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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.
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 2
ÜBERSICHT
¶ 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
… 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
Schwerpunkt: neuere Ergebnisse zur perturbativen QCD an Beschleunigern.
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 3
FREUD UND LEID DER QCDZ.B. Zweijet-Prozess bei HERA in führender Ordnung
ElektronGestreutes
Elektron
Boson(,Z,W) Gestreutes
Parton
ProtonrestProton
Harte Abstrahlung
Das Standardbild der perturbativen QCD.
Kopplung S(R)
Energieskala R
(Renormierungsskala)
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FREUD UND LEID DER QCDFaktorisierung der Probleme.
(weiche) QCD-Strahlung
Parton-schauer
Hadroni-sierung
StabileTeilchen
Zahlreiche nicht-perturbative Effekte erweitern das Bild!
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FAKTORISIERUNG Partonischer Wirkungsquerschnitt (“Matrix-Element”)
Der Wirkungsquerschnitt der harten Wechselwirkung ist in perturbativer QCD berechenbar.
,...)(ˆ R
)( RS
Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element)
Renormierungsskala R
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 6
FAKTORISIERUNGPartonverteilungsfunktionen
Partonverteilungen sind in pQCD nicht a priori berechenbar; Messungen bei niedrigen Skalen F werden mit Evolutionsgleichungen (z.B. DGLAP) zu höheren Skalen evolviert.
,...),(ˆ RF
)( RS
Partonverteilung (PDF)summiert “weiche” Anteile
der QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F.
PDF:fi(F)
Faktorisierungs-
skala F
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FAKTORISIERUNGJet-Algorithmus.
,...),(ˆ RF
)( RS
Jet-Algorithmussummiert Effekte weicher QCD-Strahlung im Partonschauer auf
PDF:fi(F)
Berechnung von Wirkungsquerschnitten: Faltung der Parton-verteilungen mit hartem Wirkungsquerschnitt: Faktorisierung!
gqqi
iif,,
Dient dazu, Zugang zu Partonender harten Wechselwirkung zu
erhalten.
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PERTURBATIVE QCDund Reihenentwicklung der harten Wechselwirkung
• 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
0 ,,
)(
0 n gqqi
nii
nS
nn
nS fC
Störungs-reihe in S
“Harte” Abstrahlungen und virtuelle Korrekturen führen zu Matrix-Elementen höherer Ordnungen proportional zu S
n.
Der Wirkungsquerschnitt ergibt sichaus der Summe der Ordnungen:
...1)/ln(
4)(
220
RS
Laufende Kopplung S(R)in niedrigster Ordnung
LO'' ,1S NLO'' ,2
S NNLO'' ,3S
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DAS PROTON ALS “QCD-LABOR”Erforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten
qqi
iiep qQxfxQxF,
2222 ,,
TiefunelastischeStreuung (DIS)
Qc Auflösung
(HERA: 0.001-1fm)
ep-Wirkungs-querschnitt
“Inklusive Messung” von Winkel und Energie des gestreuten Elektrons liefert x und Q2 Bestimmung der Kinematik.
Photonimpuls q(Q2 = -q2)
Impulsbruchteil x
q
e±e±
Proton
Proportional zur StrukturfunktionF2 des Protons (elektromag-netischer Gehalt des Protons).
AuflösungDas Auflösungsvermögen der Photon-”Sonde” kann mithilfe von Q2 eingestellt werden:
(Partonverteilungen fi, Ladungen qi)
Das Proton ist DAS Labor für systematische QCD-Studien!
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 10
¶ Erwartung für steigendes Q2: ¶ Mehr Gluonabstrahlungen von den Valenzquarks sichtbar bei hohen x sinkt F2 (~Quarkdichte!) ¶ Gluonen zerfallen (ggg,gqq) bei niedrigen x steigt F2 an (Seequarks!)
¶ Beschreibung: DGLAP-Formalismus
DIE STRUKTURFUNKTION F2
und der HERA-Beitrag
2222
22 ,,ln
,QxgPQxFP
Qd
QxdFgqSqgS
Die gute Beschreibung der Daten durch dieTheorie ist ein großer Erfolg der QCD – QCD ist Präzisionsphysik!
¶ Experimentelle Genauigkeit: 2%! – Bis auf hohe x, Q2 systematisch dominiert. – HERA-Bereich: 5·10-5 < x < 0.6, 5 < Q2 < 10000 GeV2.
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DIE PDFsErgebnisse verschiedener Gruppen
¶ Die verschiedenen Bestimmungen der PDFs weichen signifikant voneinander ab. Unterschiede schon in den Daten – nicht im Fit.
¶ Viele wichtige Kanäle bei LHC betroffen (ggH)
¶ PDF-induzierte Unsicherheit des Higgs-Wirkungs- querschnitts derzeit je 10% durch Quarks und Gluonen.
Q2 = 5 GeV2: Fehler 100%,
Kenntnis der PDFs wichtig für Entdeckungen + ihre Interpretation bei LHC!
Q2 = 200 GeV2: Fehler 10%,
Reicht das, um Essenz des Higgs-Mechanismus zu bestätigen (tH~mt)?
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 12
x
VERBESSERUNGEN ?Weitere Observablen, Kombination H1+ZEUS, …
AndereObservablen
“H1+ZEUS”
ZEUS-PDF-Fit: F2 UND Jet-Daten:kleinerer Gluon-Fehler als nur F2 !
WeitereIdeen
Kombination der H1- undZEUS-Daten reduziert Un-sicherheiten
¶ PDF-Fits in NNLO werden Unsicherheiten reduzieren. ¶ FL-Daten von HERA Gluon bei kleinen x, Q2.¶ Berücksichtigung intrinsischer kT-Effekte.
HERA-Ziel: Halbierung der Fehler! - Statistik: Faktor 3-4 bis Mitte 2007!- Forward-Jet-Daten Gluon bei hohen x- weitere Observablen (HFL, Tevatron, …)
Gluondichte
Gluondichte
Mit Jet-Daten
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 13
QCD-TESTS MIT JETSam Beispiel von HERA
???
0 ,,
)(ˆn gqqi
nii
nS f
Wirkungs-querschnitt
Im Vergleich Daten – Theorie kann man:
– PDFs extrahieren; ihre Universalität testen,– S extrahieren (siehe später), – Faktorisierung und Störungstheorie testen.
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
3 Jets
Bestätigung der PDF- Universalität und der Faktorisierung auf 5-10%!
QCD-Matrixelemente ver-standen.
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JETS AM TEVATRON Syst. Unsicherheiten dominiert durch Energieskala!
¶ QCD kann auch diese Daten beschreiben.
¶ LHC: 30%-Effekt durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala!
Jets am Tevatron: Beschreibung durch NLO-QCD über acht Größenordnungen!
20%-100% Unsicherheit, dominiert durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala.
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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%.
Kenntnis der PDFs wichtig, um z.B. Multijet/”Multiple
Interaction”-Ereignisse von “mini black holes” zu unterscheiden oder SUSY-Signaturen zu erkennen!
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BEDEUTUNG VON S z.B. für die Große VereinheitlichungNur unter der Annahme von Supersymmetrie (Erweiterung des Teilchenspektrums!)vereinigen sich die drei Kopplungen des Standardmodells bei ca. 1016 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-Modell SUSY
1 = (5/3)·/cos2W
2 = /sinW
2 = S
???
0 ,,
)(ˆn gqqi
nii
nS f
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 17
S: HEUTIGER STANDS(MZ)=0.1187(20) [PDG]S(MZ)=0.1182(27) [Bethke]
S(MZ)=0.1186± 0.0011(exp)±0.0050(th)
Weltmittel(NNLO)
HERA-Mittel(NLO)
Fehler auf S ca.2% (in NNLO).
¶ Viele Einzelmessungen in verschiedensten QCD- Prozessen ergeben kon- sistentes Bild!
Fehlende höhere Ordnungen (4%)!
Verständnis der QCD ist ausgezeichnet!
¶ Das “Laufen” der Kopplung (rechts) wird von der QCD sehr gut beschrieben.
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 18
Prompte PhotonenTheorie in NLO
H1
PRODUKTION VON EICHBOSONENals weiterer QCD-Test
– Zugang zur partonischen Wechselwirkung ohne Hadronisierungskorrekturen: , Zll, Wl
– Wichtiger Zugang zur Detektorkalibration: Zll,qq, Wqq’,… [ (MW)~30 MeV ! ]
– Wichtig zur Luminositätsbestimmung bei LHC.
Idee
W+Jets, Theorie in LO
Auch hier funktioniert QCD sehr gut.
z.B. “prompte” Photonenoder Drell-Yan …
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 19
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)
W/Z-Ratio für verschiedene PDFs: PDF3%.
Verhältnisse von Wirkungsquerschnitten reduzieren Unsicherheiten – Luminosität, Energieskalen, Akzeptanz – QCD-Skalen, PDFs.
– geringer Einfluss auf PDF-Bestimmung– Wichtig für Luminositätsbestimmung
Z-Produktion für verschiedene PDFs: PDF8%.
Rapidität
Rapidität
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 20
“UNDERLYING EVENTS” (UE) +mehrfache Wechselwirkungen (“Multiple Interactions”)
“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 21
I. Borjanovic et al., hep-ex/0403021
RCluster
mt [G
eV]
RELEVANZ BEI LHCz.B. Bestimmung der Top-Masse in tWbqq’b3Jets
IdeeBestimmung 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!
