Bis jetzt “nur” das gestreute Elektron gemessen. Und “der Rest”? ? 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) PDF Matrixelement T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

33 JETS IM ENDZUSTAND Aus Fragmentation, Hadronisierung von Quarks
p T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

34 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
DER JET-WIRKUNGSQUERSCHNITT Faltung von PDF und partonischem Matrixelement (ME) Matrixelement PDF 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: s0 s1 s2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

35 JET-WIRKUNGSQUERSCHNITTE 1,2,3-Jet-Ereignisse
In vielen Fällen werden die Daten perfekt von der 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

36 JETS UND DIE STARKE KOPPLUNG Ein schöner QCD-Konsistenztest
Bei gegebenem s(MZ) ist Verlauf von s(Q) im Rahmen der QCD vorgegeben T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

37 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) Quarkmasse ist eine weitere Skala, die in der perturbativen Rechnung benutzt werden kann  theoretisch interessant! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

38 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
DAS TAGGING SCHWERER QUARKS relativer Transversalimpuls von Zerfallsleptonen c,b-Hadronen: Zerfall semileptonisch. -- Hohe Masse von B (D)  hohes pT der Leptonen relativ zum hadronischen Jet. Klare Trennung von beauty/charm und Untergrund leichter Quarks. -- zumindest auf statistischer Basis (also nicht event-by-event) T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

39 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
DAS TAGGING SCHWERER QUARKS “Impact parameter”, Lebensdauer, sekundäre Vertizes Jet B-Hadron IP Sekundärvertex Hadronen schwerer Quarks haben lange Lebensdauern  messbare Flugstrecken vor Zerfall  sekundäre Zerfallsvertizes oder  grosse Impaktparameter  T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

40 PHYSIK SCHWERER QUARKS Mit hochauflösenden Silizium-Vertexdetektoren
Ortsauflösung ~20 m! Auflösung sekundärer Zerfalls- vertizes aus den Zerfällen der langlebigen schweren Quarks. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

41 SCHWERER QUARKS Extraktion von F2cc, F2bb.
Anteil der Struktur, der zu schweren Quarks im Endzustand führt. Meist inklusive D* und dann PS extrapoliert (mit Korrekturen aus inklusiver Charm-Messung aus HVQDIS). Weniger Korrekture mit Lifetime-Tag  inklusiver Charm-Tag. Lifetime-Spektren von B und C mit MC angepasst  Verhaeltnis  F2c, F2b … Problem langlebiger Charm (D+ versus B etc.) T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

42 D*-WIRKUNGSQUERSCHNITTE Gute Beschreibung von charm durch die Theorie
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

43 PHYSIK SCHWERER QUARKS Beauty-Produktion als Sorgenkind
Neuen Plot holen mi tCTEQ und MRST – rote Linie ist dann massive mit variable flavbour scheme. Unterschied CTEQ – MRST evtl. Gluon? (20%). 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

44 DIFFRAKTION Ereignisse ohne Aktivität “vorne”
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: F2D analog zu F2 bei den inklusiven WQS. Abstrahlung vom Farbstring Farbloses Objekt Proton-Rest Gestreutes Elektron “Rapidity gap” Von Kerstin: F2D(3) haengt von 3 Variablen ab (beta ist x von Pomeron auf Parton, xpomeron ist Anteil des Pomerons am Proton, Q2, t, aber ueber t wird integriert bis abs(t) < 1. Dipolbild  Berechne im Protonruhesystem WQS fuer inklusive DIS  Nimm wirkungsquerschnitt und wende auf diffractive an  extrahiere F2D  go to tevatron und scheitere (Faktor 3-10)  Faktorisierung oder multiple interactions?  was bei LHC???? T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

45 DIFFRAKTION Diffraktive Strukturfunktion
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

46 DIFFRAKTION Kann man die Ergebnisse zum Tevatron übertragen?
pp γ*p Genau wie F2 sollte F2D universell sein  kann man mit HERA-F2D diffraktive Tevatron-Daten be- schreiben? 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? T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

47 SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 1: Leptoquarks (Supersymmetrie)
Quarks und Leptonen: punktförmige Teilchen, die sich ähnlich verhalten: Gruppierung in Familien (3x2) Gibt es eine höhere Symmetrie? Leptoquarks (LQ): Teilchen mit B0 und L0 und drittelzahliger Ladung Mehrere Theorien sagen Existenz von LQs voraus! s-Kanal u-Kanal T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

48 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

49 SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Leptoquarks - Massenlimits
T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

50 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
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. Proton-ID via dE/dx! Derzeitige Meinung: Wahrscheinlich nichts! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

51 SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 3: Angeregte Fermionen
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 = L-1 (f • SU(2) + f ‘ • U(1) + fS • SU(3)) HERA: Anregung des auslaufenden Leptons oder gestreuten Quarks Suche nach Resonanzen in invarianten Massen der Zerfallsprodukte T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

52 SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Angeregte Fermionen - Ergebnisse
Kein Überschuss gefunden  setze Limit auf f/L! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

53 SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 4: Kontaktwechselwirkungen
Oder auch extra grosse Dimensionen KontaktWW: Idee von Quarksubstruktur zB bei einer sehr hohen Skala  sollte WQS modifizieren … Aber nichts beobactet - Limits T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

54 ZUSAMMENFASSUNG Noch 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

55 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
BACKUP SLIDES Berger zu Aufloesungsvermoegen und Q2. Damit ist aber noch nichts ueber das Proton als solches gesagt – das ist nur Kinematik der unelastische Streuung eines Elektrons an einem Spin-1/2-Teilchen. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

