TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Vorlesung am 19. Mai 2006 Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg, IExpPh Sommersemester 2006

TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENEVorlesung am 19. Mai 2006

Thomas Schörner-Sadenius

Universität Hamburg, IExpPhSommersemester 2006

TSS/RK SS06: Teilchenphysik II 19.5.2006 - 2

ÜBERBLICK

1. Die quantenmechanische Beschreibung von Elektronen2. Feynman-Regeln und –Diagramme3. Lagrange-Formalismus und Eichprinzip4. QEDEinschub: Beschleuniger und Experimente5. Starke Wechselwirkung und QCD

5.1 QED als Muster relativistischer Feldtheorien5.2 QCD: die Theorie der starken Wechselwirkung (Farbe, SU(3)-Eichinvarianz, Gell-Mann-Matrizen, Masselosigkeit der Gluonen, Lagrange-Dichte der QCD, Renormierung, “running coupling”, asymptotische Freiheit und Confinement5.3 Nicht-perturbative QCD: Jets, Fragmentation, Entdeckung/Messung des Gluonspins5.4 Perturbative QCD: 5.4.0 S in e+e- (PETRA und LEP) 5.4.1 tiefunelastische Streuung (DIS) und die Struktur des Protons 5.4.2 Messung der starken Kopplungskonstante in DIS mit Jets 5.4.3 Präzisionstests der QCD 5.4.4 Universalität der Partonverteilungen5.5 Hadronen in der QCD: Aufbau aus Quarks, Zerfälle, Quarkonia, das Potential der QCD und Confinement

Einschub: Wie sieht eine QCD-Analyse bei ZEUS aus?

5.4.1 nur teilweise ohneDiskussion von 5.4.2

behandelbar !


Paradigmatische Bestimmung der starken Kopplung in der Elektron-Positron-Vernichtung in 4 Jets:

Tiefunelastische Streeung: Aus der Hadron-spektroskopie motivierte Annahmen: - Es gibt drei Konstituenten mit Spin-1/2 (Valenzquarks u,u,d).- Ladungen: Qu=2/3, Qd=-1/3. - Diese tragen Bruchteile xi, i=1,2,3, 0<xi<1, des Protonimpulses.

Modifikation des e-WQS:

WIEDERHOLUNG

324 )()()( ScutScutcut yByAyR

2

2

42

22

2

2 ~2

1~1

4q

qqeq

Qs

Q

s

Q

QdQ

d

i

eqep i

)(2)(

)()(

12

22

xxFxF

xfQxxFi

ii

)()(14

12

222

22

xFxyxFysQdydx

d

ep

Mit Definition der kinematischen Variablen x, y, Q2 und der Strukturfunktionen F2 etc.:

F2 unabhängig von Q2 – Skalenverhalten!


WIEDERHOLUNG

Durch Gluonen und Quantenfluktuationen kommt es zu Skalenverletzungen. Grund: Bei verändertem Auflösungsvermögen Q2 sieht man mehr/weniger Strukturen auf kleinen Skalen.

Aktuelle präzise Messungen von F2 von HERA sehr gut mit QCD-Theorie verträglich!


5.4.1 SKALENVERLETZUNG UND QCD


Zur Kinematik der ep-Streeung …

… kriegen Sie eine kleine Aufgabe …

5.4.1 F2: VORGEHEN; SKALENVERLETZUNGEN– Unterteile x-Q2-Ebene in “vernünftige” Bins:

– Merke, dass bei kleinen y:

– Also:

),(2

2222

2

2

2

QxFQxdxdQ

d

dxdQ

d

QxQxF

2

21

22

22

2

2 ),(

Zählen!x,Q2 gemessen!

),(2

2

)(

2222

2

2

2

2

22

QxFQxdxdQ

d

Pk

Qx

kkQPk

Pqy

e(k’)

e(k)(q)

gestreutesParton

q(xP)

WeiterePartonen


5.4.1 F2: SKALENVERLETZUNGEN

– Unter der Annahme von nur u,d-Quarks (ist einfacher) und mit

folgt für F2:

Man kann zwei Grenzfälle isolieren: – große x: Gluondichte g(z) für z>x verschwindet

