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Einige Aspekte der QCD BEI HERA und was man dabei lernen kann Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg Bonn, 11. Mai 2006.

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1 Einige Aspekte der QCD BEI HERA und was man dabei lernen kann Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg Bonn, 11. Mai 2006

2 TSS: QCD bei HERA2/30 ÜBERSICHT ¶ HERA UND ZEUS Vorbereitet auf Unvorhersehbares? ¶ QCD BEI HERA Konsequenzen für LHC? ¶ ES TUT SICH WAS!, GROSSE FRAGEN Wo werden wir in 10 Jahren stehen? ¶ AUSBLICK – Auch ein altes Experiment ist noch spannend – LHC kann von der HERA-Erfahrung profitieren Datennahme, Detektor(weiter)entwickung, unerwartete Probleme, Trigger … F 2, Partonverteilungen, Jets, Kopplung S, Was lernen wir für die Zukunft (LHC)? NLO+PS, resolved, Parton-Dynamik, … R. Klanner und TSS, Physik Journal, Mai 2006, 41

3 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA3/30 Ideen/TODOS NLO+PS einbauen und Referenz Irgendwie zum Atlas-Trigger kommen und Referenz (am Anfang, wenn es um Flexivilitaet geht …) Doktorarbeitsplots Neues Paper-Plots NLOLIB-Plots Praezision vergleichen udn sagen, dass nicht so gut wie z.B. AFB ;-) … Brotund butter: –F2 (nicht so wichitg, aber PDFs, NNLO) –Jets und E-Skala alphas, uncertainty, bumps, contact interactions … –Jets und alphas (unification) –Jet-Algos, … QCD dann: –Frameworks wie NLOLIB –Jets in den Fits –NLO+PS etc. und hoehere ORdnungen –(Resolved) –Partondynamik und forward physics Wieviele CAL-Kanaele hat ATLAS?

4 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA4/30 HERA UND ZEUS ep-Kollisionen bei s = 318 GeV

5 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA5/30 ep-STREUUNG BEI HERA … in niedrigster Ordnung der QCD,Z,W k Lepton (e ± ) Proton P k(e ±, ) p=xP Q 2 =-q 2 =-(k-k) 2 y=1-E/E: Inelastizität Q 2 : Virtualität Auflösung ~1/Q Bei gegebenem s sind nur zwei Variablen unabhängig: Q 2 = s·x·y x=Q 2 /2Pq: Protonimpulsanteil E e = 27.5 GeV E p = 920 GeV s = 4E e E p ~ 318 GeV

6 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA6/30 DAS ZEUS-EXPERIMENT … es läuft und läuft und … entwickelt sich weiter … Das Experiment braucht mehr und mehr Pflege. Microvertex-Detektor Erste Erträge (schwere Quarks). 6m-Tagger fängt an beizutragen: - Luminositätsbestimmung - F L -Bestimmung Aufgerüsteter Vorwärts -Tracker STT Arbeitspferd Uran- Kalorimeter

7 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA7/30 URAN-SZINTILLATOR-KALORIMETER kompensierend, gute hadronische Energieauflösung FCAL-Modul mit 23 Towern mit je 12 PMTs. 23 (32) Module in F/RCAL (BCAL). Signalerzeugung durch Schauer- entwicklung in Szintillator, Uran Kanäle (H1: 45000, ATLAS: ) - Ca. 240 tot (vormals 360!) - E /E~0.18/ E für Elektronen - E /E~0.35/ E für Hadronen - Aber alte Stecker/Kabel, lose Ver- bindungen, Detektor als Mülleimer Koordination 2004/2005.

