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.

TSS: QCD-Tests an Beschleunigern ÜBERSICHT Schwerpunkt: neuere Ergebnisse zur perturbativen QCD an Beschleunigern. ¶ 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 Bei Proton als QCD-Labor Saschas vortrag am Freitag erwaehnen: Mehr technische Details etc. Sagen, dass Spin schwierig … weniger Praezision … u.a. deshalb nicht dabei … QCD ist mittlerweile die akzeptierte (effektive ) Theorie der starken WW  nicht mehr um Tests kuemmern, ob es QCD SU3 ist oder nicht … … 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 Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

FREUD UND LEID DER QCD Z. B FREUD UND LEID DER QCD Z.B. Zweijet-Prozess bei HERA in führender Ordnung Gestreutes Elektron Elektron Boson (,Z,W) Gestreutes Parton Harte Abstrahlung Kopplung S(R) Sagen, dass das Bild relativ einfach aussieht. Energieskala R (Renormierungsskala) Proton Protonrest Das Standardbild der perturbativen QCD. Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

FREUD UND LEID DER QCD Faktorisierung der Probleme. Hadroni-sierung Parton- schauer (weiche) QCD-Strahlung Stabile Teilchen Zahlreiche nicht-perturbative Effekte erweitern das Bild! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

FAKTORISIERUNG Partonischer Wirkungsquerschnitt (“Matrix-Element”) Harte Wechselwirkung (Parton-Wirkungsquer- schnitt, Matrix-Element) Renormierungsskala R Partonischer Querschnitt haengt auch von kinematik, x, etc. ab. Wort “Faktoisierung” benuzten, faktorisiert, statt zerlegt etc. Der Wirkungsquerschnitt der harten Wechselwirkung ist in perturbativer QCD berechenbar. Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

FAKTORISIERUNG Partonverteilungsfunktionen PDF: fi(F) Trennung perturbativer – nichtperturbativer Anteile … … koennen dan aber evolviert werden von niedriger Startskala zu hohen Skalen, falls x-Vertelung bei Q20 bekannt (DGLAP) Auf dem Gitter geht das aber schon, und im Grunde gibt das der Lagrangian natuerlich auch her – aber eben nicht in pQCD! Natuerlich haengen auch die f_I noch von x ab … Partonverteilung (PDF) summiert “weiche” Anteile der QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F. Faktorisierungs- skala F Partonverteilungen sind in pQCD nicht a priori berechenbar; Messungen bei niedrigen Skalen F werden mit Evolutionsgleichungen (z.B. DGLAP) zu höheren Skalen evolviert. Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

FAKTORISIERUNG Jet-Algorithmus. Jet-Algorithmus summiert Effekte weicher QCD- Strahlung im Partonschauer auf PDF: fi(F) Dient dazu, Zugang zu Partonen der harten Wechselwirkung zu erhalten. Erwaehnen, was die Summe in der Formel ist. Berechnung von Wirkungsquerschnitten: Faltung der Parton-verteilungen mit hartem Wirkungsquerschnitt: Faktorisierung! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

PERTURBATIVE QCD und Reihenentwicklung der harten Wechselwirkung “Harte” Abstrahlungen und virtuelle Korrekturen führen zu Matrix-Elementen höherer Ordnungen proportional zu Sn. Störungs- reihe in S Laufende Kopplung S(R) in niedrigster Ordnung Der Wirkungsquerschnitt ergibt sich aus der Summe der Ordnungen: Sagen, dass hoehere Ordnungen Abhaengigkeit von (willkuerlichem?) mur vermindern … Hier nur reelle Korrekturen gezeigt, und Ordnungsangabe bezieht sich auf die Zweijet-Produktion bei HERA. 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 Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