56 GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK x und Q2 im Wechselspiel
LHC in Q2 bis zu 10^8 udn runter bis 5*10-7 in x.. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

57 STRUKTUR DES PROTONS Von Rutherford zum Quark-Parton-Modell
Elastische Rutherford/Mott-Streuung von Spin-1/2 an Spin-0 (1/2): -- Rutherford/Mott-Streuung mit Rückstoss -- Spin-1/2-Target  magnetische WWirkung Hofstadter et al.: Elastische Streuung am Proton, Formfaktoren GE,M -- GE,M: Formfaktoren  Ausdehnung -- G2E,M~(1+Q2)-1 Bjorken: Parton-Hypothese! Ausdehnung durch punktförmige Spin-1/2-”Partonen”! Höhere Energien: Unelastische ep-Streuung  zwei Variablen Q2,! Das Proton besteht aus 3 nicht-wwirkenden (Valenz-)Partonen (Quarks)! Im Limes ist W1  F1, nu/M*W2F2 fuer x fest Rutherford ist sin^4(theta/2) Was ist das tau in der Formfaktorformel????? Radius Hofstader: 0.8fm? Sagen, was nu hier ist! Naemlich der Energieverlust des Elektrons! Bjorken: Beschreibung dann durch Strukturfunktionen W1,2! Elastisch (Hofstadter): Lange Zeitdauer, kleiner E-Uebertrag der WW (kleine Q2). Daher sieht Projektil ein verschwommenes Bild des Protons und wwirkt mit allen Bestandteilen kohaerent. Inelastisch: kurze Zeitdauer, hoher E-Uebertrag  inkohaerente Streuung an einem Parton! Sigma haengt nicht nur von Q2 ab, sondern auch von DeltaE~nu! Parton-Hypothese: Punktforemige Konstitutenten mit Spin-1/2 – unelasti. Ep Streuung ist elastische eq-Streuung! inkohaerent: Summe! Im damaligen Messbereich  (fast) von Q2 unabhängig – “Scaling”  “Beleg” für Parton-Hypothese! Strukturfunktionen W1,2 hängen nur von dimensionsloser Variable x=Q2/2 ab: x = Anteil des Partons am Proton-Impuls T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

58 WIE WIRD DIE KOPPLUNG BESTIMMT? Variation von s(MZ), bis es “passt”!
QCD-Vorhersage als Funktion von s(MZ). Gemessener Datenpunkt Messergebnis für s. Berger zu Aufloesungsvermoegen und Q2. Damit ist aber noch nichts ueber das Proton als solches gesagt – das ist nur Kinematik der unelastische Streuung eines Elektrons an einem Spin-1/2-Teilchen. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

59 PHYSIK SCHWERER QUARKS Ein Ereignis im ZEUS-MVD
Berger zu Aufloesungsvermoegen und Q2. Damit ist aber noch nichts ueber das Proton als solches gesagt – das ist nur Kinematik der unelastische Streuung eines Elektrons an einem Spin-1/2-Teilchen. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

60 PHYSIK SCHWERER QUARKS ZEUS-Tracking
Berger zu Aufloesungsvermoegen und Q2. Damit ist aber noch nichts ueber das Proton als solches gesagt – das ist nur Kinematik der unelastische Streuung eines Elektrons an einem Spin-1/2-Teilchen. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

61 UND DIE ZUKUNFT x und Q2 bei LHC im Wechselspiel
Berger zu Aufloesungsvermoegen und Q2. Damit ist aber noch nichts ueber das Proton als solches gesagt – das ist nur Kinematik der unelastische Streuung eines Elektrons an einem Spin-1/2-Teilchen. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

62 DAS ZEUS-EXPERIMENT Mit kompensierendem Uran-Kalorimeter
Kollaboration/Detektor: Physiker Institutionen, 14 Nationen t Kompensierendes UCAL: -- exzellente Energieauflösung -- ~12000 Zellen, ca. 5*20cm2 -- Readout der Szintillatoren mit zwei PMTs und schnellen ADCs. Tracker: pt/GeV Was noch: -- MVD: Silizium-Detektor -- CTD: Jetdriftkammer -- grosses Myonsystem. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

63 UNIVERSALITÄT DER PDFs Vergleich verschiedener Fits und Input-Daten
Splitting function fuer den qqg vertex of QCD. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

64 DAS ZEUS-EXPERIMENT Mit kompensierendem Uran-Kalorimeter
Kompensierendes UCAL: -- exzellente Energieauflösung Zellen, ca. 5*20cm2 -- Readout der Szintillatoren mit zwei PMTs und schnellen ADCs. Tracker: pt/GeV T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

65 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
DAS PROTON UNTER DER LUPE QCD und die Strukturfunktion F2 ep-Streuung ~ eq-Streuungen! F2(x) ~ eq2 xq(x,Q2) q(x,Q2) ist Wahrscheinlichkeit, bei Auflösung Q2 ein Parton q mit Impulsanteil x zu finden: Partonverteilungsfunktion, PDF Elektron (Q2) x Proton F2: beschreibt dynamische Struktur des Protons Q2: (Impulsübertrag)2 von e auf p [~1/Q] HERA: Ideales Labor zur Untersuchung der Partondynamik im Proton. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

66 F2 UND SKALENVERLETZUNGEN: s! bla
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 …. Splitting function fuer den qqg vertex of QCD. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

67 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
DAS TAGGING SCHWERER QUARKS “Impact parameter”, Lebensdauer, sekundäre Vertizes Delta-Plot durch neuen Ersetzen mit MRST und CTEQ. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

68 DAS H1-EXPERIMENT im Eventdisplay
Elektron Quark-Jet Proton Quark(-Jet) T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

69 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA
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 … T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA


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