Fyzika na H1 – současnost a budoucnost Úvodem: duben 1987 – vstup FZÚ a MFF do experimentu H1 – 15 let! Hloubkový nepružný rozptyl - DIS měření F2 , gluonové hustoty protonu, vazbové konstanty SI, DVCS
Fyzika jetů Produkce těžkých kvarků HERA II Shrnutí
18. března 2002
J. Cvach, FZÚ AV ČR
1
Vstřícné svazky e(27,6) + p(920) HERA v l. 1992-2000
•
růst luminosity v l. 1993-2000
•
zlepšující se kvalita detektorů
•
neočekávané výsledky
1993-7
• růst protonové strukturní funkce F2(x,Q2) pro x < 0,01 • pozorování případů s „large rapidity gap“ – renesance difrakce 2
The Kinematic Reach of HERA Determination of kinematics („e“-method) :
E ˘ q
E P
α Q 2 = 4 EE ´sin 2 2
bin in x and Q 2
y = 1−
E´ α cos 2 E 2
Q 2 x = sy Determination of cross sections : Hermes
N −B d 2σ = Lε dxdQ 2 luminosity
backgr.
efficiency 3
Precision Measurements of F
2
( )
d 2 σ e ± p 2πα 2 2 = − Y F y FL + 2 2 4 xQ dxdQ
(
)
measured cross section in bins 2 of x and Q to measure F2 need to get rid of FL ! cut: use only events with y < y cut (typically y cut = 0.6 ) Correct for remaining contribution using QCD Big surprise in the early HERA running:
F2 rising much faster with falling x than expected in Regge picture
HERA data overlap and agree with fixed target data, similar in precision Data well described by QCD evolution
4
Deeply virtual Compton scattering: γ
e
e
e
e + p -> e + photon + p Two NLO QCD calculations exist:
e
e γ
e
γ
*
γ
e
γ* γ*
p
p
p
p
p
a)
p
b)
• Frankfurt, Freund, Strikman aligned jet model + hard QCD
c)
• Dannachie, Dosch Reggeon+Pomeron + hard QCD H1 DVCS (FFS) DVCS (DD)
10
W = 75 GeV 2 | t | < 1 GeV
∗
Two leading DVCS diagrams in QCD picture
σ γ p→ γ p [nb]
Bethe-Heitler process (QED)
e e
e γ
e
γ
*
1
γ
γ
*
-1 p
p
p
p
10
0
5
10 2
a)
b)
DVCS or the vector meson production transition from virtual to on shell particle momenta of 2 partons unequal and correlated
Q
15
20 2
[ GeV ]
DVCS cross section observed to dominate cver Bethe-Heitler process. Cross section agrees with QCD based predictions. 5
2 Q Electroweak Sector: Scattering at high High Q 2 » M Z2 , M W2
e±
k˘
k γ,Z0
W p
±
e ±,ν
q = k - k˘
P
X
Unification of weak and electromagnetic forces
6
Strong coupling constant and gluon density of proton from jets NLO QCD prediction fitted to data Inclusive DIS + single jet + dijet cross sections (large Q 2 range) H1:
a S (M Z ) = 0.1186 ± 0.0030( exp)
Theoretical errors similar to exp.
Example in LO:
σincl.DIS ∝ ∆
Inclusive DIS: Jet cross section:
σ jet ∝ α S .(cG G + c∆ ∆ ) where
From jet cross sections
xG(x) = xg(x) – gluon density
x∆( x) ≡ x∑ ea2 (qa ( x) + qa ( x) ) a
ci –
pQCD coefficients
7
Summary of α s from HERA
All HERA measurements are consistent with each other and with the world average. Errors are also competitive with those of the world average.
HERA measurements have impact on the world average!
