QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN

1. QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN Thomas Schörner-SadeniusUniversität Hamburg DPG-Tagung Dortmund24. März 2006 Mit herzlichem Dank an: blablabl

2. HERA-LHC-WORKSHOPReiche Auswahl an QCD-Ergebnissen TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

3. ÜBERSICHT ¶ EINLEITUNG UND MOTIVATION ¶ DAS PROTON ALS QCD-LABOR ¶ JETS UND DIE BESTIMMUNG VON S ¶ SCHRITT ZURÜCK: IST ES WIRKLICH QCD SU(3)C? ¶ PRODUKTION VON EICHBOSONEN ¶ “UNDERLYING EVENTS”, “MULTIPLE INTERACTIONS” ¶ DER HADRONISCHE ENDZUSTAND … und das alles (u.v.a.) kommt nicht unter: ¶ Physik schwerer Quarks ¶ Diffraktion ¶ Photon- und Elektronstruktur ¶ Spinstruktur des Protons ¶ Phänomenologie (Resummation, ME+PS etc.) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

4. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Elektron Gestreutes Elektron Boson Gestreutes Parton Protonrest Proton TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

5. Partonschauer ... then a miracle occurs … QCD-Strahlung FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Hadronisierung TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

6. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

7. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element) F Partonverteilung (PDF)summiert “weiche” Anteileder QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

8. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Jet-Algorithmussummiert effektiv Strahlungvom gestreuten PArton. Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element) F Partonverteilung (PDF)summiert “weiche” Anteileder QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

9. Störungsreihein S “Harte” Abstrahlungen führen zu komplexeren Matrixelementen proportional zu Potenzen von S (nur reelle Korrekturen gezeigt). Probleme(sogar hier!) • S ist groß ~ 0.1 – 0.2  Reihenkonvergenz? Höhere Ordnungen! • Berechnung der Koeffizienten Cn? NLO (NNLO) Maß der Dinge! SCHWERPUNKT: PERTURBATIVE QCDund Reihenentwicklung der harten Wechselwirkung Elektron Faktoriserungder Probleme Faltung von Partonverteilungenund partonischen Wirkungs-querschnitt (“Matrixelement”);Anwendung eines Jet-Algos. Jet Matrixelement  Partonver-teilungen fi/p TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

10. BEDEUTUNG VON PRÄZISION?Beispiele Supersymmetrie, Higgs LO,NLO NNLO • Höhere Ordnungen ändern VorhersagenBeispiel: Interpretation des Higgs! (Higgs~mt2 als Test des SM). • Höhere Ordnungen reduzieren theoret. Unsicherheiten!  PDF, Skalen, etc. • Problem: Berechnungen verlangen Konsistenz: S, PDF und Matrixelemente in gleicher Ordnung! S • Weltmittelwert in NNLO (PDG): S(MZ)=0.1187(20) 2% Fehler in NNLO! (EM auf 12 Stellen, GF auf 6 Stellen!) • HERA (Jets etc.): NLO (C. Glasman) S(MZ)=0.1186±0.0050 • Bedeutung z.B. für Frage nach großer Vereinheitlichung, SUSY! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

11. LEP, HERA, TEVATRON, LHCDie Werkzeuge TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

12. EXPERIMENTEEine Auswahl OPAL/LEP • 4-Abdeckung.• Silizium-Streifendetektoren• präzise Spurkammern• granulare, hochauflösende Kalorimeter• Myon-Systeme CDF/TEVATRON ZEUS/HERA ATLAS/LHC TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

13. (HERA: 0.0001-1fm) x1 x2<x1 DAS PROTON ALS QCD-LABORErforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten TiefunelastischeStreuung (DIS) e± e± “Inklusive Messung”: Messung vonElektronwinkel- und Energie liefertVariablen x und Q2. Photonimpuls q(Q2 = -q2) q Impulsbruchteil x Proton Der Wirkungsquerschnitt ist proportional zur Strukturfunktion F2, die die Verteilung elektrisch geladener Bestandteile beschreibt ep-Wirkungs-querschnitt (Partonverteilungen fi/p: W’keit, bei Auflösung Q2Parton i mit Impuls x zu finden). QCD-Erwartung Bei steigender Auflösung Q2: - Gluonabstrahlung vom Quark mit x1 Quarkdichte fi(x1) bei hohen x1 sinkt. - Gluonen zerfallen in Quark-Antiquark Quark/Gluondichte bei kleinen x steigt. x3<x2 x2 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