– kleine x: Gluondichte dominiert das Proton

),(d9

1),d(

9

1),(u

9

4),u(

9

4x

),(),(

2222

2222

QxQxQxQx

QxfQxQxFi

ii

1222

2

2

2

22

),()(2),()(

2

)(

ln

),(

x iiqgqq

S

QQzgz

xzPQzF

z

xP

z

x

z

dz

Q

Q

QxF

1

22

2

2

22 ),()(

2

)(

ln

),(

x

qqS QzF

z

xP

z

x

z

dzQ

Q

QxF

1

222

2

22 ),()(2

2

)(

ln

),(

x iiqg

S QQzgz

xzP

z

x

z

dzQ

Q

QxF

)()()(

)()()(

xzuxuzg

xzgxuzu

1

x z

dz

1222

22 ln),()(),()(

2

)(),(

x

qgqqS QQzg

z

xPQzu

z

xP

z

dzQQxu

KopplungSplitting-Funktionen(pQCD): W’keit, dassParton mit z anderesParton mit x abstrahlt. Änderung von u bei x

proportional zur Dichteder Quarks/Gluonen, die

abstrahlen können.

Verhalten von F2 mit Q2 (halb)quantitativ:

- Betrachte Änderung der Dichte von Quarks q(x,Q2) mit Impulsbruchteil x bei kleiner Änderung von Q2Q2+dQ2. (z>x)). Man sieht etwas mehr von Prozessen wie

- z kann Werte zwischen x und 1 haben:

- Damit kann man zeigen, dass:


Ergebnis (Beispiel):

– Unterschiede durch verschiedene Datensätze und verschiedene Parametrisierungen.– Verschiedene Gruppen: CTEQ, MRST, Alekhin, H1, ZEUS– Unsicherheiten von wenigen Prozent (u bei moderaten x) bis 100% (g bei hohen x) Problem für LHC!

Typische Parametrisierungen der Abhängigkeit von F2 von den Partonverteilungen fi(x,Q2):

Durch Variation der Parameter kann die Vorhersage von F2 an die Daten angepasst werden. Der optimale Parametersatz liefert dann die Partonverteilungen (PDFs) des Protons.

(Anmerkung: Der theoretische Ansatz verlangt, dass die PDFs bei einer kleinen Startskala Q0

2 angenommen und dann mithilfe der Evolutionsgleichungen zu hohen Skalen Q2>Q0

2 entwickelt werden.)

Probleme: – Anzahl der Parameter gross!– Auswahl der Datensätze (fixed-target, Neutrino, Myon, HERA, Drell-Yan etc.).– Abschätzung der Unsicherheiten.– …

5.4.1 PARTONVERTEILUNGEN AUS F2

)1()1(

)1()1(32 JxIxHxxxEq

DxxxAqGF

s

CBv


Zur Unsicherheit der Gluondichte:

Relevanz für z.B. Higgs-Produktion bei LHC?

“Ehrlichere” Darstellung: Man beachte das starke Ansteigen des Sees und der Gluonen zu kleinen x hin!

5.4.1 PARTONVERTEILUNGEN AUS F2


5.4.1 S IN SKALENVERLETZUNGEN VON F2

Erinnerung: Strukturfunktion F2: Wiederholung Theorie:

Bei bekannter Strukturfunktion F2 (und ihrer Ableitung), bekannter Gluondichte g und bekannten Splitting-Funktionen P kann S(Q2) extrahiert werden(beachte: Q2 ist einzige harte Skala im Prozess).

2222

22 ,,ln

,QxgPQxFP

Qd

QxdFgqSqgS

qqi

iiep qQxfxQxF,

2222 ,,

Ergibt einen sehrgenauen Wert für

die starke Kopplung!


Umbenennung: u(x)dx, d(x)dx etc. ist Wahrscheinlichkeit, ein u,d-Quark mit Impulsanteil x zu finden.Wir unterscheiden Valenzquarks uud und Seequarks aus Fluktuationen: uu, dd, ss, … Damit und den als bekannt angenommenen Quarkladungen kann man die Strukturfunktion des Protons F2

ep schreiben als:

Annahme von Isospin-Invarianz ergibt beim Übergang zum Neutron:

Also:

Integration über x ergibt einige “Summenregeln”:

Addition/Subtraktion dieser beiden Gleichungen:

Da das Proton die Strangeness 0 hat muss gelten:

Interessant: Impulssummenregel:

Laut QPM sollte 0 sein. Vernachlässigung von s:

Experimentell: Wert des Integrals ca. 0.5! Den restlichen Impuls tragen die Gluonen! Da sie elektrisch neutral sind, tragen sie nicht zur EM-Struktur (also zu F2) bei.

