QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN

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.

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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

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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.

ElektronGestreutes

Elektron

Boson(,Z,W) Gestreutes

Parton

ProtonrestProton

Harte Abstrahlung

Ein wunderschönes und einfaches Bild!

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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.

QCD-Strahlung

Parton-schauer

Hadroni-sierung

StabileTeilchen

Zahlreiche Effekte erweitern das einfache Bild!

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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.

Der Wirkungsquerschnitt der harten Wechselwirkung ist in perturbativer QCD berechenbar.

,...),(ˆ RF

)( RS

Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element)

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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.

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)

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FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events.

,...),(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!

gqqiif

,,

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LO'' ,1S

SCHWERPUNKT: 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

inS

nn

nS fC

Störungs-reihe in S

“Harte” Abstrahlungen und virtuelle Korrekturen führen zu höheren Ordnungen n proportional zu S

n.

NLO'' ,2S NNLO'' ,3

S

Der Wirkungsquerschnitt ergibt sichaus der Summe der Ordnungen:

...1)/ln(

4)(

220

S

Laufende Kopplung S

in niedrigster Ordnung

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DAS PROTON ALS QCD-LABORErforschung 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)

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¶ Experimentelle Genauigkeit: 2%!

¶ Bei steigender Auflösung Q2: ¶ Mehr Gluonabstrahlungen von den Valenzquarks sichtbar bei hohen x sinkt F2.

¶ Gluonen zerfallen (ggg,gqq) bei niedrigen x steigt F2 an.

¶ Beschreibung: DGLAP-Formalismus

DIE STRUKTURFUNKTION F2

und der HERA-Beitrag

2222

22 ,,ln

,QxgPQxFP

Qd

QxdFgqSqgS

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!

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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!

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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) (anderer kinematischer Bereich als HERA!).– 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 Charakter des Higgs-zu etablieren (Higgs~mt

2 )?

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x

VERBESSERUNGEN ?Kombinierte Analysen, weitere Observablen …

AndereObservablen

“H1+ZEUS”

ZEUS-Jet-Daten (zusätzlich zuF2) schränken Gluon ein. Grund:Boson-Gluon-Fusion bei hohen x!

WeitereIdeen

Kombination der H1- undZEUS-Daten reduziert Un-sicherheiten (Vortrag A. Glazov, Freitag)

¶ 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!

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QCD-TESTS MIT JETSWie bestimmt man S mit Jets? (am Beispiel HERA)

???

0 ,,

ˆn gqqi

inS 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%!

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JETS IN NLO: UNSICHERHEITEN Syst. Unsicherheiten in pp 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 viele Größenordnungen!

20%-100% Unsicherheit, dominiert durch ungenaue Kenntnis der Jet-Energieskala.

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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!

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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 und (Start)Werte bei heute zugänglichen Skalen bestimmt.

Standard-Modell SUSY

1 = (5/3)·/cos2W

2 = /sinW

2 = S

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S: HEUTIGER STANDS(MZ)=0.1187(20) [PDG]S(MZ)=0.1182(27) [Bethke]

S(MZ)=0.1186±0.0050Weltmittel(NNLO)

HERA-Mittel(NLO)

Unsicherheiten bei ca. 2% (in NNLO). Bedeutung für SUSY, Vereinheitlichung …

¶ 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.

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Prompte PhotonenTheorie in NLO

H1

PRODUKTION VON EICHBOSONENals weiterer QCD-Test

– Zugang zur partonischen Wechselwirkung ohne Hadronisierungs- korrekturen (wie bei Quarks, Gluonen): , Zll, Wl

– Wichtiger Zugang zur Detektorkalibration: Zll,qq, Wqq’,…

– Wichtig zur Luminositätsbestimmung bei LHC.

Idee

W+Jets, Theorie in LO

QCD funktioniert sehr gut.

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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!

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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).

W/Z-Ratio für verschiedene PDFs: PDF3%.

Verhältnisse von Wirkungsquerschnitten reduzieren Unsicherheiten – Luminosität, Energieskalen, Akzeptanz – QCD-Skalen, PDFs.

Allerdings nur geringer Einfluss auf die PDF-Bestimmung

Z-Produktion für verschiedene PDFs: PDF8%.

Rapidität

Rapidität

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“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 …

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I. Borjanovic et al., hep-ex/0403021

RCluster

mt [G

eV]

RELEVANZ BEI LHCz.B. Bestimmung der Top-Masse in tWbqq’b3Jets

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!

Schon 10%-Variation der “underlying energy” führt zu signifikanter Abhängigkeit der Top-Masse von R.

Genaue Kenntnis des UE wichtig für Top-Messung!

Kenntnis und Verständnis des “UE”– interessant an sich,– wichtig für top-Messungen,– wichtig für alle QCD-Messungen.

UE

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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.

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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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AUSBLICK …auf Zukunft von HERA, Tevatron

Lumi¶ 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

Fortschritt

¶ Statistik (aber QCD-Messungen meist nicht statistisch dominiert!)¶ Theorie (NNLO, Resummierung, ME+PS, …)¶ Neue Analyseideen? Differentiellere Messungen?

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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 ...

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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.

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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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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 Rapiditätfür verschiedene PDFs: PDF8%.

W/Z-Ratio als Funktion der Rapiditätfür verschiedene PDFs: PDF3%.

Mention lumi monitor Important!

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PROMPTE PHOTONEN bei LEP, HERA, TEVATRON

Daten

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?

Idee

Von LEP, HERA, Tevatron; alle verglichen mit NLO.

Weitere Erfolg der QCD!

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PRODUKTION SCHWERER EICHBOSONEN am TEVATRON in LO, NLO, NNLO

“Leading order” funktioniert ganz gut … … aber große Unsicherheiten!

NNLO?

?????

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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.

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EVENT SHAPES BEI LEP UND HERA Anwendung der Power Corrections und der Resummierung

)()(PC

pQCD

VVdV

dV

dV

d

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S: HEUTIGER STANDErgebnisse in verschiedenen Ordnungen

S(MZ)=0.1187(20) [PDG]

S(MZ)=0.118X(YX) [Bethke] S(MZ)=0.1186±0.0050

Weltmittel(NNLO)

Zum Vergleich: – EM auf 12 Stellen bekannt, – GF auf 6 Stellen!

HERA-Mittel(NLO)

Ergebnisse in NLO (Jets, F2) theo. Fehler größer:

Unsicherheiten bei ca. 2% (in NNLO). Bedeutung für SUSY, Vereinheitlichung …

Bethke-Plot

Sehr gute Übereinstimmung ganz verschiedener Prozesse!

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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

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EXPERIMENTE

CDF/TEVATRON

(D0)

ZEUS/HERA(H1)

OPAL/LEP(ALEPH,L3,

DELPHI)

ATLAS/LHC(CMS)