8 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA8/30 STT – DER STRAW-TUBE-TRACKER … liefert nach langer Auszeit (Kühlung!) Daten! Temperaturmodell des inneren Detektors ohne/mit zusätzlicher Kühlung ohne wird Belastung der Spule zu gross ( T=23 0, jetzt 6 0 )! Temperaturverhaltem jetzt zeitlich stabil Ende m Kupfer- Kühlschlangen eingebaut

9 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA9/30 6m-TAGGER Nutzen für die longitudinale Strukturfunktion F L. Proposal to PRC April 2006 Ziele: – Bestimmung der Akzeptanz des Lumi-Systems – Bestimmung des Photoproduktionsuntergrundes in tiefunelastischer Streuung besondere Bedeutung für Messung der longitudinalen Strukturfunktion FL bei hohen Inelastizitäten y. – keine/kaum Rekonstruktions- und Simulationscode vorhanden. – keine Effizienz/Akzeptanzabschätzung – Akzeptanzbestimmung manuell mit Matrixformalismus – in etwa Reproduktion alter Simulationsergebnisse zur Akzeptanz Probleme: Ansatz:

10 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA10/30 HERA-PERFORMANCE Das HERA-II-Programm ist ein Erfolg! - Grob 5-fache Luminosität (bezogen auf HERA-I) – Upgrade-Ziel erreicht. - integrierte Luminosität: Ca. 150 pb -1 HERA-II-Daten auf Band. - Derzeit bis zu 5 pb -1 pro Woche. Durchschnittliche ZEUS-Effizienz ca. 75% (40-90%).

11 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA11/30 HERA-PERFORMANCE Wir erreichen 5*10 31 cm -2 s -1 !!

12 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA12/30 ZEUS LEIDET UNTER UNTERGRUND Bedrohung für zentralen Tracker, Problem für Datennahme Typische Füll-Situation mit Proton-Spikes (dunkelgrün) und Tracker-Trips (rot). Zahl der Tracker-Trips als Funktion des Tages. HERA kann nicht immer gute und stabile Strahlen bereitstellen. Run Coordinator seit Anfang 2005

13 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA13/30 FLEXIBLER TRIGGER IST WICHTIG! Was kann man z.B. für ATLAS lernen? Selection2·10 33 cm -2 s cm -2 s -1 MU6(20?) (20)23 (3?)4.0 2MU6--- (1?)1.0 EM25i (30) EM15i (20)25.0 J200 (290)0.2 3J90 (130)0.2 4J65 (90)0.2 J60+xE60 (100) TAU25+xE MU10+EM15i others5.0 total~ 44 (25?)~ 40 Prinzip größtmöglicher Inklusivität gefährlich, weil anfällig für Noise und Untergrund? TSS, Mod.Phys.Lett. A18 (2003) 2149 RoI-(Region-of-Interest)-Konzept sinnvoll – wieviel topologische Information nutzbar im CAL auf Level1 mit neuesten FPGAs?)

14 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA14/30 FEUER BEI ZEUS ! … und auch sonst ist es nicht langweilig Seit Antritt als einer von vier Run Coordinatoren Anfang 05: ein Feuer nahe am Experiment mehrere Evakuierungsalarme Gas-Alarms, … Vorbereitet auf Unvorhersehbares?

15 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA15/30 ÜBERSICHT ¶ HERA UND ZEUS Vorbereitet auf Unvorhersehbares? ¶ QCD BEI HERA Konsequenzen für LHC? ¶ ES TUT SICH WAS!, GROSSE FRAGEN Wo werden wir in 10 Jahren stehen? ¶ AUSBLICK – Auch ein altes Experiment ist noch spannend – LHC kann von der HERA-Erfahrung profitieren Datennahme, Detektor(weiter)entwickung, unerwartete Probleme, Trigger … F 2, Partonverteilungen, Jets, Kopplung S, Was lernen wir für die Zukunft (LHC)? NLO+PS, resolved, Parton-Dynamik, …

16 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA16/30 DIE STRUKTURFUNKTION F 2 Präzisions-QCD bei HERA Gute Beschreibung der Daten großer Erfolg QCD bei HERA ist Präzisionsphysik! (Partonverteilungen f i, Ladungen q i ) Photonimpuls q (Q 2 = -q 2 ) Impulsbruchteil x q e±e± e±e± Proton Inklusive Messung: Winkel, Energie QCD-KopplungStrukturfunktionGluon-Dichte

17 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA17/30 PARTONVERTEILUNGEN und ihre Unsicherheiten ¶ 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 (HERA) wichtig für Entdeckungen + Interpretation bei LHC! Q 2 = 200 GeV 2 : Fehler 10%, Reicht das, um Essenz des Higgs- Mechanismus zu bestätigen ( tH ~m t )?