DAS PROTON ALS “QCD-LABOR” Erforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten Tiefunelastische Streuung (DIS) “Inklusive Messung” von Winkel und Energie des gestreuten Elektrons liefert x und Q2  Bestimmung der Kinematik. Photonimpuls q (Q2 = -q2) Impulsbruchteil x q e± Proton Proportional zur Strukturfunktion F2 des Protons (elektromag- netischer Gehalt des Protons). ep-Wirkungs- querschnitt F2 ist die Parametrisierung des ep-Wirkungsquerschnitts in Einheiten des Mott-Wirkungsquerschnitts zweier Spin-1/2-Teilchen. Diese Einstellbarkeit macht HERA so einzigartig! Kontrolliertes Studium des Protons und damit der QCD. (Partonverteilungen fi, Ladungen qi) Das Auflösungsvermögen der Photon-”Sonde” kann mithilfe von Q2 eingestellt werden: Auflösung (HERA: 0.001-1fm)  Das Proton ist DAS Labor für systematische QCD-Studien! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

DIE STRUKTURFUNKTION F2 und der HERA-Beitrag ¶ Erwartung für steigendes Q2: ¶ Mehr Gluonabstrahlungen von den Valenzquarks sichtbar  bei hohen x sinkt F2 (~Quarkdichte!) ¶ Gluonen zerfallen (ggg,gqq)  bei niedrigen x steigt F2 an (Seequarks!) ¶ Beschreibung: DGLAP-Formalismus ¶ Experimentelle Genauigkeit: 2%! – Bis auf hohe x, Q2 systematisch dominiert. – HERA-Bereich: 5·10-5 < x < 0.6, 5 < Q2 < 10000 GeV2. Loesung dieses komplexen gekoppelten DGL-Systems erfordert hohe Praezision!  HERA schafft 2%. Hier im Kopf haben: Auch im linken Plot ist Information von HERA enthalten – ueber die Parametrisierung, Startverteilungen etc. Ohne HERA waere unbekannt, ob F2 ansteigt oder nicht … ohne HERA waeren die kleinen x vollkommen unbekannt! Sagen, dass das auf redundante Messung vonelektron und HFS zurueckgeht Wir haben high lumi  not stat but syst. Fehler g: 10%, u 3%, d 6% for medium x Ohne HERA waere dieser Bereich unbekannt! Maxmimales Q2 ist im Bereich der elektroschwachen Skala 10000 GeV2. Die gute Beschreibung der Daten durch die Theorie ist ein großer Erfolg der QCD – QCD ist Präzisionsphysik! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

DIE PDFs Ergebnisse verschiedener Gruppen ¶ Die verschiedenen Bestimmungen der PDFs weichen signifikant voneinander ab. Unterschiede schon in den Daten – nicht im Fit. Q2 = 200 GeV2: Fehler 10%, Q2 = 5 GeV2: Fehler 100%, ¶ Viele wichtige Kanäle bei LHC betroffen (ggH) ¶ PDF-induzierte Unsicherheit des Higgs-Wirkungs- querschnitts derzeit je 10% durch Quarks und Gluonen. Quark-Sensitivitaet durch qqVektorboson->Higgsstrahlung, auch 10% Stirling: PDFs do not agree within respective errors! Unterschied vor allem im Slope der PDFs? Reicht das, um Essenz des Higgs-Mechanismus zu bestätigen (tH~mt)? Kenntnis der PDFs wichtig für Entdeckungen + ihre Interpretation bei LHC! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

