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PHYSIK BEI HERA Der weltweit einzige ep-Collider

PHYSIK BEI HERA Der weltweit einzige ep-Collider. Thomas Sch örner-Sadenius Universität Hamburg DPG-Herbstschule Maria Laach 12. September 2005. HERA. Hermes. H1. ZEUS. PETRA. DESY. GLIEDERUNG eine ‘Tour de Force de HERA’ in 60 Minuten. Grundlagen der HERA-Physik – was ist das Proton?

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PHYSIK BEI HERA Der weltweit einzige ep-Collider

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Presentation Transcript

  1. PHYSIK BEI HERADer weltweit einzige ep-Collider Thomas Schörner-SadeniusUniversität Hamburg DPG-Herbstschule Maria Laach12. September 2005

  2. HERA Hermes H1 ZEUS PETRA DESY T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  3. GLIEDERUNGeine ‘Tour de Force de HERA’ in 60 Minuten • Grundlagen der HERA-Physik – was ist das Proton? • HERA und die Experimente H1 und ZEUS • Das Proton und seine Struktur • Der hadronische Endzustand, Jets • Die Physik schwerer Quark • Diffraktion • Exotische und neue Physik } Je nach Zeitund Laune Kein Ergebnis-Marathon – statt dessen lieber Verständnis der Basics! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  4. Neutral current (NC): epeX Charged current(CC): epX y=1-E’/E:Inelastizität Ee = 27.5 GeV k’(e±,) k Lepton (e±) Q2=-q2=-(k-k’)2 Q2:Auflösung ~1/Q] ,Z,W x=Q2/2Pq:Anteil des Proton-impulses in harter Streuung. p=xP Proton Ep = 920 GeV P s = 4EeEp ~ 318 GeV bei gegebenem s nur zwei Variablen unabhängig: Q2 = s·x·y KINEMATIK DER ep-STREUUNG Das Elektron als Sonde, x und Q2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  5. STRUKTUR DES PROTONSVon Rutherford zum Quark-Parton-Modell Elastische Rutherford/Mott-Streuung von Spin-1/2 an Spin-0 (1/2): -- Rutherford/Mott-Streuung mit Rückstoss -- Spin-1/2-Target  magnetische WWirkung Hofstadter et al.: Elastische Streuung am Proton, Formfaktoren GE,M -- GE,M: Formfaktoren  Ausdehnung -- G2E,M~(1+Q2)-1 Höhere Energien: Unelastische ep-Streuung  zwei Variablen Q2,! W1,2 entsprechen den (quadrierten) elastischen Formfaktoren GE,M! • SLAC 1969: W1,2 hängen nur von einer dimensionslosen Variable x=Q2/2 ab – und nicht von zwei Variablen Q2 und  – “Scaling”. Wieso? • Bjorken: Parton-Hypothese! Ausdehnung des Protons durch punktförmige Spin-1/2-”Partonen” (die später mit den Quarks identifiziert wurden)! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  6. STRUKTUR DES PROTONSFrühe Messung des Skalenverhaltens W2 Die Struktur ist beifestem x von Q2 und  unabhängig! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  7. fi(x) 1/3 1 x STRUKTUR DES PROTONSAuf dem Weg zur QCD – Quark-Parton-Modell Unelastische ep-Streuung = Summe der elastischen eq-Streuungen fqi(x)dx: Wahr’keit, ein Partonvom Typ i mit Impulsanteil xim Interval [x,x+dx] zu finden. Strukturfunktionen F1,2, z.B.: Partonverteilungs/dichte-Funktionen (parton distribution functions, PDFs): fi(x) “Scaling” in einfachen Worten: Die Bestandteile des Protons sind punktförmige – die Auflösung Q2 spielt keine Rolle! • Nicht-wwirkende Partonen • Wwirkende Partonen Diese (drei) Partonen nennt man die “Valenzquarks” des Protons. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  8. STRUKTUR DES PROTONSDer heutige Stand: Quantenchromodynamik - QCD Letzter Schritt: Es gibt Gluonen! • Quarks strahlen Gluonen ab, Gluonen strahlen Gluonen ab und zerfallen in zwei Quarks. Virtuelle Fluktuationen! • Mit jeder Abstrahlung wird Dichte der Partonen bei hohen x kleiner, die bei kleineren x-Werten nimmt zu. • Proton=Valenzquarks + Seequarks + Gluonen! • Mit steigendem Auflösungsvermögen Q2 kann man mehr von diesen Prozessen / Partonen bei kleinen x “sehen” (und weniger Partonen mit hohem x). F2(x)  F2 = F2(x,Q2) – “Scaling Violations” T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  9. F2(x,Q2) Q2 STRUKTUR DES PROTONSQCD verletzt das Skalenverhalten! Mit steigendem Q2 nimmt See-quarkdichte zu (gqq). Für kleine y, E’~E: SLAC ’69! Mit steigendem Q2 nimmt Valenz-quarkdichte ab (qqg). T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  10. GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK Die Bedeutung von x und Q2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  11. GRUNDLAGEN DER HERA-PHYSIK x und Q2 im Wechselspiel T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  12. DESY UND HERAep-Collider im Herzen von Hamburg Umfang 6.3 kmEe = 27.5 GeVEp = 920 GeV T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  13. HERA-LuminositätLumi-Upgrade im Jahr 2000 HERA I+II HERA I • Physik-Lumi: • HERA-I (ZEUS): 132pb-1 • HERA-II (e+) : 40.6pb-1 • HERA-II (e-) : ~100pb-1 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  14. DAS H1-EXPERIMENTAsymmetrische Detektoren – ep-CMS! -- LAr-Kalorimeter mit 45000 Zellen-- SpaCal: rückwärtiges Kalorimeter -- 2 grosse Jetkammern-- Silizium zentral/rückwärts -- Myon-System Proton Elektron -- 400 Physiker aus 12 Ländern -- HERA-Halle Nord -- 15*15*15m3 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  15. DAS H1-EXPERIMENTEtwas schematischer T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  16. DAS H1-EXPERIMENTim “Eventdisplay” T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  17. e+ p e+ Jet NOCH EIN H1-EREIGNISHigh-Q2 NC! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  18. e Das ZEUS-Experiment 20*12*11 Meter 3600 Tonnen Ca. 25 Komponenten Muon-Kammern Wechselwirkungspunkt Vertex-DetektorNachweis der Zerfaellelanglebiger Teilchen p WeitereKalorimeter Solenoid SpurkammernFeld/Signal-Draehte(Ionisationsnachweis,Impulsmessunggeladener Teilchen) Uran-Kalorimeter(Energiemessung neutraler und geladener Teilchen)kompensierend T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  19. 360k elektrische Kanäle im Readout! 600 Silizium-Streifendetektoren e p Wechselwirkungspunkt ZEUS-Microvertex-Detector (MVD)Eingebaut im Shutdown 2001/02 Nutzen vor allem für die Physik schwerer Quarks  Ausnutzung der Zerfälle langlebiger Hadronen T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  20. DAS ZEUS-EXPERIMENTDie Kollaboration T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  21. GLIEDERUNGZwischenstand • Das Proton und seine Struktur • Der hadronische Endzustand, Jets • Die Physik schwerer Quark • Diffraktion • Exotische und neue Physik • Grundlagen der HERA-Physik – was ist das Proton? • HERA und die Experimente H1 und ZEUS T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  22. e(E’,) e(27.5GeV) DIE STRUKTURFUNKTION F2‘Nur’ Messung des differentiellen WQS! Der doppelt-differentielle WQS in x, Q2! Ich muss also nur diese beiden Variablender Kinematik bestimmen (und dann die Anzahlder Ereignisse pro Bin in x,Q2 zählen). Aber … wie? Ich muss nur das gestreute Elektron messen: E’,   x,Q2!  “inklusive Messung” T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  23. DIE STRUKTURFUNKTION F2Unterteilung der kinematischen Ebene in x,Q2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  24. DIE STRUKTURFUNKTION F2 Kleine x: Mit steigendem Q2 sehe ich immer mehr Fluktuationen gqq. Seequarkdichte steigt an! Valenzquarks bei hohen x: Mit steigendem Q2 sehe ich immer mehr Fluktuationen qqg Valenzquarkdichte nimmt ab! Typischer Fehler: 2% T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  25. ELEKTROSCHWACHE EFFEKTEUnterschied zwischen e+p und e-p! Niedrige Q2: Nur Photonaustausch:  Q2~MZ2: Photon+Z-Austausch: F2: -- elektromagnetische Struktur des Protons -- Summe von Quarks und Antiquarks  See! xF3: -- Interferenz Photon-Z -- Differenz von Quarks, Antiquarks  Valenz! -- Paritätsverletzung in der schwachen WW! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  26. ELEKTROSCHWACHE EFFEKTEUnterschied zwischen e+p und e-p! Q2 ~ MZ2: Z-Austausch möglich! /Z e-: Konstruktive Interferenz Unterschiedliche Interferenz-Effekte zwischen  und Z füre±p-Streuung sichtbar für Q2 > 1000 GeV2! e+: Destruktive Interferenz T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  27. 2 d2sCC GF dxdQ2 4px M2 M2 + Q2 2 W (e) = (Y+F2 Y-xF3 - y2FL )     W DER GELADENE STROMAustausch von W-Bosonen – Händigkeit der schwachen WW Effekt derW-Masse durch Propagator e+ und e- koppeln an unterschiedliche Quarks   e+p e-p s = x [u+c+(1-y)2(d+s)] s =x [u+c+(1-y)2(d+s)] Test des d-Valenzquarks Test des u-Valenzquarks T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  28. DER GELADENE STROMAustausch von W-Bosonen NC NC: Unterschied durch Vor-zeichenwechsel im /Z-Interferenzterm in e±. CC: Unterschied zwischene+ und e- wegen Kopplungan verschiedene Quarks! Elektroschwache Verein-heitlichung! CC T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  29. e-R eR W–R? uR dR POLARISIERTE ELEKTRONENTest der elektroschwachen Struktur des SM Seit 2003: HERA mit longitudinal polarisierten Elektronen. Erinnerung: Im SM koppeln Teilchen nur linkshändig! 04-05 e-p NC: “Textbook Measurement”: • Sieht man die erwartete Chiralitätsstruktur des SM? • Oder gibt es rechtshändige schwache Kopplungen? 03-04 e+p Q2 > 400 GeV2y < 0.9 HERA I T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  30. F2 UND DIE PDFsWie komme ich von F2 zu den PDFs? • PDFs a priori unbekannt: Plausible Annahmen für Startskala Q02. • Evolution der PDFs von Startskala Q02 zu beliebiger Skala Q2 mit DGLAP-Gleichungen Setze F2 in Berechnung von d2/dxdQ2 ein und vergleiche mit Daten  adjustiere die Parameter A,B,C,D  iterative Prozedur! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  31. F2 UND DIE PDFsWie komme ich von F2 zu den PDFs? T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  32. QCD bis jetzt beschränkt auf PDFs. Kopplung ist elektroschwach! Wir wollen QCD jetzt auch im Matrixelement! -- Gluon-induzierte Prozesse -- Abstrahlung von Gluonen im Endzustand.Dazu: Zusammenspiel von PDF und Matrixelement zum WQS (Faktorisierung) Matrixelement PDF DER HADRONISCHE ENDZUSTANDJets als einfacher Zugang zur Partondynamik • Bis jetzt “nur” das gestreute Elektron gemessen. Und “der Rest”? ? • Problem: Confinement (Nobelpreis 2004)! Keine freien Quarks/Gluonen! aus einzelnen Partonen werden Bündel (“Jets”) von Teilchen. Rekonstruktion des 4er-Impulses des Partons aus dem des Jets  Zugang zu Matrixelement!  Partonen Hadronisierung  viele Spuren/ Energiedepositionen  Jets T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  33. e+ p e+ Jet JETS IM ENDZUSTAND Aus Fragmentation, Hadronisierung von Quarks T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  34. DER JET-WIRKUNGSQUERSCHNITTFaltung von PDF und partonischem Matrixelement (ME) Matrixelement PDF • Die PDFs fa/p werden in anderen Prozessen gemessen und übertragen. Test ihrer Universalität und von Faktorisierung! Bis jetzt erfolgreich! • Potenzreihenentwicklung in s darstellbar durch Feynman-Diagramme immer höherer Ordnungen: s0 s1 s2 T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  35. JET-WIRKUNGSQUERSCHNITTE1,2,3-Jet-Ereignisse In vielen Fällen werden die Daten perfekt vonder Theorie beschrieben. Wir verstehen: -- die QCD-Matrixelemente-- die PDFs (Universalität!) -- die Faktorisierung von PDF und ME!Was können wir noch lernen? s, PDFs … T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  36. JETS UND DIE STARKE KOPPLUNG Ein schöner QCD-Konsistenztest Bei gegebenem s(MZ) ist Verlauf von s(Q) im Rahmen der QCD vorgegeben T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  37. PHYSIK SCHWERER QUARKS“Charming” und “Beautyful” • Jetzt schwere Quarks (c,b) im Endzustand – können sogar gebunden sein (J/cc). • Durch Fragmentation der Quarks werden charm/beauty-Hadronen erzeugt (D*). • Erzeuge D* etc. und vermesse sie – Herausforderung an Theorie. Detail: Die (hohe) Quarkmasseist eine weitere Skala, die in derperturbativen Rechnung benutztwerden kann  theoretisch interessant! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  38. DAS TAGGING SCHWERER QUARKSrelativer Transversalimpuls von Zerfallsleptonen c,b-Hadronen: Zerfall semileptonisch.-- Hohe Masse von B (D)  hohes pT der Leptonen relativ zum hadronischen Jet. Klare Trennung von beauty/charmund Untergrund leichter Quarks.-- zumindest auf statistischer Basis (also nicht event-by-event) T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  39. Sekundärvertex  Jet IP B-Hadron  DAS TAGGING SCHWERER QUARKS“Impact parameter”, Lebensdauer, sekundäre Vertizes Hadronen schwerer Quarks habenlange Lebensdauern  messbare Flugstrecken vor Zerfall sekundäre Zerfallsvertizes oder grosse Impaktparameter  T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  40. PHYSIK SCHWERER QUARKSMit hochauflösenden Silizium-Vertexdetektoren Ortsauflösung ~20 m! Auflösung sekundärer Zerfalls-vertizes aus den Zerfällen derlanglebigen schweren Quarks. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  41. SCHWERER QUARKSExtraktion von F2cc, F2bb. Anteil der Struktur, der zu schweren Quarks im Endzustand führt. T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  42. D*-WIRKUNGSQUERSCHNITTEGute Beschreibung von charm durch die Theorie T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  43. PHYSIK SCHWERER QUARKSBeauty-Produktion als Sorgenkind • Beauty-Messungen konvergieren langsam. • Aber immer noch grosse (theoretische) Unsicherheiten: • Massen der schweren Quarks (20%) • Skalen in der theoretischen Rechnung • Gluondichte T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  44. FarblosesObjekt DIFFRAKTIONEreignisse ohne Aktivität “vorne” • 10% der Ereignisse bei HERA haben “rapidity gap” – es fehlt die Abstrahlung vom Farbstring zwischen Proton und harter Streuung. • Beschreibung durch farbloses “color singlet”-Objekt -- zwei Gluonen? -- “Pomeron”? • Ableitung einer PDF des farb- losen Objekts: F2D analog zu F2 bei den inklusiven WQS. Abstrahlung vomFarbstring Proton-Rest GestreutesElektron “Rapiditygap” T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  45. DIFFRAKTIONDiffraktive Strukturfunktion T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  46. pp γ*p DIFFRAKTIONKann man die Ergebnisse zum Tevatron übertragen? • Genau wie F2 sollte F2D universell sein  kann man mit HERA-F2D diffraktive Tevatron-Daten be- schreiben? • Der Tevatron-Wirkungsquerschnitt ist einen Faktor 3-10 zu tief! • Mögliche Ursache 1: Faktorisierung von PDF und harter Streuung funktioniert (hier) nicht. • Mögliche Ursache 2: die Unterschiede zwischen den Ereignissen bei HERA und am Tevatron sind zu gross (MI, UE?). • Spannende Frage: Was passiert bei LHC? T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  47. SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 1: Leptoquarks (Supersymmetrie) Quarks und Leptonen: • punktförmige Teilchen, die sich ähnlich verhalten: • Gruppierung in Familien (3x2) Gibt es eine höhere Symmetrie? • Leptoquarks (LQ): Teilchen mit B0 und L0 und drittelzahliger Ladung Mehrere Theorien sagen Existenz von LQs voraus! s-Kanal u-Kanal T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  48. SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Leptoquarks Signatur: • einzeln nicht unterscheidbar von NC/CC-Ereignis, aber: • Resonanz in e+-Jet-Massenverteilung • SM: WQ sinkt mit Q2, • LQ: Überschuss bei hohem Q2 Kein eindeutiges Signalbei HERA!  Berechne Grenzen für die Kopplung ij als Funktion von MLQ T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  49. SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Leptoquarks - Massenlimits T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

  50. SUCHEN NACH NEUER PHYSIK Beispiel 2: Pentaquarks – 5 Quarks in einem Hadron? • Bisher bekannt: Mesonen und Baryonen • Warum nicht mehr Quarks pro Hadron??? • Evidenz für Pentaquarks, z.B. uudds. Proton-ID via dE/dx! Derzeitige Meinung: Wahrscheinlich nichts! T. Schörner-Sadenius: Physik bei HERA

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