QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN

1. QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN Thomas Schörner-SadeniusUniversität Hamburg DPG-Tagung Dortmund29. 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. ÜBERSICHT ¶ EINLEITUNG UND MOTIVATION ¶ DAS PROTON ALS QCD-LABOR ¶ JETS UND DIE BESTIMMUNG VON S ¶ PRODUKTION VON EICHBOSONEN ¶ “UNDERLYING EVENTS”, “MULTIPLE INTERACTIONS” ¶ AUSBLICK UND ZUSAMMENFASSUNG … 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 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

3. Gestreutes Elektron Elektron Boson(,Z,W) Gestreutes Parton Harte Abstrahlung Proton Protonrest FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Ein wunderschönes und einfaches Bild! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

4. Hadroni-sierung Parton-schauer QCD-Strahlung StabileTeilchen FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Zahlreiche Effekte erweitern das einfache Bild! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

5. Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element) FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Der Wirkungsquerschnitt der harten Wechselwirkung ist in perturbativer QCD berechenbar. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

6. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. PDF:fi(F) Partonverteilung (PDF)summiert “weiche” Anteileder QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F. Partonverteilungen sind in pQCD nicht a priori berechenbar; Messungen bei niedrigen Skalen F werden mit Evolutionsgleichungen (z.B. DGLAP) zu höheren Skalen evolviert. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

7. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Jet-Algorithmussummiert Effekte weicher QCD-Strahlung im Partonschauer auf PDF:fi(F) Berechnung von Wirkungsquerschnitten: Faltung der Parton-verteilungen mit hartem Wirkungsquerschnitt: Faktorisierung! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

8. SCHWERPUNKT: PERTURBATIVE QCDund Reihenentwicklung der harten Wechselwirkung Störungs-reihe in S “Harte” Abstrahlungen und virtuelle Korrekturen führen zu höheren Ordnungen n proportional zu Sn. Laufende Kopplung Sin niedrigster Ordnung Der Wirkungsquerschnitt ergibt sichaus der Summe der Ordnungen: • 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 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

9. e± e± Photonimpuls q(Q2 = -q2) q Impulsbruchteil x Proton DAS PROTON ALS QCD-LABORErforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten TiefunelastischeStreuung (DIS) “Inklusive Messung” von Winkel und Energie des gestreuten Elektrons liefert x und Q2 Bestimmung der Kinematik. Proportional zur StrukturfunktionF2 des Protons (elektromag-netischer Gehalt des Protons). ep-Wirkungs-querschnitt (Partonverteilungen fi, Ladungen qi) Das Auflösungsvermögen der Photon-”Sonde” kann mithilfe von Q2 eingestellt werden: Auflösung (HERA: 0.001-1fm) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

10. DIE STRUKTURFUNKTION F2und der HERA-Beitrag ¶ Experimentelle Genauigkeit: 2%! ¶ Bei steigender Auflösung Q2:¶ Mehr Gluonabstrahlungen von den Valenzquarks sichtbar  bei hohen x sinkt F2. ¶ Gluonen zerfallen (ggg,gqq)  bei niedrigen x steigt F2 an. ¶ Beschreibung: DGLAP-Formalismus HERA-Daten ergaben massive Erweiterung der Kenntnis des Protons ! Die gute Beschreibung der Daten durch dieTheorie ist ein großer Erfolg der QCD – QCD ist Präzisionsphysik! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

11. DIE PARTONVERTEILUNGEN (PDFs)und der HERA-Beitrag “Vor HERA”Extrapolation beikleinen x! “Nach HERA” HERA-Daten führten zu präziser Kenntnis derPDFs über großen Bereich in x! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

12. DIE PDFsErgebnisse 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)(anderer kinematischer Bereich als HERA!).– PDF-induzierte Unsicherheit des Higgs-Wirkungs- querschnitts derzeit je 10% durch Quarks und Gluonen. Reicht das, um Charakter des Higgs-zu etablieren (Higgs~mt2 )? Kenntnis der PDFs wichtig für Entdeckungen + ihre Interpretation bei LHC! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

13. x VERBESSERUNGEN ?Kombinierte Analysen, weitere Observablen … ZEUS-Jet-Daten (zusätzlich zuF2) schränken Gluon ein. Grund:Boson-Gluon-Fusion bei hohen x! Kombination der H1- undZEUS-Daten reduziert Un-sicherheiten (Vortrag A. Glazov, Freitag) AndereObservablen “H1+ZEUS” ¶ PDF-Fits in NNLO werden Unsicherheiten reduzieren. ¶ FL-Daten von HERA Gluon bei kleinen x, Q2.¶ Berücksichtigung intrinsischer kT-Effekte. WeitereIdeen HERA-Ziel: Halbierung der Fehler! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

14. QCD-TESTS MIT JETSWie bestimmt man S mit Jets? (am Beispiel 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 reduziertden Wirkungsquerschnitt grob um Faktor S (Gluon-Abstrahlung)! Unsicherheiten: 10%. Abschätzung höherer Ordnungen sind größter Beitrag. 1 Jet 2 Jets Bestätigung der PDF- Universalität und der Faktorisierung auf 5-10%! 3 Jets TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

15. JETS IN NLO: UNSICHERHEITEN Syst. Unsicherheiten in pp dominiert durch Energieskala! Jets am Tevatron: Beschreibung durch NLO-QCD über viele Größenordnungen! 20%-100% Unsicherheit, dominiert durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala. ¶ QCD kann auch diese Daten beschreiben. ¶ LHC: 30%-Effekt durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

16. JETS BEI LHC – BIS 5 TeV!Was können wir noch erwarten? Die gesteigerte Genauigkeit der PDFs wird theoretische Unsicher-heiten der Jet-Wirkungsquer-schnitte bei LHC halbieren. Kenntnis der PDFs wichtig, um z.B. Multijet/”Multiple Interaction”-Ereignisse von “mini black holes” zu unterscheiden oder SUSY-Signaturen zu erkennen! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

17. Standard-Modell SUSY BEDEUTUNG VON Sz.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! 1 = (5/3)·/cos2W 2 = /sinW 2 = S Verhalten bei hohen Skalen nur durch Renormierung und (Start)Werte bei heute zugänglichen Skalen bestimmt. Zur Überprüfung ist möglichst genaue Kenntnis von S nötig! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

18. S: HEUTIGER STAND Weltmittel(NNLO) S(MZ)=0.1187(20) [PDG]S(MZ)=0.1182(27) [Bethke] HERA-Mittel(NLO) S(MZ)=0.1186±0.0050 ¶ Viele Einzelmessungen in verschiedensten QCD- Prozessen ergeben kon- sistentes Bild! ¶ Das “Laufen” der Kopplung (rechts) wird von der QCD sehr gut beschrieben. ¶ Die Vielzahl der präziser Messungen belegt aus- gezeichnetes Verständnis der QCD. Unsicherheiten bei ca. 2% (in NNLO). Bedeutung für SUSY, Vereinheitlichung … TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

19. H1 Prompte PhotonenTheorie in NLO PRODUKTION VON EICHBOSONENals weiterer QCD-Test Idee – Zugang zur partonischen Wechselwirkung ohne Hadronisierungs- korrekturen (wie bei Quarks, Gluonen): , Zll, Wl– Wichtiger Zugang zur Detektorkalibration: Zll,qq, Wqq’,… – Wichtig zur Luminositätsbestimmung bei LHC. W+Jets, Theorie in LO QCD funktioniert sehr gut. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

20. 16% 4% BEDEUTUNG DER PDFs für Boson-Produktion bei LHC 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! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

21. EICHBOSONEN BEI LHC Rechnungen in NNLO, Zugang zu PDFs? • Bisherige Rechnungen zur Produktion von Eichbosonen in LO/NLO. • LHC-Vorhersagen für manche Kanäle in NNLO vorhanden (W,Z). • Z-Produktion für verschiedene PDFs: PDF8%. W/Z-Ratio für verschiedene PDFs: PDF3%. Rapidität Verhältnisse von Wirkungsquerschnitten reduzieren Unsicherheiten – Luminosität, Energieskalen, Akzeptanz – QCD-Skalen, PDFs. Allerdings nur geringer Einfluss auf die PDF-Bestimmung Rapidität TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

22. “UNDERLYING EVENTS” (UE) +mehrfache Wechselwirkungen (“Multiple Interactions”) Versuch, den weichen Energiefluss jenseits der einen (?) harten Wechsel-wirkung zu beschreiben: Partonschauer, weitere Partonstreuungen, Strahlremnants … Anpassung der Monte-Carlo-Modelle an TEVATRON-, HERA-Daten … TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

23. I. Borjanovic et al., hep-ex/0403021 RELEVANZ BEI LHCz.B. Bestimmung der Top-Masse in tWbqq’b3Jets Idee Bestimmung der Top-Masse in high-pT-Ereignissen durch direkte Summe der Kalorimeter-Energien aller drei Quark(-Jets).– Keine Unsicherheit durch ungenaue Jet-Energieskala! – Aber genaue Kenntnis des Energieflusses (UE) wichtig! mt [GeV] Schon 10%-Variation der “underlying energy” führt zu signifikanter Abhängigkeit der Top-Masse von R.  Genaue Kenntnis des UE wichtig für Top-Messung! UE Kenntnis und Verständnis des “UE”– interessant an sich,– wichtig für top-Messungen,– wichtig für alle QCD-Messungen. RCluster TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

24. MODELL-ANPASSUNG AM TEVATRONAnpassung 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 Messung Modelle können (mehr oder wenigergut) an Daten angepasst werden. Finale Anpassung am LHC nötig, aber schwierig. Tieferes Verständnis des Phänomens wünschenswert. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

25. Mit UE Ohne UE EXTRAPOLATION ZUM LHC… und Lernen bei HERA Photoproduktion bei HERAist effektiv Hadron-Hadron-Streuung: HERA p Tevatron-Anpassungen liefern vollkommen verschiedene Ergebnisse bei LHC! LHC Hadronischer Charakter des Photonsist “einstellbar” (Q2)  HERA idealerOrt für systematisches Verständnis! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

26. AUSBLICK …auf Zukunft von HERA, Tevatron ¶ HERA-Ziel: 750 pb-1.¶ Tevatron strebt 4-5 b-1 an! ¶ Beide Maschine laufen gut: Tevatron bis zu 20pb-1/Woche HERA bis 7pb-1/Woche Lumi Fortschritt ¶ Statistik (aber QCD-Messungen meist nicht statistisch dominiert!) ¶ Theorie (NNLO, Resummierung, ME+PS, …) ¶ Neue Analyseideen? Differentiellere Messungen? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

27. 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 ... ¶ Verständnis der QCD ist wichtig für jegliche LHC-Physik – LHC ist eine QCD-Maschine! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

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

29. BACKUP TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

30. Partonen Hadronen MC “Power Corrections” <Q> (GeV) <Q> (GeV) NICHTPERTURBATIVE EFFEKTE Abschätzung mit Monte Carlo / “Power Corrections”? Abschätzung der Hadronisierungmit Monte-Carlo-Generatoren: Experiment: Teilchen Theorie: Partonen “Power Corrections” und universeller Parameter 0: Beide Ansätze funktionieren gut. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

31. 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”) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

32. SAUS JETS AM LHCIst 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 istsehr gross (einige Prozent). Theoretischer Fehler auf S bei LHC von unter 10% sollte möglich sein. Wie werden die experimentellen Unsicherheiten aussehen ? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

33. EICHBOSONEN BEI LHC Rechnungen in NNLO, Zugang zu PDFs? • Ratios von Wirkungsquerschnitten reduzieren Unsicherheiten – experimentell (Luminosität, Energieskalen, Akzeptanz) – theoretisch (Skalen, PDFs). • Untersuche Ratios von W/Z-Wirkungsquerschnitten • – Aufschluss über PDFs? – Attraktiv, da Theorie in NNLO vorhanden (reduzierte Unsicherheiten). • Kleiner Effekt dieser Daten in PDF-Fits (Parameter g: Fehler halbiert) • Z-Produktion als Funktion der Rapidität • für verschiedene PDFs: PDF8%. Mention lumi monitor  Important! W/Z-Ratio als Funktion der Rapidität für verschiedene PDFs: PDF3%. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

34. Weitere Erfolg der QCD! PROMPTE PHOTONEN bei LEP, HERA, TEVATRON Idee Zugang zur partonischen Wechselwirkung ohne Hadronisierungs-korrekturen (wie z.B. bei Quarks, Gluonen).– Trennung vom Untergrund (, , Zerfallsphotonen)?– EM-Schauer sind leichter zu messen als hadronische Jets  syst. Unsicherheit geringer. – Abweichungen zwischen Daten und NLO-QCD in pp, p  “intrinsic kT” der Partonen? Daten Von LEP, HERA, Tevatron; alle verglichen mit NLO. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

35. PRODUKTION SCHWERER EICHBOSONEN am TEVATRON in LO, NLO, NNLO “Leading order” funktioniert ganz gut … … aber große Unsicherheiten! NNLO? ????? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

36. Mit MC-Modellen Mit Power Corrections EVENT SHAPES + POWER CORRECTIONS … und der Resummierung T=0.5 z.B.Thrust Ist ein Ereignis (in e+e–) eher “rund” oder “bleistiftartig”? Andere Variablen: Broadening, Jet-Massen, C-Param. T=1.0 Hadroni-sierung Mittelwerte der Event Shapes. Beide Ansätze scheinen vergleichbar gut zu funktionieren. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

37. EVENT SHAPES BEI LEP UND HERA Anwendung der Power Corrections und der Resummierung TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

38. S: HEUTIGER STANDErgebnisse in verschiedenen Ordnungen Weltmittel(NNLO) S(MZ)=0.1187(20) [PDG] S(MZ)=0.118X(YX) [Bethke] HERA-Mittel(NLO) Ergebnisse in NLO (Jets, F2)  theo. Fehler größer: S(MZ)=0.1186±0.0050 Zum Vergleich: – EM auf 12 Stellen bekannt, – GF auf 6 Stellen! Bethke-Plot Sehr gute Übereinstimmung ganz verschiedener Prozesse! Unsicherheiten bei ca. 2% (in NNLO). Bedeutung für SUSY, Vereinheitlichung … TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

39. LEP, HERA, TEVATRON, LHCDie Werkzeuge TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

40. EXPERIMENTE OPAL/LEP(ALEPH,L3,DELPHI) CDF/TEVATRON(D0) ZEUS/HERA(H1) ATLAS/LHC(CMS) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern