1 / 40

Physik bei hohem Q 2 und die Suche nach neuen Phänomenen bei HERA

Physik bei hohem Q 2 und die Suche nach neuen Phänomenen bei HERA. Isabell-Alissandra Melzer-Pellmann DESY Hamburg, ZEUS DPG-Frühjahrstagung Aachen 10.-13.3.2003. Überblick. Einführung Partonverteilungen im Proton und inklusive Wirkungsquerschnitte Neutraler Strom Geladener Strom

vidal
Download Presentation

Physik bei hohem Q 2 und die Suche nach neuen Phänomenen bei HERA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Physik bei hohem Q2und die Suche nach neuen Phänomenen bei HERA Isabell-Alissandra Melzer-Pellmann DESY Hamburg, ZEUS DPG-Frühjahrstagung Aachen 10.-13.3.2003

  2. Überblick • Einführung • Partonverteilungen im Proton und inklusive Wirkungsquerschnitte • Neutraler Strom • Geladener Strom • Suche nach neuen Phänomenen • Zusammenfassung und Ausblick

  3. Einführung: HERA HERA: Einziger ep-Speicherring auf der Welt p e Maximale Schwerpunktsenergien: s = 300 GeV (1992-1997) s = 318 GeV (1998-2000) Luminosität pro Experiment: e-p: 16 pb-1 e+p: 100 pb-1 • Untersuchung der Protonstruktur bei sehr hohem Impulsübertrag (Q2 = s) • weltbestes Mikroskop für Protonen max

  4. Einführung:Tiefinelastische Streuung Elektron: punktförmig Proton: zusammengesetzt aus (quasifreien) Quarks und Gluonen Tiefinelastische Streuung: Wirkungsquerschnitt (s): s = SPartonverteilung • differentieller (eq)-s Partonverteilung:Wahrscheinlichkeit, Parton q mit Impulsanteil x im Proton zu finden _ q,q

  5. Einführung:Partonverteilung Partonverteilung aus NLO-QCD-Fit: • große x: Hauptbeitrag durch die Valenzquarks • kleine x: Hauptbeitrag durch Gluonen und von ihnen erzeugten Seequarks (Abstrahlung) Erinnerung: x= Impulsanteil des Partons im Proton

  6. Einführung:Partonverteilung Partonverteilung aus ZEUS NLO-QCD-Fit: • große x: Hauptbeitrag durch die Valenzquarks • kleine x: Hauptbeitrag durch Gluonen und von ihnen erzeugten Seequarks (Abstrahlung) Erinnerung: x= Impulsanteil des Partons im Proton

  7. Q2 2Pq Q2 sy x = = Bjorken-x Impulsanteil des getroffenen Partons im Proton E‘e 2Ee Pq Pk y = = 1 - (1-cos j) Inelastizität Relativer Energieübertrag auf das Proton in seinem Ruhesystem Kinematik am Beispiel eines NC-Ereignisses Q2= -q2 = -(k – k‘)2 = 2EeE‘e(1+cos j) = sxy Viererimpuls-Austausch

  8. 2 2 MW,MZ Einführung:Kinematischer Bereich von HERA taken from PDG 2002 • Hohes Q2: • elektroschwache Effekte • werden sichtbar, Suche • nach neuen Phänomenen • Hohes Q2A großes x • Erinnerung:Q2=sxy • Auflösung von 1/1000 der • Größe des Protons

  9. Neutraler Strom: Ereignis im Event Display e+ p e+ Jet

  10. Neutraler Strom: Strukturfunktionen Wirkungsquerschnitt: d2sNC 2pa2 dxdQ2 xQ4 (e) = (Y+F2 Y-xF3 - y2FL ) +  F2 = xAf[ q + q ] Hauptbeitrag durch g-Austausch-Term f xF3 = xBf[ q – q] sensitiv auf Valenzquarks f FL: longitudinale Strukturfunktion, klein bei hohem Q2 Af: g-Austausch + g-Z-Interferenz + Z-Austausch Bf: g-Z-Interferenz + Z-Austausch Y+= 1  (1-y) 2 groß klein

  11. Neutraler Strom: Messungdes Wirkungsquerschnitts Effekt der g-Z-Interferenz sichtbar bei großem Q2: Konstruktive Interferenz für e-destruktive Interferenz für e+. Standardmodell beschreibt Daten über 6 Größenordnungen! e- Q2 > 104 GeV2 : Massenskala der elektroschwachen Eichbosonen (Sensitivität auf elektroschwache Effekte) e+ 2 MZ

  12. Neutraler Strom: gZ-Interferenz Reduzierter Wirkungsquerschnitt: QCD-Fits: dominiert von Daten bei kleinem Q2 (höhere Statistik) Effekt der g-Z-Interferenz 1 xQ4 d2s Y+ 2pa2dxdQ2  s =

  13. Neutraler Strom: Erste Messung von xF3 bei HERA d2sNC 2pa2 dxdQ2 xQ4 (e) = (Y+F2 Y- xF3 - y2FL )  xF3 Gute Übereinstimmung mit QCD-Vorhersage! Sensitiv auf Valenzquarks: xF3  (q – q ) = ((qV+qS) – q) qV Ergebnisse in Statistik limitiert durch kleineren e- - Datensatz. x

  14. Geladener Strom: Ereignis im Event Display Fehlender Transversalimpuls, n wechselwirkt nicht im Detektor! ET/GeV p e+ f h Jet

  15. Geladener Strom:Strukturfunktionen Wirkungsquerschnitt: 2 d2sCC GF dxdQ2 4px M2 M2 + Q2 Effekt derW-Masse durch Propagator 2 W (e) = (Y+F2 Y-xF3 - y2FL )     W 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

  16. Geladener Strom: Messungdes Wirkungsquerschnittes • Unterschied e+ e- : • niedriges Q2 : See-Quarks • dominierend, Wirkungsquerschnitt • ähnlich groß • hohes Q2 : Valenz-Quarks • dominierend e- e+   e-p e+p su s (1-y)2(d) 2   e+p e-p MW s > s Standardmodell beschreibt die Daten sehr gut!

  17. Neutraler und geladenerStrom: Wirkungsquerschnitt Q2 > M2 , M2 : sCC sNC W Z Elektroschwache Vereinheitlichung 2 2 MW,MZ

  18. Geladener Strom: reduzierte WQ in Abhängigkeit von (1-y2) e-:Seequarks sind abhängig von (1-y)2: e+:Valenzquarks sind abhängig von (1-y)2:  e-p s ~ u+c+(1-y)2(d+s)  e+p s ~ u+c+(1-y)2(d+s) Test des u-Valenzquarks Test des d-Valenzquarks e- Seequarks dValenz e+ uValenz Seequarks 0.2 0.4 0.6 0.8 (1-y2)

  19. Zusammenfassung (I) Test des Standardmodells: • Messung der inklusiven Wirkungsquerschnitte für neutralen und geladenen Strom mit hoher Statistik Mehrere Effekte sichtbar: • Elektroschwache WW: gZ-Interferenz • Perturbative QCD: Evolution der Q2-Abhängigkeit bis hin zu Auflösungen von 10-18 m bei Q2 > MW/Z • Nicht-perturbative QCD: Bestimmung der x-Abhängigkeit der Partonverteilung A Summe aller Effekte: se (NC & CC) konsistent beschrieben • Erste Messung der Strukturfunktion xF3 • Sensitivität auf verschiedene Quarks im Proton beim geladenen Strom A Hervorragende Übereinstimmung SM  Daten 2

  20. Suche nach neuen Phänomenen • HERA bietet weites Feld an Möglichkeiten, • bei hohem Q2 nach neuer Physik zu suchen: • Suche nach Resonanzen • Leptoquarks • RP verletzende SUSY • Angeregte Fermionen • Suche nach Interferenzen • Kontaktwechselwirkungen • Große Extra-Dimensionen • Außergewöhnliche Ereignisse • Multi-Elektron-Ereignisse • Isolierte Leptonen bei fehlendem Transversalimpuls (FCNC?)