VERBESSERUNGEN ? Weitere Observablen, Kombination H1+ZEUS, … ZEUS-PDF-Fit: F2 UND Jet-Daten: kleinerer Gluon-Fehler als nur F2 ! Kombination der H1- und ZEUS-Daten reduziert Un- sicherheiten Andere Observablen “H1+ ZEUS” x Gluondichte Mit Jet-Daten Gluondichte Ziel: HERA-PDFs NNLO-PDFs sind jetzt da! Ausser Jets auch HF, photoproduction etc. Anmerkungen: Ist bei den hohen LHC-Q2 wirklich lineare evolution von DGLAP richitg? Non-linear effects? Kt factorisation? Auf der anderen Seite: DGLAP auch bei niedrigen Q2, x  alternative schemata, die log1/x resummieren, z.B. BFKL, CCFM? ¶ PDF-Fits in NNLO werden Unsicherheiten reduzieren. ¶ FL-Daten von HERA  Gluon bei kleinen x, Q2. ¶ Berücksichtigung intrinsischer kT-Effekte. Weitere Ideen HERA-Ziel: Halbierung der Fehler! - Statistik: Faktor 3-4 bis Mitte 2007! - Forward-Jet-Daten  Gluon bei hohen x - weitere Observablen (HFL, Tevatron, …) Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

QCD-TESTS MIT JETS am Beispiel von HERA Im Vergleich Daten – Theorie kann man: – PDFs extrahieren; ihre Universalität testen, – S extrahieren (siehe später), – Faktorisierung und Störungstheorie testen. Wirkungs- querschnitt Beispiel: H1 Jeder weitere Jet reduziert den Wirkungsquerschnitt grob um Faktor S (Gluon-Abstrahlung)! Unsicherheiten: 10%. Abschätzung höherer Ordnungen sind größter Beitrag. 1 Jet Reminder: Faktorisierung ist Approximation! Scale uncertainties: HERA 1-3%  5-10% LEP 3%  5-10% CDF: 5%  10-100% - LHC: ???  30% (minimum?) Jet-Algos: - kt ist coll udn infrared sicher, Prbleme in hadron hadron mit UE, MI cone: not fully canceled infrared divergencies; incl. Jets affected at NNLO. RUN2 with modpoint  additional seeds -> safe (but para Rsep arbitrary). H1-Plot: In einfachster Naeherung ist jeder weitere Jet eine weitere Partonabstrahlung und damit mit alphas unterdrueckt (dazu kommt noch der Phasenraum). Probleme erwaehnen: kleine x  DGLAP breakdown? NLO-Limitierung etc. 2 Jets Bestätigung der PDF- Universalität und der Faktorisierung auf 5-10%! QCD-Matrixelemente ver- standen. 3 Jets Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

JETS AM TEVATRON Syst. Unsicherheiten dominiert durch Energieskala! Jets am Tevatron: Beschreibung durch NLO-QCD über acht Größenordnungen! 20%-100% Unsicherheit, dominiert durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala. Erwaehnen, dass auch hoher Fehler durch PDF bei hohen Skalen (50%). Erwaehnen, dass anderer kin. Bereich als HERA  wichtig fuer PDF-Extraktion! 1fb_1 on tape. ¶ QCD kann auch diese Daten beschreiben. ¶ LHC: 30%-Effekt durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

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%. Das hier ist also der theoretische Fehler … in den Baendern nur die PDFs als Unsicherheit drin … Idee: neue physik wird Jet-Xsections modifizieren, da es Jet-Signaturen gibt  nur im Vergleich mit SM-NLO-QCD zu entdecken, falls Vorhersage genuegend praezise. Kenntnis der PDFs wichtig, um z.B. Multijet/”Multiple Interaction”-Ereignisse von “mini black holes” zu unterscheiden oder SUSY-Signaturen zu erkennen! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

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. 1016 GeV! Standard-Modell SUSY 1 = (5/3)·/cos2W 2 = /sinW 2 = S Treffen sich nicht wirklich unbedingt in einem Punkt … CDF: PDF uncertainty as large as exp. Syst (about). LHC: PDF error probably 3%, Skalen 7%  theo. Error 10% realistic (effect, not variation!)! Stenzel! Verhalten bei hohen Skalen nur durch Renormierung, Teilchenspektrum und Startwerte bei heute zugänglichen Skalen bestimmt. Zur Überprüfung ist möglichst genaue Kenntnis von S nötig! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