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?
Kenntnis und Verständnis des “UE”– interessant an sich,– wichtig für top-Messungen,– wichtig für alle QCD-Messungen.
UE
UE ist ein potentiell großer Effekt!
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 22
MODELL-ANPASSUNG AM TEVATRONAnpassung z.B. an pT-Summen
Idee Betrachte Ereignis “weit weg” von der harten Physik – von harten Jets; Definiere die “transversale” Richtung:90o in relativ zum Jet versetzt von “UE” dominiert?
Messung Betrachte als Funktion der Jet-Energie – pT-Summe in der transversalen Region– Multiplizität geladener Teilchen in transversaler Region
Modelle können (mehr oder wenigergut) an Daten angepasst werden.
– Finale Anpassung am LHC nötig, aber schwierig. – Tieferes Verständnis des Phänomens wünschenswert.
Transversale E
reignisa
nsicht
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 23
Mit UE
Ohne UE
EXTRAPOLATION ZUM LHC… und Lernen bei HERA
HERA p
Photoproduktion bei HERAist effektiv Hadron-Hadron-Streuung:
Hadronischer Charakter des Photonsist “einstellbar” (Q2) HERA idealerOrt für systematisches Verständnis!
LHCTevatron-Anpassungen liefern vollkommen verschiedene Ergebnisse bei LHC!
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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.
¶ 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 25
… 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, …
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 …
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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!
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BACKUP
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NICHTPERTURBATIVE EFFEKTE Abschätzung mit Monte Carlo / “Power Corrections”?
Abschätzung der Hadronisierungmit Monte-Carlo-Generatoren:
MCPartonen
MCHadronenTheorie
PartonenTheorieHadronen CC
,
p
Sp
PCPCpQCD Q
ACVVV 0,
V ;
Experiment: Teilchen
Theorie: Partonen
“Power Corrections” und universeller Parameter 0:
<Q> (GeV)
“Power Corrections”
<Q> (GeV)
MC
PartonenHadronen
Beide Ansätze funktionieren gut.
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 29
EVENT SHAPES BEI LEP UND HERA Anwendung der Power Corrections und der Resummierung
)()(PC
pQCD
VVdV
dV
dV
d
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 30
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”)
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S AUS JETS AM LHCIst eine genaue Bestimmung denkbar?
“Daten”
aber
Theoretischer Fehler auf S bei LHC von unter 10% sollte möglich sein.
Wie werden die experimentellen Unsicherheiten aussehen ?
MC-simulierte Daten im Vergleich zu NLO-QCD-Rechnung: Jet-ET.
Die Theorie zeigt deutliche Abhängigkeit von S.
Auch die PDF-Abhängigkeit istsehr gross (einige Prozent).
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EVENT SHAPES + POWER CORRECTIONS … und der Resummierung
Ist ein Ereignis (in e+e–) eher “rund”
oder “bleistiftartig”?
z.B.Thrust
Hadroni-sierung
T=0.5
T=1.0
Andere Variablen: Broadening, Jet-Massen, C-Param.
Mit MC-Modellen Mit Power Corrections
Mittelwerte der Event Shapes.
Beide Ansätze scheinen vergleichbar gut zu funktionieren.
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 33
LEP, HERA, TEVATRON, LHCDie Werkzeuge
96nsBC
km 3,6
GeV 318
Umfang
s ep
s22BC
km 5,27
GeV 20991
Umfang
s ee
396nsBC
km 3,6
TeV 96.1
Umfang
s pp
25nsBC
km 5,27
GeV 14000
Umfang
s pp
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 34
EXPERIMENTE
CDF/TEVATRON
(D0)
ZEUS/HERA(H1)
OPAL/LEP(ALEPH,L3,
DELPHI)
ATLAS/LHC(CMS)
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 35
DIE PARTONVERTEILUNGEN (PDFs)und der HERA-Beitrag
“Vor HERA”Extrapolation bei
kleinen x!
“Nach HERA”
HERA-Daten führten zu präziser Kenntnis der PDFs über großen Bereich in x!
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 36
BEDEUTUNG DER PDFs für Boson-Produktion bei LHC
16% 4%
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!
Dortmund, 29.3.2006 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern 37
ZUSAMMENFASSUNG¶ Erweiterung des kinematischen Bereichs
von F2, experimenteller Fehler 2%.
¶ Fehler von S = 2%.
¶ Faktorisierung und Störungstheorie auf 5-10% bestätigt.
¶ Verständnis der QCD ist wichtig für jegliche LHC-Physik – LHC ist eine QCD-Maschine!
¶ Unsicherheiten durch – fehlende höhere Ordnungen (NNLO) – ungenaue Kenntnis der PDFs (Gluon!) – Unkenntnis der Jet-Energieskala¶ … und viele weitere offene Fragen ...