5.4.1 QPM UND SUMMENREGELN

)()()()(

9

1)()(

9

4)(2 xsxsxdxdxuxuxxF ep

)()()( ),()()( xuxuxdxdxdxu pnpn

)()()( xsxsxs pn

)()()()(

9

1)()(

9

4)(2 xsxsxuxuxdxdxxF ep

(n) 0)()(3

1)()(

3

2

(p) 1)()(3

1)()(

3

2

1

0

1

0

xuxuxdxddx

xdxdxuxudx

1)()( 2)()(1

0

1

0

xdxddxxuxudx

0)()(1

0

xsxsdx

-1)()()()()()(1

0

xsxsxdxdxuxuxdx

1

0

2

222

1)(5

18

)()()()(18

5

2

1

dxxF

xdxdxuxuxFFF

eN

enepeN


5.4.2 S AUS JETS IN DIS

Wir betrachten folgende Pozesse in ep-Streuung

… und die Korrekturen höherer Ordnungen:

“Uninteressant” hingegen ist:

Wirkungsquerschnitt: Reihenentwicklung in S:

Vier wichtige Fragen: 1.Was ist die relevante Skala für S?2.Wie kann man die Prozesse der Ordnung S

0 ausschliessen (wenn man will)?

3.Was sind die Koeffizienten Cn (später)?4.Wie sehen solche Ereignisse im Detektor

aus?

Zu 1.) Relevante Skala: Wähle hohe Energieskala, bei der der harte Prozess abläuft.

QCD-Compton Boson-Gluon-Fusion

S

S

Reell, brauchen auch virtuelle(Schleifen-)Korrekturen …

1S

2S

0S Quark-Parton-Modell-

(QPM)-ProzessRelevant für Struktur-

funktionen.

22

11

1

CCC SSn

NLO

nnS

Beitrag n=0 liefertkein S. Experimentell:Breit-Bezugssystem!

Koeffizienten Cn

berechenbar (später)

NLO=niedrigste(nullte)+erste

Ordnungen

Q2

(transversale) Jet-Energie ET,Jet

Möglichkeiten: Q2, ET2

Ambiguität – theo. Fehler!


Zu 2.) Warum betrachtet man bei Hadron-Collidern wie HERA oder Tevatron immer die transversale Energie ET?– Im Anfangszustand ist die Summe der Transversalenergien =0:

– Nach der Wechselwirkung gibt es Impulse senkrecht zur z-Achse (z.B. gestreutes Elektron) – diese charakterisieren also die Wechselwirkung!

– Aber man weiss nicht, welcher Bruchteil der (rein longitudinalen) Protonenergie in die Wechselwirkung floss (Quark-Bild!) – die Schwerpunktsenergie ist letztlich unbekannt!

Noch zu 2.) Wie unterdrücke ich experimentell die Anteile der Ordnung S

0?

QPM-Ereignis im Labor-System:

das Quark (= der Jet) hat Transversalimpuls!

Jetzt Lorentz-Boost so, dass Photon und Quark auf der z’-Achse liegen:

Breit-Bezugssystem (“brickwall system”):

QPM-Ereignisse geben KEINEN hadronischen (Jet)-Transversalimpuls relativ zu z’ ET-Cut selektiert also “QCD”-Ereignisse (QCDC, BGF), denn:

5.4.2 S AUS JETS IN DIS: ET, BREIT-SYSTEM

+zElektron Proton

+z

Elektron

HadronischesSystem

ElektronProton

+zPhoton

Quark

Quark

+z

+z‘

Photon Quark +z‘

Quark

02 qPx

+z‘

Photon Quark

+z‘Quark 1

Quark 2


Zu 4.) Wie sehen solche Ereignisse im Detektor aus?

5.4.2 S AUS JETS IN DIS: EREIGNISSE

QPM


Zu 4.) Wie sehen solche Ereignisse im Detektor aus?

5.4.2 S AUS JETS IN DIS: EREIGNISSE

??????


Salopp gesagt: Man kann beweisen (Faktorisierungstheoreme), dass man nur- ME berechnen muss (leicht in pQCD, hängt von einlaufendem Impuls x ab)

- PDFs kennen muss (z.B. aus F2)

- und dann beides “zusammenkleben” kann, um zum WQS zu kommen.

Die Faktorisierungseigenschaft ist sehr fundamental und keineswegs selbstverständlich!

Zu 3.) Was sind die Koeffizienten Cn?

Faltung der “weichen” Anteile (PDF) und der harten (ME) Prinzip der Faktorisierung!

5.4.2 S AUS JETS IN DIS

11 n

nS

nn

nS MEPDFC

Partonverteilungen Faltung Matrixelement(WQS) der Parton-

Parton-Steuung

PDF fi/p,nicht-perturbativ

ME, hohe Skalen(Q2, ET)

1,/

1,/

11

n i

nipinS

n inipi

nS

n

nS

nn

nS

dxff

MEPDFC


Ergebnisse solcher Analysen bei HERA:

Detektor:

Wie wird nun die starke Kopplung gemessen? Einfachste Methode:– Berechne den Wirkungsquerschnitt i für jede Observable i als Funktion von S(MZ).

– Interpoliere die quadratische Funktion in S(MZ):

– Bestimme das zum gemessenen idata

gehörende S(MZ).– Kombiniere ggf. verschiedene S(MZ)-Werte.– Oder evolviere zur “richtigen” Skala 2.

5.4.2 S AUS JETS IN DIS: EXTRAKTION

22

22

12

222

21

2

ZsZsZstheoi

RsRsRstheoi

MCMCM

CC

2

22

22

ln)(12

2331

)()(

ZZS

f

ZSS

MQ

Mn

MQ

Gemessener Wirkungsquerschnittfür Produktion von 1+ Jets in einembestimmten kinematischen Bereich.

Daten verglichen mit QCD-Rechnungin nächstführender Ordnung, NLO.

Unten: Verhältnis (Daten-NLO)/NLOMass für Qualität der Beschreibung

der Daten durch Theorie.

+z‘Quark 2

Quark 1

+z‘

Jet 2

Jet 1+z‘

Jet 2

Jet 1

pT


Man sieht also: 1. Die Werte verschiedener HERA-

Messungen stimmen gut miteinander überein (Uffff!)

2. Die Energieabhängigkeit wird gut von der Theorie (QCD in NLO) beschrieben:

Resultierende S(MZ)-Werte und ihre Kombination:

Evolviert zur Skala ET:

5.4.2 S AUS JETS IN DIS: EXTRAKTION

2

2

2

2

20

1

2

2

0

2

ln

lnln2

1

ln

4)(

QCD

QCD

QCD

S Q

Q

QQ

FührendeOrdnung (LO)

0=11-2/3nf, 1=51-19/3nf

(Renormierungsgruppengleichung)


5.4.2 S AT HERA


Die Struktur des Jet-Wirkungsquerschnitts (bei HERA):

Der Wirkungsquerschnitt wird geschrieben/berechnet als Reihenentwicklung (bis nächstführende Ordnung) mit dem Parameter S. Die Koeffizienten sind Faltungen der PDFs mit den partonischen Wirkungsquerschnitten.

Die Messung solcher Daten und der Vergleich mit der theoretischen Vorhersage erlaubt also folgende Tests:

– Unterliegende Eichgruppe (ist es wirklich SU(3)C?) (Spins, Farbfaktoren – siehe Paper auf Webseite).– Starke Kopplung.– PDFs und ihre Universalität.– Faktorisierung.– Konzept der perturbativen QCD– Abhängigkeit vom Boson (neutral/geladen).– “Partondynamik im Proton”– Spin von Quarks und Gluonen

H1-Ergebnisse zu 1/2/3-Jet-Wirkungsquerschnitten:

5.4.3 PRÄZISIONSTESTS DER QCD

2

1 ,,

),,/(ˆ),()(m gqqa

frBjfarms xf


Der Spin von Quarks und Gluonen wurde sowohl bei LEP als auch bei HERA in 2-Jet-Ereignissen gemessen.

Idee: Der Spin des Propagators wirkt sich auf die Winkelverteilung der beiden Jets aus:

Trennung der beiden Ereignisklassen über Variable x: Bruchteil der Photon-Energie, die an harter Streuung teilnimmt, aus Jets berechenbar.

Ergebnis von ZEUS (analog z.B. von OPAL):

Die beiden Beiträge zeigen deutlich verschiedenes Winkelverhalten und gute Beschreibung durch die Theorie.

Quarks haben Spin ½, Gluonen Spin 1! Ein weiteres Feature der QCD bestätigt!

5.4.3 PRÄZISIONSTESTS: GLUON-SPIN

Quark-Propagatormit Spin ½: (1-|cos*|)-1

Gluon-Propagatormit Spin 1:(1-|cos*|)-2


D*-Massenpeak:

F2cc-Beschreibung mit

g(x,Q2) aus F2:

5.4.4 UNIVERSALITÄT DER PDFS

Charm-Strukturfunktion F2cc (parametrisiert

den Anteil der Proton-Struktur aus c-Quarks).

– Charm im Proton nur aus gcc-Fluktuationen. F2

cc sensitiv auf Gluondichte g(x,Q2).

– Gluondichte aus PDF-Fits an F2.– Charm-Ereignisse aus D*-Analyse:

c

c

D*

s+

+K-

D0

Das Gluon ist universell!

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