14. Anstieg beihohen x – Glänzenden Bestätigung der QCD.– Verstehen wir die Dinge wirklich so gut? “Scaling” beimittleren x – Zugang zur Kopplung S, zu den Quark- Dichten fi und zur Gluondichte g. Abfall beihohen x STRUKTURFUNKTION F2und der HERA-Beitrag – Erweiterung des kinematischen Bereichs um viele Größenordnungen.– Experimentelle Genauigkeit: 2%! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

15. 60 60 Ohne HERA Mit HERA 40 40 20 20 DIE PARTONVERTEILUNGENHERA, Unterschiede der Fit-Gruppen HERA:Bedeutung HERA entscheidend für genaue PDFs!Drastische Unterschiede der einzelnen Fits! Gluon beikleinen x Nur durch Ableitung dF2/dlnQ2 bestimmt  ungenau! Unterschiede bei höheren Q2 kleiner (Evolution). 10%-Unterschied bleibt. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

16. BEDEUTUNGBeispiel: Higgs-Physik PDFs Higgs-Produktion bei LHC ist sowohl auf Quark- als auch auf Gluondichte sensitiv! Unsicher-heit PDF-Unsicherheit auf Higgs-WQS: je 10% von Quark- und Gluon-PDFs! Reicht das, um Charakter des Higgs-zu etablieren (Higgs~mt2 )? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

17. VERBESSERUNGEN ?Kombinierte Analysen, mehr Daten (Jets)! AndereDaten ZEUS-Jet-Daten (zusätzlich zuF2) schränken Gluon ein. Grund:Boson-Gluon-Fusion bei hohen x! MehrDaten H1/ZEUS-Averaging NNLO Gluondichte xg(x) Alekhin TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

18. GLUON BEI KLEINEN xMessung von FL – nur bei HERA machbar. Idee • Longitudinale Strukturfunktion gibt unmittelbaren Zugang zur Gluondichte bei kleinen x! • HERA bietet einzigartige Möglichkeit, FL zu messen  Vorschlag für HERA-Run mit niedriger Protonenergie (z.B. 460 GeV). • Gleichzeitig wichtiger Test von QCD in höheren Ordnungen. Gesamte Verbesserung der PDFS durch HERA-II(Beispiel hoher Q2  LHC) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

19. LO kT-EFFEKTE IM PROTONvon HERA lernen für LHC (z.B. Higgs) Annahme kollineare Faktorisierung: Partonen der harten Wechselwirkung haben keinen Transversalimpuls kT! • Weitere PDF-Themen: • Resummationenum weicher Effekte und großer Logarithmen Herr zu werden. • DGALP-Evolution auf dem Prüfstand: Lineare Evolution in Q2? Höhe der Ordnungen? Saturationseffekte? Terme in ln1/x? • … Real QCD-Strahlung vom Parton erzeugt kT kT des Higgs in ggH! Effekt Drastisch – viele GeV! Abstrahlungen müssen berücksichtigt werden, um sauberes Higgs-Signal zu erhalten (Untergrund aus tt).  Unintegrierte Parton-dichten!!! (HERA). TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

20. e– e+ e± e±, Daten,Experimente Tests dieser Art bei LEP (v.a. in Photon-Photon), HERA (Elektron-Proton und Photon-Proton) und Tevatron. p QCD-TESTS MIT JETSWie bestimmt man S mit Jets? (am Beispiel HERA) Wirkungs-querschnitt Im Vergleich Daten – Theorie (NLO) kann man:– PDFs extrahieren (schon gezeigt); ihre Universalität testen,– S extrahieren (geht auch mit F2 u.v.a, siehe später), – die Annahmen von Faktorisierung und Störungstheorie testen. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

21. JETS BEI LEP UND HERAGroßer Erfolg der perturbativen QCD! Jets in tiefunelastischem ep.Unsicherheiten der NLO-Theorie dominieren Fehler. LEP Zweijet-Ereignisse in -Stößen.Photon-Struktur  Theorie unsicherer. HERA TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

22. JETS BEI TEVATRONBis zu sehr hohen Jet-Energien; aber große Fehler. Jet-Ereignisse in pp-Stößen.Systematik: Energieskala, PDFs. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

23. JETS IN NLO: UNSICHERHEITEN oft durch Theorie dominiert! PDF-Unsicherheit. Abschätzung des Effekts fehlender Ordnungen  Variation von R. Fazit – Universalität der PDFs und Faktorisierung funktionieren (5%).– Theorie in NLO limitiert Ausnutzung der Daten Skaleneffekte  höhere Ordnungen (NNLO), PDFs, … TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

24. D. Stump et al., hep-ph/0303013 JETS BEI LHCPDF-Fehler als Entdeckungshindernis? Jets bis 5 TeV!ExperimentelleFehler? Heutige PDF-Fehler(CTEQ6.1) Groß genug, um einSignal zu übersehen? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

25. JETS BEI LHC – BIS 5 TeV!Was können wir noch erwarten? Erwarteter PDF-Fehler bis 2007 (gelb) … … und der Effekt auf LHC-Jets. • Weitere Jet-Themen (falls Zeit): • unintegrierte Partonverteilungen: Transversalimpuls der Partonen im Proton können nicht einfach vernachlässigt werden. • “Underlying Events” und “Multiple Interactions” werden bei LHC zu drastischen Effekten führen – aber die “Tevatron-Tunes” scheinen zu versagen! • … Erst durch genaue Kenntnis der PDFs (und anderer Theoriebestandteile) kann man z.B. Multijet/”Multiple Interaction”-Ereignisse von “mini black holes” unterscheiden oder SUSY-Signaturen erkennen! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

26. IST ES WIRKLICH QCD ?Spin von Quarks und Gluonen Quarks/Gluonen “Direct  Resolved” Photon Quark-Propagator Gluon-Prop. Quark-Spin TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

27. LEP Some blabla hier … IST ES WIRKLICH QCD?”Color Factor”-Analyse von LEP,HERA ColorFactors CF, CA, TF definieren die Farbdynamik, legen die unterliegende Eichgruppe. Jets Verschiedene Beiträge zum WQS (z.B. 3-Jets in Photoproduktion): TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

28. BESTIMMUNG VON SAus Jets (alle), F2-Skalenverletzungen etc. Dazu noch Ergebnisse aus der Analyse – der inneren Struktur von Jets– Event-Shapes (später)– Skalenverletzungen von Fragmentationsfunktionen– … und natürlich ,Z-Breite etc. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

29. BESTIMMUNGEN VON Seine subjektive Auswahl Gute Übereinstimmung aller Experimente; Bestimmungen in unterschiedlichen Prozessen! HERA: F2, Jets (NLO) Tevatron: Jets (NLO) Vergleich HERA, Tevatron, LEP,Weltmittel (NNLO). Trotz NNLO (immer noch) 2% Fehler! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

30. SBEI LHC AUS JETSIst eine genaue Bestimmung denkbar? … sind sensitiv … “Daten” aber starke PDF-Abhängigkeit! Abschät-zung Theoretischer Fehler von unter 10% sollte möglich sein. Wie werden die experimentellen Unsicherheiten aussehen ? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

31. Weitere Erfolg der QCD! PROMPTE PHOTONEN bei LEP, HERA, TEVATRON Idee 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? Daten Von LEP, HERA, Tevatron; alle verglichen mit NLO. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

32. PRODUKTION SCHWERER EICHBOSONEN am TEVATRON in LO, NLO, NNLO “Leading order” funktioniert ganz gut … … aber große Unsicherheiten! NNLO? ????? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

33. ATLAS-Pseudodaten (We+) und ZEUS-PDF mit Unsicherheit vor und nach Einschluss der Pseudodaten in den PDF-Fit. Potential zur PDF-Präzisierung? 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 Rapidität • für verschiedene PDFs: PDF8%. W/Z-Ratio als Funktion der Rapidität für verschiedene PDFs: PDF3%. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

34. “UNDERLYING EVENTS” (UE) und mehrfache Wechselwirkungen Versuch, den weichen Energiefluss jenseits der einen (?) harten Wechsel-wirkung zu beschreiben: Partonschauer, weitere Partonstreuungen, Strahlremnants … Tuning der Monte-Carlo-Modelle an TEVATRON-, HERA-Daten …Abhängigkeit von Behandlung weicher Wechselwirkungen, PDFs, Faktorisierung etc. … TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

35. MODELL-TUNING BEI TEVATRONAnpassung z.B. an pT-Summe … Idee Betrachte Ereignis “weit weg” von der harten Physik – also von harten Jets; Definiere die “transversale” Richtung:90o in  relativ zum Jet versetzt  von UE dominiert? Messung pT-Summe in der transversalen Region, Multiplizität geladener Teilchen als Funktion des Jet-ET. Modelle können mehr oder wenigergut an Daten angepasst werden. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

36. I. Borjanovic et al., hep-ex/0403021 EXTRAPOLATION ZU LHC , RELEVANZGroße Unsicherheiten! Vorgehen Wende CDF-Tunes auf LHC-Vorhersagen an. Man beobachtet sehr große Unterschiede der Modelle! Problem? Z.B. die Bestimmung der Top-Masse hängt massiv vom Einfluss des “underlying event” ab – muss also bekannt sein. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