  21. Leptoquarks: Idee • Quarks und Leptonen: • punktförmige Teilchen, die sich ähnlich verhalten: • Gruppierung in Familien (3x2) • Proton und Elektron haben den gleichen Betrag an Ladung • 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

  22. Leptoquarks: Ergebnisse:e+-Jet-Massenverteilung • 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 Signal • bei H1 und bei ZEUS! • Berechne Grenzen für die Kopplung lij als Funktion von MLQ

  23. Leptoquarks: ErgebnisseMassen- und Kopplungslimits Grenze unter der Annahme, dass LQs unter Beachtung der SM-Symmetrien in eq oder nq zerfallen Ergebnisse abhängig von der Yukawa-Kopplung lij außer beim Tevatron (Paarproduktion)

  24. Leptoquarks: ErgebnisseMassen- und Kopplungslimits Grenzen auf be=BR(LQeq) im Fall, dass LQs beim Zerfall in eq und nq SM-Symmetrien nicht beachten, für verschiedene feste lij und be+bn=1 Kopplung an u Kopplung an d Sensitivität fast am kinematischen Limit, auch für kleine Werte von be

  25. Kontaktwechselwirkungen • Schwere Teilchen (Masse Mx >> s ): sichtbar durch Interferenz • mit SM-Prozessen! • Suche bei hohem Q2 (höchste Energien, kleinste Distanzen) LEP Vergleiche SM-Vorhersage mit den Daten. HERA A Keine Abweichung vom Standardmodell sichtbar! TeVatron Große Extra-Dimensionen führen zu ähnlichen Abweichungen A kein Hinweis gefunden (Ausschluß bis zu MS = 0.8 TeV)

  26. Ungewöhnliche Ereignisse:Multi-Elektron-Ereignisse SM Erwartung für Multi-Elektron- Ereignisse von QED-Prozessen: gge+e- Übereinstimmung mit SM über gesamten Massenbereich bis auf Bereich mit (M12>100 GeV)! Untersuchung bei großen Mee(e): Überschuss bei H1? Übereinstimmung mit SM bei ZEUS

  27. Ungewöhnliche Ereignisse:Leptonen und fehlendes pT Beide Experimente haben Ereignisse mit fehlendem pT und isolierten Leptonen mit hohem pT beobachtet. • Mögliche Erklärungen: • Single-W-Produktion • Neue Physik: • Single-Top-Produktion • Stop/Sbottom Produktion

  28. Ungewöhnliche Ereignisse:Leptonen und fehlendes pT Überschuss bei großem pT, wo der Untergrund am kleinsten ist! H1 e+p X X 94-00 ep 139pb-1 e: Daten/SM µ: Daten/SM t: Daten/SM ZEUS preliminary pT > 25 GeV 2/2.90-0.32 5/2.75-0.21 2/0.12 0.02 +0.21 +0.59 X pT > 40 GeV 0/0.94-0.10 0/0.95-0.10 1/0.06 0.01 +0.11 +0.14 X Kein Überschuss, SM beschreibt die Daten!

  29. Ungewöhnliche Ereignisse:Event Display: t und pT,miss

  30. Ungewöhnliche Ereignisse:Interpretation: l und pT,miss SM-Erwartung für single-top-Produktion vernachlässigbar wegen FCNC vertex kgut kgut Excluded by H1 (preliminary) HERA: sehr sensitiv auf kgut, kZut klein Andere Experimente: LEP: e+e- g,Z  tu TeVatron: seltene t-Zerfälle: t  gq, Z q Unterschied ZEUS  H1 durch Überschuss an isolierten Leptonen bei H1

  31. Zusammenfassung (II) Suche nach neuen Phänomenen: Ausschlussgrenzen, bei denen HERA führend bzw. konkurrenzfähig ist: • Leptoquarks • Angeregte Neutrinos • FCNC • RP -verletzende SUSY • (Kontaktwechselwirkungen, große Extra-Dimensionen) Ungewöhnliche Ereignisse bei HERA: • Multi-Elektron-Ereignisse • Leptonen und fehlender Transversalimpuls A höhere Statistik nötig

  32. Ausblick HERA II-Run (bis 2007): deutlich höhere Luminosität und Polarisation bieten großes Physik-Potential! Beispiele: • Präzise Messung der inklusiven Wirkungsquerschnitte (Genauigkeit wenige % bis zu Q2 < 50000 GeV2) • Messung der Quark-Impulsverteilungen im Proton bis zu hohem x • Direkte Messung von a und v für u/d-Quarks (6-17 %) – Polarisation! • Mehr Statistik für Ereignisse mit isolierten Leptonen bei fehlendem Transversalimpuls und für Multielektronereignisse A Potential für neue Entdeckungen!

  33. Reservefolienfolgen

  34. Neutraler Strom: reduzierteWQ für verschiedene Q2 Positrons running: Electron running: Sehr gute Übereinstimmung des SM mit den Daten im gesamten Q2-Bereich!

  35. R-Parität verletzende Supersymmetrie: Idee • R-Parität RP = (-1)L+3B+2S: • positiv für alle bekannten Teilchen • negativ für die supersymmetrischen Partnerteilchen • Verletzung der R-Parität: SUSY-Teilchen können einzeln produziert werden!

  36. Ähnliche Ergebnisse von ZEUS. R-Parität verletzende SUSY: Ergebnisse für das MSSM Suche nach e + n Jets, (e kann auch andere Ladung haben). Keinen Überschuss gefunden  setze Limit! Ausschlusslimits auf Kopplungen l‘1j1 im phänomenologischen Minimale SuperSymmetrischen Modell (MSSM)  Annahme: q koppelt an q1 = u,d (l‘1j1) A Entdeckungspotential für q2,3 

  37. R-Parität verletzende SUSY: Ergebnisse für das mSUGRA • Ausschlusslimits in der (m0,m1/2)-Ebene für das phänomenologische • minimale SuperGravitationsmodell (mSUGRA) • Beschränkungen des mSUGRA u.a. durch: • m0: universeller Massenparameter für Fermionen in der GUT-Skala • Annahme: elektroschwache Symmetriebrechung wird durch radiative • Korrekturen gesteuert

  38. Bei HERA: auslaufendes Lepton oder gestreutes Quark kann angeregt werden (NC und CC). • Suche nach Resonanzen in invarianten Massen der Zerfallsprodukte Angeregte Fermionen:Idee • Annahme: Fermionen sind nicht punktförmig (aus mehreren Teilchen zusammengesetzt) • Dann besteht Möglichkeit, angeregte Zustände zu erzeugen! Lagrangian von Hagiwara et al.: L = L-1 (f • SU(2) + f ‘ • U(1) + fS • SU(3)) L:Massenskala, muss endlich sein f ,f ‘ ,f S : freie Parameter mind. einer muss 0 sein

  39. Setze fs=0 und f=f´, um die Sensitivität von HERA auf die elektroschwachen Kopplungen f,f´ zu nutzen! HERA-Experimente decken eine höhere Masse ab als LEP-Experimente! Angeregte Fermionen:Limits Kein Überschuss gefunden  setze Limit auf f/L!

  40. Keine Hinweise auf große Extra-Dimensionen! Setze Limits auf Massenskala MS: positiv bzw. negativ entsprechend der Interferenz. Large Extra Dimensions • Idee: • SM-Teilchen leben in 4 Dimensionen • Gravitonen leben in (4+n) Dimensionen • Extra-Dimensionen sind aufgerollt mit Größe R  1/MS (MS=O(TeV): Gravitationsskala) • „Projektionen“ der Gravitonen auf 4 Dimensionen koppeln mit Stärke  lS/MS4 an massive Teilchen Aähnliche Modifikation des WQ wie bei Kontaktwechselwirkungen!

More Related