18 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA18/30 JET-PHYSIK BEI HERA pQCD, Partonverteilungen, Kopplung S, … Wirkungs- querschnitte – Untersuchung der unterliegenden Eichgruppe – Starke Kopplung. – Partonverteilungen und ihre Universalität. – Faktorisierung in weiche/harte Anteile der Wechselwirkung – Vorhersagen der perturbativen QCD (– Unabhängigkeit vom Typ des ausgetauschten Bosons) (– Partondynamik im Proton (DGLAP versus BFKL)) Perturbative QCD, kollineare Faktorisierung: Tests Theorie nur in nächst- führender Ordnung (NLO, Parton-Niveau ohne Parton- schauer) oft von theo. Unsicherheit dominiert! Fehler oft von Theorie dominiert; hervorragendes Verständnis der Jet-Energieskala (1-3%)!

19 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA19/30 JET-PHYSIK: QCD-TESTS I Spin der Teilchen, Farbfaktoren ¶ QCD: DIE effektive Theorie der starken Wechselwirkung. ¶ Aber sehen wir wirklich SU(3) C ? – nicht-abelsch 3-Gluon vertex? – Spin-1/2 (1) Quarks (gluonen)? – Farbfaktoren? ¶ Einige Tests von Spin, Farbfaktoren in e+e– and ep: Quark-Propagator Gluon-Prop. Scheinbar QCD! Starke WW von SU(3) C beschrieben!

20 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA20/30 JET-PHYSIK: QCD-TESTS II Wirkungsquerschnitte - Beispiele ZEUS Collab., DIS06. H1 Collab., PLB XXXXX (2002) Über weite Bereiche beschreibt QCD in NLO die Daten hervorragend! Faktorisierung, perturbative QCD, Universalität der PDFs – alles gut! Inklusive Jets bei niedrigen Q 2 -Werten, 5 < Q 2 < 100 GeV 2 Dijets bei hohen Q 2 -Werten, Q 2 > 125 GeV 2

21 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA21/30 BEDEUTUNG VON JETS für LHC Hier erwaehnen: - QCD-Untergrund fuer alle Suchen - Erinnerung an Aufregung bei High-ET-Bump vor einigen Jahre neue Signaturen in Bumps in Jet-Spektren? - irgendein Plot? Mini black holes Bild?

22 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA22/30 JET-PHYSIK: QCD-TESTS III Bestimmungen der starken Kopplung 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) ¶ konsistente Einzelmessungen in vielen Prozessen. ¶ Laufen der Kopplung wird von QCD beschrieben. ¶ HERA-Messungen: vergleichbare Genauigkeit.

23 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA23/30 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

24 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA24/30 ÜBERSICHT ¶ HERA UND ZEUS Vorbereitet auf Unvorhersehbares? ¶ QCD BEI HERA Konsequenzen für LHC? ¶ ES TUT SICH WAS!, GROSSE FRAGEN Wo werden wir in 10 Jahren stehen? ¶ AUSBLICK – Auch ein altes Experiment ist noch spannend – LHC kann von der HERA-Erfahrung profitieren Datennahme, Detektor(weiter)entwickung, unerwartete Probleme, Trigger … F 2, Partonverteilungen, Jets, Kopplung S, Was lernen wir für die Zukunft (LHC)? NLO+PS, resolved, Parton-Dynamik, …

25 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA25/30 EVENT SHAPES mit Resummation (NLL) und Power corrections Thrust- Verteilung Bestimmung von 0, S. Funktionieren PCs generell? Wurden theoretische Fehler unterschätzt? Anwendbarkat auf Hadron-Hadron-Maschinen? Alternativer Beschreibung der nichtperturbativen Hadronisierung. Hängen nur von universellem Parameter 0 ab: Power corrections Einheitliches Bild? Unklar!

26 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA26/30 I. Borjanovic et al., hep-ex/ R Cluster UE UNDERLYING EVENTS (UE) +mehrfache Wechselwirkungen (Multiple Interactions) m t [GeV] UE ist großer Effekt! Wichtig für: – m top -Cross-Checks (Bild). – Jede Jet-Physik – als Effekt an sich. Tests / Anpassung der Parameter bei Tevatron und HERA. UE ist die Summe von – Remnant-Remnant-WW – weicher Strahlung – mehrfachen Kollisionen Nicht perturbativ zugänglich!

27 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA27/30 MODELL-ANPASSUNG z.B. an p T -Summen in transversaler Region – Summe der Impulse in transversaler Region – Modelle in etwa an Daten angepasst. – Extrapolation zum LHC scheitert deutlich – Tieferes Verständnis des Phänomens nötig. Tevatron LHC HERA p Photoproduktion bei HERA ist effektiv Hadron-Hadron- Streuung: Hadronischer Charakter des Photons ist einstellbar (Q 2 ) HERA idealer Ort für systematisches Verständnis!

28 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA28/30 Mit UE Ohne UE ERFAHRUNGEN BEI HERA Parameter-Anpassung und neue Ideen(?) Schon ältere Analysen (4-jet- Ereignisse in Photoproduktion) zeigten/quantifizierten UE-Bedarf. Neue 3-Jet-Analyse in Photoproduktion untersucht relevante Parameter und initiiert Diskussion mit Theoretikern! ZEUS Collab., DIS06

29 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA29/30 THEORIE-FRAMEWORKS Wichtig für effiziente Vergleiche Theorie-Daten Idee Vereinheitliche Zugang zu verschiedenen MC-Programmen oder NLO-Rechnungen einfacherer Abgleich Daten-Theorie Beispiele HZTOOL (MC-Programme für Physik bei HERA) JetWeb: Web-basierter Zugang zu verschiedenen MCs. NLOLIB: NLO-Rechnungen für ee, ep, pp. NLOLIB DISENT, JetViP (Jets in DIS, bald DISASTER++, MEPJET). RacoonWW (4f-Prozesse in ee) NLOJET (Jet-Production in pp) bald: FMNR (Photoproduktion schwerer Quarks in ep) K.Rabbertz und TSS, Proceedings des HERA-LHC-Workshops Zugang zu verschiedenen Rechnungen zu einer Analyse drastisch vereinfacht!

30 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA30/30 PARTON EVOLUTION SCHEMES The `forward jet question 17 - Tighter cuts than H1 same statistics from 72pb -1. R =Q < Q 2 < 100 GeV 2. only 1997 data, 13.7pb -1, 5 5 GeV All models below the data at low x; CDM and MC `dir+res best non-k t -ordered contribution mimicking BFKL, or higher orders? First distinction between dir+res MC and CDM if require additional dijet system: only CDM works. H1 New ZEUS No new experimental conclusions. Theory (Sassot et al.): Kinematics!

31 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA31/30 JETS UND PARTONVERTEILUNGEN Zugang zur Gluondichte bei hohen x mit Jets Benutzung von Jet-Daten in ZEUS- Fits verbessert Gluondichte drastisch! s s Die Gluondichte xg(x) ist bei hohen x im wesentlichen unbekannt (Summenregeln, Tevatron-Jets) Jet-Daten haben Zugang zur Gluon- dichte bei hohen x (Boson-Gluon- Fusion): x ZEUS Collab., XXXX HEUTE Ende 2007

32 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA32/30 NEUES AUS DER THEORIE … hinkt bei HERA dem Experiment hinterher … Viele QCD-Messungen sind theoretisch limitiert (NLO!) - Kopplung S, Jetwirkungsquerschnitte, … Problem Fortschritt – Rechnungen mit höheren Ordnungen da oder greifbar nahe. - 2-Loop-Splitting-Funktionen (F 2 in NNLO) existieren! - NNLO für Jets bald? (Problem: Matching der Beiträge) – Kombination von NLO-Rechnungen mit Partonschauer- Algorithmen ist gross in Mode: - korrekte Beschreibung harter und weicher Prozesse in EINER Rechnung! - Problem 1: Negativer Gewichte in Partonschauern? - Problem 2: Vermeidung von Doppel-Zählungen von Gewichten? – Resummationsrechnungen z.B. für Event shapes bei HERA B. Pötter und TSS PLB XXXXX Leider Viele Fortschritte in e + e – (leicht) oder pp (wichtig). – Vieles gar nicht / verzögert für HERA gerechnet – Schade, weil daraus resultierender Gewinn auch wichtig z.B. für LHC (PDFs, Partondynamik, …)

33 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA33/30 ZUSAMMENFASSUNG Fehlt noch …

34 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA34/30 BACKUP

35 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA35/30 DIJETS IN PHOTOPRODUCTION In principle access to photon PDF. Selection: – 39pb -1 from 1996/97. – E T > 14 (11) GeV – separation power between different photon PDFs! Highest sensitivity at low E T subtraction of underlying event – but great model dependence! Compare to NLO calculations and exploit sensitivity to structure via x (gluon!) Aim: Problem: We need a dedicated study of the underlying event at HERA!

36 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA36/30 JET PHYSICS: UNDERLYING EVENT?

37 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA37/30 JET PHYSICS: BASICS II Algorithms, reference frames, theory, uncertainties, EFOs Jet algos / correction Almost exclusively longitudinally invariant k T in the inclusive mode (in Breit frame for DIS). Applied to energy flow objects or calorimeter objects. Current uncertainty on hadronic energy scale: 1-3% Correction for dead material etc. in individual analysis. Theory DGLAP-based NLO calculations for 1/2/3 jets in DIS (2 jets in photoproduction). Data correction for detector/QED/hadronisation effects done with LO MC programs. Consistency? Looking forward to NLO+PS programs Uncertain- ties Mostly now dominated by theoretical uncertainties. - Only NLO theory estimate effect by varying renormalization scale. - PDF uncertainties not negligible. Uncertainty on coupling? jet energy scale 1-3% 10-15% in Xsection. Statistics is not the critical item. Progress in systematics?

38 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA38/30 OVERVIEW ¶ INTRODUCTION ¶ BASIC JET PHYSICS AT ZEUS (HERA I) Tests of perturbative QCD with jets Determinations of the strong coupling with jets Contributions to PDF determinations from jets ¶ MORE DETAILED STUDIES ¶ CONCLUSIONS AND OUTLOOK

39 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA39/30 INCLUSIVE JET CROSS-SECTIONS (DIS) `Simple measurement – take PDFs/ S as given Tests – factorisation – pQCD, – PDF universality Selection – ~80pb -1 from – GeV (Breit)

40 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA40/30 INCLUSIVE JET CROSS-SECTIONS (DIS) Also double-differentially, comparison to NLO

41 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA41/30 DI / TRIJETS IN DIS Testing higher orders in pQCD Selection – ~80pb -1 from – E T > 5 GeV (Breit) – GeV In ratio of dijets to trijets some uncertainties cancel out (lumi, partly energy scales, etc.) Nice possibility to extract S !

42 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA42/30 EXTRACTION OF S Typically done using interpolation Dependence of cross-section on s (M Z ) in each bin from NLO pQCD with different input s (M Z ) values. for example with MRST or CTEQ4 (3/5 different s values, to 0.122). Use function to map measured cross-section to value of s (M Z ). Functional dependence on s (M Z ) then approximated by -- A i, B i determined in fit. Input: Parame- trisation: Result:

43 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA43/30 S FROM INCLUSIVE, 2, 3 JETS Theory starting to dominate measurement World average: s (M Z ) = H1 inclusive jets: s (M Z ) = (exp) (theo) ZEUS inclusive jets: s (M Z ) = (exp) (theo) ZEUS R 3/2 : s (M Z ) = (stat) (exp) (theo)

44 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA44/30 SUMMARY ON HERA S (C. Clasman) HERA : S (M Z )=0.1186±0.0011(exp.)±0.0050(th.) (only NLO) Bethke: S (M Z )=0.1182±0.0027(all NNLO) Nice demon- strating of running in HERA data. Consistency of all results is an important check!

45 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA45/30 ACCESS TO PDFs WITH JETS Hope: Improve gx(x,Q 2 ) at high values of x s s Uncertainties are very large: – 15% at x=0.3, – 200% at x=0.5. Problem Gluon density xg(x) at high x basically unknown – constrained only by momentum sum rules and Tevatron jets with large E T. Idea Jet data provide access to high x gluon via BGF process. Problems … exploiting this feature: … Many … QCDCBGF

46 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA46/30 ACCESS TO PDFs WITH JETS Reminder: Thesis M. Wobisch (2000), xg(x) from jets

47 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA47/30 – from integration of PDF and hard scattering matrix element – to multiplication of constant PDF and tabulated and summation over all bins of x and f. 0.01s for NLO !!!!! Divide phase-space in small x- f bins. Remove `constant PDF bit from integration in each bin, integrate the in each bin for once and for good and store the integrated values in ASCII table. METHOD How to get jets NLO in <1s? Assumption PDFs are approx. flat in small bins of x and f. Problem Evaluation of NLO jet cross-sections: 8 hours for 50M events. PDF fit requires O(1000) evaluations PROBLEM! Simplification Flat! Table!

48 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA48/30 THE METHOD WORKS for DIS, photoproduction, heavy flavours, Tevatron … Comparison of normal NLO calculation with NLO cross- sections calculated with the formulae on the slide before. ZEUS inclusive jets. D0 inclusive jets.

49 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA49/30 INPUT DATA in addition to F 2 Photo- production dijets High-Q 2 inclusive jets

50 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA50/30 EFFECT ON STRONG COUPLING Very much constrained by jets data Strong correlation between s and the gluon density for in- clusive F 2 data large increase in gluon uncertainty when s free! Jet cross sections directly sensitive to s via *g qqbar (coupled to gluon) and via *q qg (NOT coupled to gluon) s NOT as strongly correlated to gluon F 2 + jets F 2 + alone

51 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA51/30 OVERVIEW ¶ INTRODUCTION ¶ BASIC JET PHYSICS AT ZEUS ¶ MORE DETAILED STUDIES Parton evolution in the proton Transition from photoproduction to DIS More selected topics from jet physics Event-shapes and charged multiplicities ¶ CONCLUSIONS AND OUTLOOK

52 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA52/30 PARTON EVOLUTION SCHEMES The `forward jet question DGLAP approximation resumming terms lnQ 2 for parton evolution works very well for most of HERA regime (F 2 !) DGLAP: k T ordering! BFKL: x ordering! k T large x large forward region: > 2 (close to proton) jet E T 2 ~ Q 2 (suppressed in DGLAP) large x jet =E jet /E proton (realized in BFKL) Breakdown expected at very low x! Can we distinguish the onset of BFKL-like evolution in ln1/x? forward jets. Starting point Question Forward jets Design phase-space to suppress DGLAP and enhance BFKL: All results so far: Problems at low x! But not firm conclusions drawn: -- NNLO terms missing? -- Resolved contribution? -- BFKL evolution scheme? -- pure kinematics?

53 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA53/30 FROM PHOTOPRODUCTION TO DIS The transition region and its problems x =1 direct x <1 resolved Resolved relevant even if Q 2 >100 GeV 2. Scales? p NLO, MC+PS+res okay! Quantify amount of resolved as function of Q 2 and E T with R= res / dir. For E T 2 >Q 2 parton resolves structure of photon Resolved Aim Results No NLO theory for resolved in DIS! JetViP (Pötter) has problems.

54 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA54/30 COLOR DYNAMICS IN JET EVENTS Testing the underlying gauge group (SU(3) C ) like LEP 23 : angle between two lowest- energy jets in 3-jet events! Sensitivity to different contributions hope to test gauge structure! Investigate color dynamics and underlying gauge group using QCD color factors C F, C A, and T F. At LO 3jet Xsection sensitive to various color factor combinations: CF2CF2 CFCACFCA CFTFCFTF TFCATFCA Aim

55 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA55/30 COLOR DYNAMICS IN JET EVENTS in DIS and photoproduction SU(3) favoured, but U(1) 3 not excluded! DIS: 1015 events p: 2233 events DIS: 82 pb -1, Q 2 > 125 GeV 2, E T > 8 / 5 GeV, 3 jets. Photoproduction: all HERA I (127pb -1 ), E T > 14 GeV, 3 jets.

56 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA56/30 SUBJET DISTRIBUTIONS in high Q 2 DIS – study QCD radiation pattern / jet structure - Study QCD radiation pattern using LL MC models and fixed order QCD calculations. - Use high-ET jets to minimise fragmentation etc. effetcs test structure of radiaton implemented in NLO pQCD. Test variables E T sub /E T jet, sub - jet,| sub - jet | and orientation of subjets in - space with respect to proton beam. Increasing y cut Aim Define subjets by applying k algo to objects of one jet as function of distance measure d cut =y cut ·E T 2. Chosen here: Jets with two subjets at y cut =0.05 (hadronisation)! Method Note for experts: Running NLO O( S 2 ) in lab frame jets with 3partons from fixed-order calculation!

57 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA57/30 SUBJET DISTRIBUTIONS in high Q 2 DIS – study QCD radiation pattern / jet structure All distributions nicely described by NLO QCD within 10% radiation pattern understood / correctly implemented! Selection – ~80pb -1 from – Q 2 > 125 GeV 2 – E T > 14 GeV (Lab) - ratio of subjet E T to jet E T. - 2 entries per jet. - trend towards similar energies

58 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA58/30 INTERJET ENERGY FLOW in photoproduction dijet events with large rapidity gaps Normally lots of activity between two jets color connection. Events with little activity between jets: study color singlet exchange in pQCD regime (high E T !) pomeron gap Idea Compare to MC models with(out) color singlet (CS) contribution: -- PYTHIA: high-t- exchange (MPI); -- Herwig: BFKL-Pomeron (JIMMY) added to dir+res. Globally 3-4% CS exchange needed to account for small E t gap cross- section. Amount depends on rapidity separation of jets (up to 50%). Result

59 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA59/30 INTERJET ENERGY FLOW in photoproduction dijet events with large rapidity gaps Fraction of events with rapidity gap energy below cut value as function of gap width. For low cut values data and CS contribution level out at higher values of gap width! – non-CS contributions fall off exponentially

60 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA60/30 EVENT SHAPES: MEANS as a means to test power corrections (in high Q 2 >80 GeV 2 ) Idea Alternative way to describe non- pert. hadronisation corrections to event shapes. PC depend on one universal parameter 0. Example: Thrust (long. collimation) PC approach works for means … … but fit to S and 0 difficult.

61 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA61/30 CHARGED MULTIPLICITIES At LEP, Tevatron and HERA Expectation: – The current region in the Breit reference frame looks like a e + e - hemisphere. – LEP and Tevatron find the same dependence of multiplicity on available energy. – What does HERA observe? Naively: Q~ s ee. Analysis: – 39pb -1 from 96/97. – Q 2 > 25 GeV 2, – tracks with p T > 150 MeV – use 2E curr instead of Q. – Multiply mean charged multiplicity by 2 for HERA comparison with LEP. Result: – HERA exhibits same energy dependence as LEP and Tevatron. Mean charged multiplicity.

62 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA62/30 CONCLUSION AND OUTLOOK HERA is a great machine for QCD! HERA ZEUS – Aim of lumi upgrade reached: 5-times higher lumi than HERA I – Hoping to get 700pb -1 on tape before shutdown in – Experiments and machine getting a bit old … need lot of caretaking. HERA – HERA is an ideal laboratory which allows to adjust the parameters with which one wants to investigate QCD. – HERA contributing significantly to - tests of pQCD (factorisation, PDF universality). - determinations of QCD parameters (PDFs, S ). - tests of theories / models (PC, BFKL, …) Future – More statistics will allow for higher precision and thus better insight into QCD in few places.. – Theoretical progress might improve our understanding of some problematic aspects of QCD – Hopefully more insight into difficult subjects like parton evolution, DIS-photoproduction transition, …. And input for LHC!

63 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA63/30 EVENTS IN ZEUS … our event display

64 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA64/30 URANIUM-SCINTILLATOR CALORIMETER provides good control on beam, timing … Momentum distribution. F/B/RCAL timing. Imbalance between left and right PMT for each EMC FCAL cell.

65 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA65/30 ENERGY FLOW OBJECTS IN ZEUS Combining tracks and calorimeter information Idea Make best use of both detectors calorimeter at high momenta, tracker at low momenta. Result Resolution in p T,h and (E-p z ) h. improves by 20%. Method Combine cells to cone islands. Match tracks to islands. Decide which information to use.

66 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA66/30 JET ENERGY CORRECTIONS to account for mis/non-measurements Idea Detector effects lead to mis- measurements of jet energies: Use MC simulation to estimate the effect and derive corrections. Method Fit straight lines to detector-versus-hadron distributions (differentially in !, possibly several bins in E T ). derive slope b and offset m and correct E T : offset ~1,slope ~0.8. offset ~0.1,slope ~0.98.

67 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA67/30 EVENT CORRECTIONS to account for detector/QED/Z 0 effects Data detektor akzeptance, efficiency Comparison NLO QED running, radiation Z 0 exchange hadroni- sation

68 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA68/30 INCLUSIVE JET CROSS-SECTIONS (DIS) versus 1996/97 – As expected increase from 96/97 to at high E T and Q 2. – Change described by NLO everything consistent.

69 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA69/30 TRIJETS IN DIS Testing higher orders in pQCD Selection – ~80pb -1 from E T > 5 GeV (Breit) – GeV

70 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA70/30 TRI- AND DIJETS IN DIS in the same phase-space. Idea: In ratio of dijets to trijets some uncertainties cancel out (lumi, partly energy scales, etc.) Theory: Nice possibility to extract the strong coupling with rather small uncertainties!

71 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA71/30 S FROM INCLUSIVE JETS Theory starting to dominate measurement World average: s (M Z ) = H1 inclusive jets: s (M Z ) = (exp) (theo) ZEUS inclusive jets: s (M Z ) = (exp) (theo)

72 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA72/30 S FROM THE RATIO R 3/2. Cancellation of some uncertainties ZEUS R 3/2 : s (M Z ) = (stat) (exp) (theo)

73 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA73/30 SUMMARY ON S FROM ZEUS (C. Clasman)

74 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA74/30 RESULTS Massive reduction in gluon density uncertainty

75 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA75/30 EFFECT ON STRONG COUPLING Very much constrained by jets data

76 Bonn, 11. Mai 2006TSS: QCD bei HERA76/30 PHOTON PDF FROM DIJETS … just to point out the problems … Low E T jets (6 GeV) are sensitive to the gluon content in the photon. Large contributions from underlying events subtraction procedure. Size of correction depends on model! large uncertainties! Gluon density in the photon as extracted from H1 dijet p data. Agreement with other determinations; very large errors.


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