S: HEUTIGER STAND Fehler auf S ca. 2% (in NNLO). Fehlende höhere Ordnungen (4%)! S: HEUTIGER STAND Weltmittel (NNLO) S(MZ)=0.1187(20) [PDG] S(MZ)=0.1182(27) [Bethke] HERA-Mittel (NLO) S(MZ)=0.1186± 0.0011(exp)±0.0050(th) ¶ Viele Einzelmessungen in verschiedensten QCD- Prozessen ergeben kon- sistentes Bild! Verständnis der QCD ist ausgezeichnet! ¶ Das “Laufen” der Kopplung (rechts) wird von der QCD sehr gut beschrieben. Values bei Claudia error-weighted average, exp. Errors uncorrelated, theo errors lin. Average of H1 and ZEUS. Alphaem auf 12 Stellen, Gf auf 6 Stellen No single measurement is big leap forward, but fdetermination in many different processes is valuable confirmation. In addition, measured in many different QCD processes  QCD is doing the right thing (also factorisation etc.). CDF alphas: 5% error from jet e scale, 5 from scales, 5 from PDF, 2-3% from Rsep variation. ( I guess this is the effect). Fehler auf S ca. 2% (in NNLO). Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

PRODUKTION VON EICHBOSONEN als weiterer QCD-Test z.B. “prompte” Photonen oder Drell-Yan … Idee – Zugang zur partonischen Wechselwirkung ohne Hadronisierungskorrekturen: , Zll, Wl – Wichtiger Zugang zur Detektorkalibration: Zll,qq, Wqq’,… [ (MW)~30 MeV ! ] – Wichtig zur Luminositätsbestimmung bei LHC. H1 ZEUS similar to H1, LO MC also bad in normalisation but shape more or less okay… H1 is here photon plus jet, eta slightly worse for only photon … CDF W+jets: 13% syst. Uncertainty (jet energy scale) at >=1jet, 45% at >=4 jets. Gut fuer Lumi bei LHC: expected exp. Uncertainty on W, Z production: 2%! Erwaehnen, dass auch hier PDFs wesentlich eingehen – mit Kenntnis von HERA ca. 3-4%. Prompte Photonen Theorie in NLO W+Jets, Theorie in LO Auch hier funktioniert QCD sehr gut. Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

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) Z-Produktion für verschiedene PDFs: PDF8%. W/Z-Ratio für verschiedene PDFs: PDF3%. Rapidität Vorischt: z.B> in Z’/Z-Ratio canceln zwar viele Unsicherheiten, aber unterschiedlicher x-Range? Kleiner Effekt bei Fit auf PDF parameter: nur lambda_G wird halbiert … Estimated experimental uncertainty on W,Z production at LHC 2%! Central production of W,Z,H  x=0.006  interessant! W+/W- ratio at LHC has PDF error von about 1.4%  best xsection determination at LHC!!!!! Higgs errors: PDF in NLO 2-3% missing higher orders 8%! Verhältnisse von Wirkungsquerschnitten reduzieren Unsicherheiten – Luminosität, Energieskalen, Akzeptanz – QCD-Skalen, PDFs. – geringer Einfluss auf PDF-Bestimmung – Wichtig für Luminositätsbestimmung Rapidität Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

TSS: QCD-Tests an Beschleunigern “UNDERLYING EVENTS” (UE) +mehrfache Wechselwirkungen (“Multiple Interactions”) Nicht pile-up – das haent von Lumi ab … Abhängigkeit von Behandlung weicher Wechselwirkungen, PDFs, Faktorisierung etc. … “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. Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

RELEVANZ BEI LHC z.B. Bestimmung der Top-Masse in tWbqq’b3Jets Bestimmung 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! Idee I. Borjanovic et al., hep-ex/0403021 UE ist ein potentiell großer Effekt! mt [GeV] 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? UE Top nicht nur fuer sich sondern auch als Background zu Higgs? Z.B. wichtig auch fuer Diffraktion, forward Physics etc. Analyse hier: single lepton plus jets with top at high momentum > 200 GeV. one top hadronic and one leptonic t->Wb->jjb and lnub. high pt so both tops in different hemispheres, and decay products of hadronic top close in phase space  no jet algo but large cone. Top direction either opposite to leoptonic top or from invariant mass direction of three jets … Vergleich mit heutigem Top-Fehler von 2.7 GeV bei CDF im Jets+Lepton-Kanal! Huge Effekt! Kenntnis und Verständnis des “UE” – interessant an sich, – wichtig für top-Messungen, – wichtig für alle QCD-Messungen. RCluster Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

MODELL-ANPASSUNG AM TEVATRON Anpassung z.B. an pT-Summen Betrachte Ereignis “weit weg” von der harten Physik – von harten Jets; Definiere die “transversale” Richtung: 90o in  relativ zum Jet versetzt  von “UE” dominiert? Idee Betrachte als Funktion der Jet-Energie – pT-Summe in der transversalen Region – Multiplizität geladener Teilchen in transversaler Region Transversale Ereignisansicht Messung Modelle können (mehr oder weniger gut) an Daten angepasst werden. – Finale Anpassung am LHC nötig, aber schwierig. – Tieferes Verständnis des Phänomens wünschenswert. Oben: Transversale Ansicht eines Ereignisses Nicht pile-up – das haent von Lumi ab … Tieferes Verstaendnis fuehrt dann weiter, Richtung Diffraktion, MI etc. …! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

EXTRAPOLATION ZUM LHC … und Lernen bei HERA Photoproduktion bei HERA ist effektiv Hadron-Hadron-Streuung: HERA p Tevatron-Anpassungen liefern vollkommen verschiedene Ergebnisse bei LHC! LHC Hadronischer Charakter des Photons ist “einstellbar” (Q2)  HERA idealer Ort für systematisches Verständnis! Mit UE Ohne UE Nicht pile-up – das haent von Lumi ab Nur bei HERA kann man das Phaenomen sinnvolls studieren; auch im Zusammenhang Diffraktion, multiple Wechselwirkungen … Effekt bei HERA hier so gross, weil das 4jets sind … Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

TSS: QCD-Tests an Beschleunigern ZUSAMMENFASSUNG … ¶ HERA-Daten: Massive Erweiterung des kinema- tischen 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. Sagen, dass konsistentes und praezises Bild der starken WW im perturbativen Bereich. Offene Fragen: Diifraktion und Faktoriserung Forward Physik, Kt effekte Eovlution bei hohen / kleinen Skalen Saturation Hadronischer Endzustand … ¶ Unsicherheiten durch – fehlende höhere Ordnungen (NNLO) (5% - 20%) – ungenaue Kenntnis der PDFs (Gluon!, 3% - …) – Unkenntnis der Jet-Energieskala (5% / 20% / 100%) Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

TSS: QCD-Tests an Beschleunigern … 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, … Und andere offene Fragen im ersten Block hier erwaehnen … Design Tevatron: 8.5fb-1 bis 2009; cyurrent Lumi 10^32cm-2s-1; Hera 5*10^31 … CDF on tape about 1fb-1 … 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 … Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

HERA-LHC- UND LHC-D-WORKSHOPS Reiche Auswahl an QCD-Ergebnissen Proceedings des Workshops: hep-ph/0601012, 0601013 Nächstes Treffen: 6.-9. Juni 2006, CERN Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

TSS: QCD-Tests an Beschleunigern BACKUP Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

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: <Q> (GeV) MC Partonen Hadronen <Q> (GeV) “Power Corrections” PC gehen, wenn Verteilungen infrarot und kollinear sicher sind und inklusiv genug sind. Für “Event Shapes” bei LEP und HERA existieren resummierte Vorhersagen zusätzlich zur “fixed-order”-QCD: LLA, MLLA … Mean chearged multiplicities universell within few percent; desribed in LO MC and NLO+LPHD! Single particle spectra at LEP also okay … Beide Ansätze funktionieren gut. Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

TSS: QCD-Tests an Beschleunigern EVENT SHAPES BEI LEP UND HERA Anwendung der Power Corrections und der Resummierung Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

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”) Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

S AUS JETS AM LHC Ist eine genaue Bestimmung denkbar? MC-simulierte Daten im Vergleich zu NLO-QCD- Rechnung: Jet-ET. “Daten” Die Theorie zeigt deutliche Abhängigkeit von S. aber Auch die PDF-Abhängigkeit ist sehr gross (einige Prozent). Theoretischer Fehler auf S bei LHC von unter 10% sollte möglich sein. Wie werden die experimentellen Unsicherheiten aussehen ? Potenzial (Stenzel): 3% from PDs, 7 (10)% from higher orders for LHC (Tevatron). Should be all together feasible with 10% uncertainty at LHC! Problem: Luminosity. Current alphas error world average: 2%. Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

EVENT SHAPES + POWER CORRECTIONS … und der Resummierung z.B. Thrust Ist ein Ereignis (in e+e–) eher “rund” oder “bleistiftartig”? Andere Variablen: Broadening, Jet-Massen, C-Param. T=1.0 Mit MC-Modellen Mit Power Corrections Hadroni- sierung Mittelwerte der Event Shapes. Beide Ansätze scheinen vergleichbar gut zu funktionieren. Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

LEP, HERA, TEVATRON, LHC Die Werkzeuge Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

EXPERIMENTE OPAL/LEP (ALEPH,L3,DELPHI) CDF/TEVATRON (D0) LEP, HERA jeweils Millionen hadronische Ereignisse … ZEUS/HERA (H1) ATLAS/LHC (CMS) Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

DIE PARTONVERTEILUNGEN (PDFs) und der HERA-Beitrag “Vor HERA” Extrapolation bei kleinen x! “Nach HERA” Hier im Kopf haben: Auch im linken Plot ist Information von HERA enthalten – ueber die Parametrisierung, Startverteilungen etc. Daten sind aber andere: Tevatron, Drell-yan, fixed-target etc. Ohne HERA waere unbekannt, ob F2 ansteigt oder nicht Sagen, dass man gleich sehen wird, dass ohne HERA keine Higgs_suche oder Suche nach SUSY bei LHC sinnvoll waere …… HERA-Daten führten zu präziser Kenntnis der PDFs über großen Bereich in x! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

BEDEUTUNG DER PDFs für Boson-Produktion bei LHC 16% 4% Unsicherheit der Z-Produktion hängt massiv von Kenntnis der PDFs ab ZEUS similar to H1, LO MC also bad in normalisation but shape more or less okay… Z rapdity at LHC in NNLO very good (Butterworht) H1 is here photon plus jet, eta slightly worse for only photon … 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! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

TSS: QCD-Tests an Beschleunigern ZUSAMMENFASSUNG ¶ Erweiterung des kinematischen Bereichs von F2, experimenteller Fehler 2%. ¶ Fehler von S = 2%. ¶ Faktorisierung und Störungstheorie auf 5-10% bestätigt. ¶ Unsicherheiten durch – fehlende höhere Ordnungen (NNLO) – ungenaue Kenntnis der PDFs (Gluon!) – Unkenntnis der Jet-Energieskala ¶ … und viele weitere offene Fragen ... Offene Fragen: Diifraktion und Faktoriserung Forward Physik, Kt effekte Eovlution bei hohen / kleinen Skalen Saturation Hadronischer Endzustand … ¶ Verständnis der QCD ist wichtig für jegliche LHC-Physik – LHC ist eine QCD-Maschine! Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern