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QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg DPG-Tagung Dortmund 29. März 2006 Mit herzlichem Dank an: K. Borras, A. Geiser,

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1 QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg DPG-Tagung Dortmund 29. 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.

2 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern2 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.

3 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern3 FREUD UND LEID DER QCD Z.B. Zweijet-Prozess bei HERA in führender Ordnung Elektron Gestreutes Elektron Boson (,Z,W) Gestreutes Parton Protonrest Proton Harte Abstrahlung Das Standardbild der perturbativen QCD. Kopplung S ( R ) Energieskala R (Renormierungsskala)

4 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern4 FREUD UND LEID DER QCD Faktorisierung der Probleme. (weiche) QCD- Strahlung Parton- schauer Hadroni- sierung Stabile Teilchen Zahlreiche nicht-perturbative Effekte erweitern das Bild!

5 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern5 FAKTORISIERUNG Partonischer Wirkungsquerschnitt (Matrix-Element) Der Wirkungsquerschnitt der harten Wechselwirkung ist in perturbativer QCD berechenbar. Harte Wechselwirkung (Parton-Wirkungsquer- schnitt, Matrix-Element) Renormierungsskala R

6 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern6 FAKTORISIERUNG Partonverteilungsfunktionen Partonverteilungen sind in pQCD nicht a priori berechenbar; Messungen bei niedrigen Skalen F werden mit Evolutionsgleichungen (z.B. DGLAP) zu höheren Skalen evolviert. Partonverteilung (PDF) summiert weiche Anteile der QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F. PDF: f i ( F ) Faktorisierungs- skala F

7 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern7 FAKTORISIERUNG Jet-Algorithmus. Jet-Algorithmus summiert Effekte weicher QCD- Strahlung im Partonschauer auf PDF: f i ( F ) Berechnung von Wirkungsquerschnitten: Faltung der Parton- verteilungen mit hartem Wirkungsquerschnitt: Faktorisierung! Dient dazu, Zugang zu Partonen der harten Wechselwirkung zu erhalten.

8 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern8 PERTURBATIVE QCD und Reihenentwicklung der harten Wechselwirkung S ist groß ~ 0.1 – 0.2 Beiträge höhere Ordnungen (NLO, NNLO) sind wichtig. Berechnung der Koeffizienten C n ist schwierig. In den meisten Fällen bis zur NLO bekannt; selten NNLO. Probleme Störungs- reihe in S Harte Abstrahlungen und virtuelle Korrekturen führen zu Matrix- Elementen höherer Ordnungen proportional zu S n. Der Wirkungsquerschnitt ergibt sich aus der Summe der Ordnungen: Laufende Kopplung S ( R ) in niedrigster Ordnung

9 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern9 DAS PROTON ALS QCD-LABOR Erforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten Tiefunelastische Streuung (DIS) (HERA: fm) ep-Wirkungs- querschnitt Inklusive Messung von Winkel und Energie des gestreuten Elektrons liefert x und Q 2 Bestimmung der Kinematik. Photonimpuls q (Q 2 = -q 2 ) Impulsbruchteil x q e±e± e±e± Proton Proportional zur Strukturfunktion F 2 des Protons (elektromag- netischer Gehalt des Protons). Auflösung Das Auflösungsvermögen der Photon-Sonde kann mithilfe von Q 2 eingestellt werden: (Partonverteilungen f i, Ladungen q i ) Das Proton ist DAS Labor für systematische QCD-Studien!

10 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern10 ¶ Erwartung für steigendes Q 2 : ¶ Mehr Gluonabstrahlungen von den Valenzquarks sichtbar bei hohen x sinkt F 2 (~Quarkdichte!) ¶ Gluonen zerfallen (g gg,g qq) bei niedrigen x steigt F 2 an (Seequarks!) ¶ Beschreibung: DGLAP-Formalismus DIE STRUKTURFUNKTION F 2 und der HERA-Beitrag Die gute Beschreibung der Daten durch die Theorie ist ein großer Erfolg der QCD – QCD ist Präzisionsphysik! ¶ Experimentelle Genauigkeit: 2%! – Bis auf hohe x, Q 2 systematisch dominiert. – HERA-Bereich: 5·10 -5 < x < 0.6, 5 < Q 2 < GeV 2.

11 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern11 DIE PDFs Ergebnisse 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 (gg H) ¶ PDF-induzierte Unsicherheit des Higgs-Wirkungs- querschnitts derzeit je 10% durch Quarks und Gluonen. Q 2 = 5 GeV 2 : Fehler 100%, Kenntnis der PDFs wichtig für Entdeckungen + ihre Interpretation bei LHC! Q 2 = 200 GeV 2 : Fehler 10%, Reicht das, um Essenz des Higgs- Mechanismus zu bestätigen ( tH ~m t )?

12 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern12 x VERBESSERUNGEN ? Weitere Observablen, Kombination H1+ZEUS, … Andere Observablen H1+ ZEUS ZEUS-PDF-Fit: F 2 UND Jet-Daten: kleinerer Gluon-Fehler als nur F 2 ! Weitere Ideen Kombination der H1- und ZEUS-Daten reduziert Un- sicherheiten ¶ PDF-Fits in NNLO werden Unsicherheiten reduzieren. ¶ F L -Daten von HERA Gluon bei kleinen x, Q 2. ¶ Berücksichtigung intrinsischer k T -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 Mit Jet-Daten

13 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern13 QCD-TESTS MIT JETS am Beispiel von HERA 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 reduziert den 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.

14 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern14 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.

15 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern15 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 E T 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!

16 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern16 BEDEUTUNG VON S z.B. für die Große Vereinheitlichung Nur unter der Annahme von Supersymmetrie (Erweiterung des Teilchenspektrums!) vereinigen sich die drei Kopplungen des Standardmodells bei ca 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-ModellSUSY 1 = (5/3)· /cos 2 W 2 = /sin W 2 = S

17 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern17 S : HEUTIGER STAND S (M Z )=0.1187(20) [PDG] S (M Z )=0.1182(27) [Bethke] S (M Z )=0.1186± (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.

18 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern18 Prompte Photonen Theorie in NLO H1 PRODUKTION VON EICHBOSONEN als weiterer QCD-Test – Zugang zur partonischen Wechselwirkung ohne Hadronisierungskorrekturen:, Z ll, W l – Wichtiger Zugang zur Detektorkalibration: Z ll,qq, W qq,… [ (M W )~30 MeV ! ] – Wichtig zur Luminositätsbestimmung bei LHC. Idee W+Jets, Theorie in LO Auch hier funktioniert QCD sehr gut. z.B. prompte Photonen oder Drell-Yan …

19 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern19 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: PDF 3%. Verhältnisse von Wirkungsquerschnitten reduzieren Unsicherheiten – Luminosität, Energieskalen, Akzeptanz – QCD-Skalen, PDFs. – geringer Einfluss auf PDF-Bestimmung – Wichtig für Luminositätsbestimmung Z-Produktion für verschiedene PDFs: PDF 8%. Rapidität

20 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern20 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.

21 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern21 I. Borjanovic et al., hep-ex/ R Cluster m t [GeV] RELEVANZ BEI LHC z.B. Bestimmung der Top-Masse in t Wb qqb 3Jets Idee Bestimmung der Top-Masse in high-p T -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!

22 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern22 MODELL-ANPASSUNG AM TEVATRON Anpassung z.B. an p T -Summen Idee Betrachte Ereignis weit weg von der harten Physik – von harten Jets; Definiere die transversale Richtung: 90 o in relativ zum Jet versetzt von UE dominiert? Messung Betrachte als Funktion der Jet-Energie – p T -Summe in der transversalen Region – Multiplizität geladener Teilchen in transversaler Region Modelle können (mehr oder weniger gut) an Daten angepasst werden. – Finale Anpassung am LHC nötig, aber schwierig. – Tieferes Verständnis des Phänomens wünschenswert. Transversale Ereignisansicht

23 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern23 Mit UE Ohne UE EXTRAPOLATION ZUM LHC … und Lernen bei HERA HERA p Photoproduktion bei HERA ist effektiv Hadron-Hadron- Streuung: Hadronischer Charakter des Photons ist einstellbar (Q 2 ) HERA idealer Ort für systematisches Verständnis! LHC Tevatron-Anpassungen liefern vollkommen verschiedene Ergebnisse bei LHC!

24 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern24 ZUSAMMENFASSUNG … ¶ HERA-Daten: Massive Erweiterung des kinema- tischen Bereichs von F 2, experimenteller Fehler 2%. Erstmals gemessen: 10 2 < Q 2 < 10 5 GeV 2, x < ¶ 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%)

25 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern25 … 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 …

26 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern26 HERA-LHC- UND LHC-D-WORKSHOPS Reiche Auswahl an QCD-Ergebnissen Proceedings des Workshops: hep-ph/ , Nächstes Treffen: Juni 2006, CERN Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

27 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern27 BACKUP

28 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern28 NICHTPERTURBATIVE EFFEKTE Abschätzung mit Monte Carlo / Power Corrections? Abschätzung der Hadronisierung mit Monte-Carlo-Generatoren: Experiment: Teilchen Theorie: Partonen Power Corrections und universeller Parameter 0 : (GeV) Power Corrections (GeV) MC Partonen Hadronen Beide Ansätze funktionieren gut.

29 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern29 EVENT SHAPES BEI LEP UND HERA Anwendung der Power Corrections und der Resummierung

30 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern30 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)

31 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern31 S AUS JETS AM LHC Ist 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-E T. Die Theorie zeigt deutliche Abhängigkeit von S. Auch die PDF-Abhängigkeit ist sehr gross (einige Prozent).

32 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern32 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-ModellenMit Power Corrections Mittelwerte der Event Shapes. Beide Ansätze scheinen vergleichbar gut zu funktionieren.

33 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern33 LEP, HERA, TEVATRON, LHC Die Werkzeuge

34 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern34 EXPERIMENTE CDF/TEVATRON (D0) ZEUS/HERA (H1) OPAL/LEP (ALEPH,L3,D ELPHI) ATLAS/LHC (CMS)

35 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern35 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!

36 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern36 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!

37 Dortmund, TSS: QCD-Tests an Beschleunigern37 ZUSAMMENFASSUNG ¶ Erweiterung des kinematischen Bereichs von F 2, 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...


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