8
Heavy Flavour Production at HERA • stringent tests of pQCD (large mQ mass render calculations more reliable) • independent tool to get densities: gluon in proton, partons in photon or Pomeron Boson-gluon fusion dominates
Various resolved photon contributions
+ ~ dσ ∼ g ( x) ⊗ f γ ( x) ⊗ σ BGF ⊗ DNP ( z ) ⊗ hdecay gluon parton density
parton cross section
photon parton density
decay kinematics
fragmentation function
9
Detection of open charm Tag charm through D>+- mesons identified in decays:
D ∗+ → D 0π s+ → K −π +π s+
candidates per 500 keV
→ K −π +π −π +π s+ 300
H1
200
100
0
0.14
0.15
0.16
0.17
mKππ-mKπ [GeV]
H1 published data 1996-7 DIS, Ł = 18.6 pb-1
ZEUS preliminary 1995-2000 photoproduction + DIS Ł = 127 pb-1, 31350 evts. 10
Scaling violations in charm structure F2 cc cross section expressed in terms of F2c as inclusive e cross section in terms of F2
(
)
d 2 σ e ± p → ccX 2πα 2 2πα 2 2 c c c = − ≈ Y y Y F F F L + 2 + 2 xQ 4 xQ 4 dxdQ 2
(
)
c F F2 with 2 Comparison of ratio
NLO DGLAP calculation
• FC steeper, contributes ~ 50% to scaling violations of F2 • Data slightly above NLO 11
Summary of measurements of gluon density in the proton • inclusive DIS – QCD fit to F2 • QCD fit to two jet cross section (together with α s )
• QCD fit of the boson gluon fusion process to the D* production in photoproduction and DIS
Mutualy consistent results.
F2 provides the most accurate source of the gluon distribution in the proton
12
HERA II - 2001-2006 HERA belongs to the world‘s leading QCD machines and will strongly improve: Instantaneous luminosity will increase by a factor of 5 Expect 1000 pb-1 until 2005 Polarization of the electron/positron beams (> 50 % after 1 hour) Precision measurements of the polarization (bunch per bunch) Some physics topics (and experimental implications) to address: Gluon density:
Very little information from direct determinations, such as boson-gluon fusion (heavy quarks), exclusive final states (J / y , ˇ )
QCD:
DGLAP vs BFKL, heavy quark cross sections
High Q
2
Potential source of new phenomena
Adequate Upgrade of the detectors needed
13
Detector Upgrades for HERA II
14
Jeden z problémů, na jehož řešení se hodláme podílet HERA
σ Data / Theory
vis
6 5
Fermilab
(ep → b X)
H1 µ pTrel H1 µ impact param. (prel.) -
ZEUS e pTrel
4 3 2
NLO QCD
1 0
¾ ½ ¾
∫∫
1
10
10
2
2
2
Q (GeV )
bb účinný průřez spočítaný v NLO QCD 2-4 menší než měřený
15
Shrnutí Období HERA I přineslo řadu důležitých výsledků, např. Pro strukturu protonu: silný růst F2 pro malá x, rozhodující vliv gluonu Prokázalo sjednocení elektroslabých procesů Renezance difrakčních procesů (výměna nebarevných objektů) Změření partonových vlastností virtuálního fotonu HERA II nabízí pokračování tohoto plodného období 1000 pb-1 (celková luminozita do r. 2006, okamžitá luminozita 4x vyšší) Polarizované svazky elektronů a pozitronů Centrum se zapojuje do Stavba a provoz křemíkových vrcholových detektorů FST, BST Fyzika těžkých kvarků, hadronových koncových stavů, jetů, struktura fotonu Hloubkový nepružný rozptyl, struktura protonu 16
Publikované práce H1 pro tyto výsledky • C. Adloff, …, J. Cvach, J. Formánek, I. Herynek, J. Hladký, T. Laštovička, P. Reimer, K. Sedlák, M. Taševský, Š. Valkár, A. Valkárová, J. Zálešák, J. Žáček etal., Deep-inelastic inclusive ep scattering at low x and a dermination of αS Eur. Phys. J. C 21, 33-61 (2001) • C. Adloff, etal., Measurement of neutral and charged current cross sections in electron-proton scattering at high Q2 Eur. Phys. J. C 19, 269-288 (2001) • C. Adloff, etal., Measurement of deeply virtual Compton scattering at HERA Phys. Lett. B 517, 47-58 (2001) • C. Adloff, etal., Measurement and QCD analysis of jet cross sections in deep-inelastic positronproton collisions at sqrt(s) of 300 GeV Eur. Phys. J. C 19, 289-311 (2001) • C. Adloff, etal., Measurement of D*+- meson production and F2c in deep-inelastic scattering at HERA, Phys. Lett. B 528, 199-214 (2002) mladí fyzikové pracující pro H1 – M. Nožička, K. Černý, O. Pejchal, J. Vaňuš inženýři: M. Janata, I. Kacl, J. Šťastný
17