37. VON/BEI HERA LERNEN?… in p-Kollisionen HERA p Ist effektiv Hadron-Hadron Kollision – also mit pp-Kollision vergleichbar. Hadronischer Charakter des Photons ist “einstellbar” (Q2).  Bei HERA etwas über die Grundlagen des underlying events lernen? ZEUS-Jets in Photoproduktion als Funktion von x. Vergleich mit PYTHIA mit (durchgezogen) und ohne (gestrichelt) “multiple interactions”-Option. Beispiel HERA sollte hier noch Beiträge liefern; ZEUS-Anstrengung gerade gestartet. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

38. TEILCHEN-MULTIPLIZITÄTENin e+e–, pp und ep. Die Multiplizität geladener Teilchen ist vielleicht die einfachste Variable zur Beschreibung von Effekten der Fragmentation und Hadronisierung – des hadronischen Endzustandes. Sie wurde in ee, ep und pp gemessen. Die verschiedenen Ergebnisse stimmen gut überein. MC-Modelle und auf LHPD und Resummation beruhende Rechnungen beschreiben Daten. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

39. UniversellerParameter 0 NICHTPERTURBATIVE EFFEKTE Abschätzung mit “Power Corrections” Problem ????? Theorie:Partonen Experiment:Hadronen Jet-Physik Abschätzung der Hadronisierungmit Monte-Carlo-Generatoren: Alternativ Für “Event Shape”-Variablen (Thrust, Broadening, C-Parameter …) Abschätzung mithilfe von “power corrections” (Webber et al.): Zusätzlich Für “Event Shapes” bei LEP und HERA existieren resummierte Vorhersagen zusätzlich zur “fixed-order”-QCD: LLA, MLLA … TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

40. Mit MC-Modellen Mit Power Corrections EVENT SHAPES + POWER CORRECTIONS … und der Resummierung T=0.5 z.B.Thrust Ist ein Ereignis (in e+e–) eher “rund” oder “bleistiftartig”? Andere Variablen: Broadening, Jet-Massen, C-Param. T=1.0 Hadroni-sierung Mittelwerte der Event Shapes. Beide Ansätze scheinen vergleichbar gut zu funktionieren. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

41. EVENT SHAPES BEI LEP UND HERA Anwendung der Power Corrections und der Resummierung TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

42. EVENT SHAPES Extraktion von S und 0. konsistentes Ergebnis?Reicht ein Parameter 0? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

43. AUSBLICK Noch schöne Daten von HERA und Tevatron TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

44. ZUSAMMENFASSUNG QCD … ist eine spannende Theorie,– zu deren Verständnis Beschleunigerexperimente viel beitragen;– die noch viele Fragen bereit hält;– die jeden LHC-Physiker interessieren muss! Präzision – ist in der QCD eine Herausforderung;– wird in manchen Messungen mehr und mehr erreicht (S, PDFs);– ist notwendige Voraussetzung für Entdeckung und Verständnis von Physik jenseits des Standardmodells bei LHC. LHCbraucht – präzise vermessene Partonverteilungen;– höhere Ordnungen, wann immer möglich; – genaue Kenntnis der Detektoren (nicht behandelt) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!(und ein Hinweis auf der nächsten Seite) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

45. LHC-D-WORKSHOPSzu QCD, Electroweak, Higgs etc. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

46. ZUSÄTZLICHES MATERIAL TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

47. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Ereignis-Kinematiküber das gestreute Elektron  Strukturfunktionen TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

48. AuflösungQ2 Erweiterung des HERA-Bereichs um etwa vier Größenordnungen.Ein neuer Blick auf das Proton? Impuls-anteil x Der Bereich bis x=10-6 wird zugänglich werden.Verständnis der Partondynamik im Proton? InvarianteMassen Zustände mit Massen bis zu mehreren GeV werden direkt produziert.Resonanzen in Zweijet-Spektrum? WO GEHT DER LHC WEITER?kinematischer Bereich der Strukturfunktionen TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

49. BEDEUTUNG DES BISHERIGENBeispiel: Higgs-Physik Higgs-Zerfall H! Derzeitige PDF-Unsicherheit  10% Fehler auf Higgs-WQS! Verbesserung der PDFS durch HERA-II TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

50. PDFs BEI LHC Ist eine genaue Bestimmung denkbar? • Was soll ich hier schreiben? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern