Physics at HERA - DESY · Physics at HERA Katja Krüger ... H1 Collaboration email:...

65
Physics at HERA Katja Krüger Kirchhoff-Institut für Physik H1 Collaboration email: [email protected] Summer Student Lectures 18 + 19 August 2008

Transcript of Physics at HERA - DESY · Physics at HERA Katja Krüger ... H1 Collaboration email:...

Physics at HERA

Katja Krüger Kirchhoff­Institut für Physik

H1 Collaborationemail: [email protected]

Summer Student Lectures18 + 19 August 2008

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 2

Overview● Introduction to HERA● Inclusive DIS & Structure Functions

– formalism

– HERA results

● High Q2 & Electroweak Physics● QCD: Jet Physics, Heavy Flavour Production● Beyond the Standard Model● (Diffraction)

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 3

Collider Types

e+e­

+ clean initial and final state

+ small background

– limited energy

● LEP (200 GeV)     ILC (1 TeV)

p±p±

+ high energy

– complicated final state

– large background

● Tevatron (2 TeV)  LHC (14 TeV)

ep+ unique initial state

+ electron as probe of proton structure

– two accelerators

● HERA (300 GeV)

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 4

HERAHERA

eepp27.6 GeV27.6 GeV920 GeV920 GeV

H1

ZEUS

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 5

HERA & its Pre­Accelerators

circumference: 6.3 km 

e

p

bunch crossing rate: 10.4 MHz

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 6

Collected Luminosity● HERA operated 1992­2007

● lumi upgrade in 2001– higher luminosity

– e polarization

– detector upgrades

● in total ~500 pb­1 of high energy data collected per experiment

● last months devoted to low p energy (460, 575 GeV)

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 7

ZEUS Detector

tracking detector

calorimeter

muon system

magnet coil

p

e

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 8

H1 Detector

tracking detector

calorimeter

muon system

magnet coil

p

e

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 9

Schematic View of the H1 Detector

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 10

Physics Topics at HERA

● proton structure– structure functions

– parton densities

– s

● photon structure

● perturbative QCD– jets

– heavy quarks

● electroweak

● exotics (beyond the standard modell)– SUSY

– leptoquarks

– ...

● diffraction

expected not (so) expected

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 11

Some Events...

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 12

Some Events...

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 13

Some Events...

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 14

Some Events...

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 15

Some Events...

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 16

Event Rates

some Hz

some kHz

some min­1

some hour­1

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 17

ep Scattering & Structure Functions

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 18

H1 and ZEUS Combined PDF Fit

HE

RA

 Stru

ctur

e Fu

nctio

ns W

orki

ng G

roup

Apr

il 20

08

x = 0.000032, i=22x = 0.00005, i=21

x = 0.00008, i=20x = 0.00013, i=19

x = 0.00020, i=18x = 0.00032, i=17

x = 0.0005, i=16x = 0.0008, i=15

x = 0.0013, i=14x = 0.0020, i=13

x = 0.0032, i=12x = 0.005, i=11

x = 0.008, i=10x = 0.013, i=9

x = 0.02, i=8

x = 0.032, i=7

x = 0.05, i=6

x = 0.08, i=5

x = 0.13, i=4

x = 0.18, i=3

x = 0.25, i=2

x = 0.40, i=1

x = 0.65, i=0

Q2/ GeV2

σ r(x,Q

2 ) x 2

i

HERA I e+p (prel.)Fixed TargetHERA I PDF (prel.)

10­3

10­2

10­1

1

10

10 2

10 3

10 4

10 5

10 6

10 7

1 10 102

103

104

105

„The“ HERA Textbook Plots

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

­410 ­310 ­210 ­110 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

 HERA­I PDF (prel.)

 exp. uncert.

 model uncert.

x

xf 2 = 10 GeV2Q

vxu

vxd

 0.05)×xS (

 0.05)×xg (

vxu

vxd

 0.05)×xS (

 0.05)×xg (

HE

RA

 Str

uctu

re F

unct

ions

 Wor

king

 Gro

upA

pril 

2008

H1 and ZEUS Combined PDF Fit

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

?

quarks ?

gluons ?

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 19

Rutherford Scattering

● first scattering experiment

➔ existence of the nucleus from HyperPhysics

dd

= 140

Z 1 Z 2 e2

4 E kin

2

1

sin4 2

assumes– Coulomb potential– no spins– no recoil

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 20

Elastic Electron Scatteringvariables:● q   = k – k'● Q2 = – q2                                   

     =  

➔ only one independent!

dd Q2=

42 z2

Q4 E 'E

2

cos2 2

e (k) e' (k')

q

q=k−k '4 E E ' sin2 /2

E '=E

12 E /M sin2 /2particles

staysintact

mass M, charge z,spin 0Coulomb­

Potential ~1/rrecoil

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 21

Elastic Electron Scattering: Cross Section● Mott Scattering: electron on a pointlike 

charged particle with spin 0

● Dirac Sacttering: electron on a pointlike charged particle with spin ½

● electron on proton: „form factors“ needed: 

➔ protons are not pointlike!

dd Q2

Mott

=42

Q4 E 'E

2

cos2 2

dd Q2

Dirac

= dd Q2

Mott[12 tan2

2 ] with =Q2

4 M 2

dd Q2

ep

= dd Q2

Mott[GE

2 Q2GM2 Q2

12 G M

2 Q2 tan2 2 ]

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 22

Electric Form Factor of the Proton

● describes the charge                                        distribution in the proton                                   (Fourier transform)

● measured:

– GE(0) = 1

– GM(0) = 2.79

➔ elastic scattering only import at low Q2

GE Q2 , GM Q

2 ∝ 1 Q2

0.71 GeV2 −2

fromJ.J. Murphy et al., „Proton form factor from 0.15 to 0.79 fm­2

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 23

Inelastic Electron Scattering

variables:● q    = k – k'● Q2  = – q2 ● s    = (P + k)2 

● W2 = (P + q)2                                    

         = M2 + 2q∙P – Q2

● y   = q∙P / k∙P

➔ two independent!

e (k)

e' (k')

q

q=k−k '

p (P)W

inelastic: W > Melastic: W = M

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 24

Inelastic Electron Proton Scattering

● inelastic scattering:           W > Mp 

● ratio to Mott cross section nearly flat in Q2

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 25

Deep Inelastic Scattering (DIS)● deep: Q2 > Mp

● inelastic: W > Mp

● for HERA: me, Mp  << W                                                           neglect me, Mp – s = 4 Ep Ee

–  

–                                                                                            

– W = y √s  – Q2

● one more variable:  x = Q2 / (2 P∙q) = Q2 / ys

k=(Ee,0,0,­Ee)

P=(Ep,0,0,Ep)

k '=E 'e ,0 , E 'e sine , E 'e cose

attentione=−

Q2=2 Ee E 'e1cose

y=1−E'eEe

sin2 e

2

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 26

DIS: What is x?

k

k'

P

xP

P'q

q

P 'q=qxP

qxP2 =−Q22x q⋅PxP2

qxP2 = xP2 = mq2

x =Q2

2 q⋅P=

Q2

ys

x can be interpreted as the     momentum fraction of the    struck parton of the proton:

inelastic proton scattering is scattering on a parton of the proton!

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 27

Structure Functions F1 & F2

● the DIS cross section can be written as

● comparison with Dirac formula

➔ F2 corresponds to electric field of the parton

➔ F1 corresponds to spin of the parton

d2dx dQ2=

42

Q4

1x [1−y F2 x ,Q2

y2

22 x F1x ,Q2]

=42

Q4

1x

E 'E [F 2 x ,Q2 cos2

2

Q2

2 x2 M p2 2 x F 1 x ,Q2 sin2

2 ]

dd Q2

Dirac

=42 z2

Q4 E 'E

2

[cos2 2

Q2

2 M2 sin2 2 ]

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 28

Parton Spin● parton spin ½:      2 x F1 = F2        (Callan Gross)

● parton spin 0:       2 x F1 = 0

partons have spin ½

from P. Schmüser, „Feynman­Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker“ 

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 29

Scaling: F2 independent of Q2 

SLAC 1972

independent of Q2, we always see the same partons (=quarks)

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 30

(Naive) Quark Parton Model

● proton consists of 3 partons, identified with the QCD quarks

● during the interaction proton is „frozen“

● electron proton scattering is sum of incoherent electron quark scatterings

● proton structure is defined by parton distributions  F2 x , Q2=x∑ eq

2 q x

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 31

How does F2(x) look like?

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 32

How does F2(x) look like?

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 33

How does F2(x) look like?

from Povh et al., „Teilchen und Kerne“

what happens at low x?

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 34

Scaling Violations

at smaller & larger x, the amount of quarks depends on Q2!

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 35

Parton Evolution● number of partons changes with Q2

● Q2 can be interpreted as resolving power:    Q2∝ℏ/2

small Q2:● many partons with large x● (nearly) no partons at low x

large Q2:● less partons with large x● more partons at low x

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 36

DGLAP Evolution Equations

● Q2 dependence of quark densities q(x,Q2)  and gluon density g(x,Q2) is predicted

● no prediction for the x dependence        initial condition needed 

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 37

HERA Kinematic Range

beforeHERAnew

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 38

Events in Different Regions

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 39

H1 and ZEUS Combined PDF Fit

HE

RA

 Stru

ctur

e Fu

nctio

ns W

orki

ng G

roup

Apr

il 20

08

x = 0.000032, i=22x = 0.00005, i=21

x = 0.00008, i=20x = 0.00013, i=19

x = 0.00020, i=18x = 0.00032, i=17

x = 0.0005, i=16x = 0.0008, i=15

x = 0.0013, i=14x = 0.0020, i=13

x = 0.0032, i=12x = 0.005, i=11

x = 0.008, i=10x = 0.013, i=9

x = 0.02, i=8

x = 0.032, i=7

x = 0.05, i=6

x = 0.08, i=5

x = 0.13, i=4

x = 0.18, i=3

x = 0.25, i=2

x = 0.40, i=1

x = 0.65, i=0

Q2/ GeV2

σ r(x,Q

2 ) x 2

i

HERA I e+p (prel.)Fixed TargetHERA I PDF (prel.)

10­3

10­2

10­1

1

10

10 2

10 3

10 4

10 5

10 6

10 7

1 10 102

103

104

105

F2 vs. Q2

● HERA data cover huge range:         5 orders in Q2 and 4 orders in x

● approximate scaling at large x

● clear scaling violations at small x fixed target

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 40

F2 vs. Q2: example bins

H1 and ZEUS Combined PDF Fit

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1 10 102

103

104

Q2 / GeV2

σ r(x,Q

2 )

x=0.002

x=0.02

x=0.25

HE

RA

 Stru

ctur

e Fu

nctio

ns W

orki

ng G

roup

Apr

il 20

08

HERA I e+p (prel.)

HERA I PDF (prel.)

H1 2000 PDFZEUS­JETS

● clear scaling violations at small x

● approximate scaling at large x

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 41

How does F2(x) look like?

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 42

F2 vs. x

strong rise towards low x, steepness rising with Q2

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 43

DGLAP Evolution Equations

● Q2 dependence of quark densities q(x,Q2)  and gluon density g(x,Q2) is predicted

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 44

Parton Density FitsDGLAP predicts only Q2 dependence➔ assume parametrisation of the parton density functions 

(PDFs) as a function of x at a starting scale Q02 (typically 

around 4 ­ 7 GeV2):                                                                   

➔ evolve the PDFs to all measured Q2, calculate F2, and fit 

the parameters to match the data

some freedom in the procedure!– how many parameters, which Q

02 ?

– how to combine quark and antiquark densities?

x q x ,Q02=A xB 1−x C [1D xE x2F x3 ]

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 45

Parton Density Fitsquark and antiquark densities:● most general:                        

                         

● distinguish valence and sea quarks (ZEUS):                        

● distinguish up­type and down­type quarks (H1):

u ,u ,d , d ,s ,s ,c ,c ,b ,b

uv , d v , sea ,d−u

U=uc , D=ds b U=uc , D=ds buv=U−U , d v=D−D

xU

vxu

Ux

xD

vxd

Dx

xg

2 = 10 GeV2 Q

 ZEUS­JETS fit tot. uncert.

 H1 PDF 2000 tot. exp. uncert. model uncert.

­410 ­310 ­210 ­110 1

­410 ­310 ­210 ­110 1

0

5

10

15

0

0.5

1

1.50

0.5

1

1.5

x

xf

ZEUS

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 46

Combined H1 & ZEUS Parton Density

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

­410 ­310 ­210 ­110 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

 HERA­I PDF (prel.)

 exp. uncert.

 model uncert.

x

xf 2 = 10 GeV2Q

vxu

vxd

 0.05)×xS (

 0.05)×xg (

vxu

vxd

 0.05)×xS (

 0.05)×xg (

HE

RA

 Str

uctu

re F

unct

ions

 Wor

king

 Gro

upA

pril 

2008

H1 and ZEUS Combined PDF Fit

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

combination of data from H1 and ZEUS gives big improvements!

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 47

Longitudinal Structure Function FL

● Callan­Gross relation  2 x F1 = F2  only true in naive Quark­Parton­Model

● the longitudinal structure function FL is defined as  FL = F2 – 2 x F1

● FL is directly proportional to the gluon density● for a measurement of FL one needs data at the same x 

and Q2, but different y

● only possible with different s because Q2 = xys➔ measure at different beam energies!

d 2dx dQ2=

42

Q4

1x1−y

y2

2[ F 2 x ,Q2 −

y2/21−yy2 /2

F L x ,Q2]

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 48

●Longitudinal Structure Function FL

r=x Q4

22

1Y

d2dx dQ2

=F 2 x ,Q2 −y2

Y

F L x ,Q2

with Y=11−y2

● linear expression in y2/Y+

➔ use linear fits in y2/Y+ and determine FL from slope

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 49

Longitudinal Structure Function FL

ZEUS

LF

x

0

1

2=   24 GeV2Q

­310 ­210

0

1

2=   60 GeV2Q

2=   32 GeV2Q

­310 ­210

2=   80 GeV2Q

2=   45 GeV2QZEUS (prel.)ZEUS­JETS

­310 ­210

2=  110 GeV2Q)­1 = 225 GeV (14.0pbs)­1 = 252 GeV ( 6.0pbs)­1 = 318 GeV (32.8pbs

● consistent with PDF fit to F2

● most precise information on gluon still from scaling violations

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 50

High Q2 & Electroweak Physics

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 51

More Structure Functions

d 2NC±

dx dQ2 =22

Q4

1x

Y [F 2 x ,Q2 −y2

Y

F L x ,Q2 ∓Y−

Y

x F3 x ,Q2]

/Z 0

FL = F

2 – 2xF

1  = 0  in the QPM

F 3:−Z 0−interference

● FL relevant only at large y

● F3 relevant only at large Q2,   

different sign for e+ and e–

e e

p

Y± = 1±1−y2

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 52

High Q2 Neutral Current

● difference between e+p and e–p only at large                    

➔  

Q2≈M Z2

−Z 0−interference

M Z2

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 53

High Q2 Neutral Current

● no significant deviation from Standard Model Fit at high Q2

● can be interpreted as limit on quark size

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 54

High Q2 Neutral Current

=x Q4

22

1Y

d 2NC±

dx dQ2

e– positive interference

e+ negative interference

x F 3∝ x∑ eq2 q−q

direct handle on valence quark distribution!

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 55

Charged Current Interactions

e

pq

q'

e

neutrino not visiblein detector

         imbalance in transverse plane

W

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 56

Charged Current Cross Section

● W  bosons couple differently to up­ and down­type quarks

● in the QPM:

d2CC±

dx dQ2 =GF

2

4 x M W2

M W2 Q2

2

Y[W 2± −

y2

Y

W L±∓

Y−

Y

x W 3±]

W 2=x UD , x W 3

=x D−U W 2

−=x UD , x W 3−=x U−D

W L±=0

CC− ∝ x [U 1−y2 D ]

CC ∝ x [U 1−y2 D ]

e+

e–

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 57

)2 (p

b/G

eV2

/dQ

σd

­710

­510

­310

­110

10

)2 (GeV2Q

310 410

p CC 03­04 (prel.)+H1 e

p CC 2005 (prel.)­H1 e

p CC 2004+ZEUS e

p CC 04­05 (prel.)­ZEUS e

p CC (CTEQ6M)+SM e

p CC (CTEQ6M)­SM e

p NC 03­04 (prel.)+H1 ep NC 2005 (prel.)­H1 e

p NC 2004+ZEUS ep NC 04­05 (prel.)­ZEUS e

p NC (CTEQ6M)+SM ep NC (CTEQ6M)­SM e

y < 0.9 = 0eP

HERA II

Comparison NC vs. CC● at low Q2: different 

dependences because of photon in NC

● at high Q2: „electroweak unification“                 but:

∝1

Q4

∝1

M W2 Q22

d2CC±

dx dQ2≈

GF2

4 x⋅ M W

2

M W2 Q2

2

⋅YW 2±

d2 NC±

dx dQ2 ≈22

x⋅

1Q4 ⋅Y F2

GF≈4

2 MW2

similar because

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 58

Electroweak Parameters: W  Mass

● G = GF              determined by normalization of the CC cross section

● Mprop = MW         determined by the Q2  dependence of the CC cross section

82.87±1.82exp 0.30−0.16model GeV

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 59

CC & Polarization

● CC cross section depends on longitudinal electron/positron polarization Pe 

● reason: W boson couples only to left­handed (LH) particles and right­handed (RH) antiparticles:

d 2CC±

dx dQ2 Pe ≈ 1±PeGF

2

4 x⋅ MW

2

MW2 Q2

2

⋅YW 2±

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 60

Polarization @ HERA

● transverse polarization builds up in ~40 minutes through synchrotron radiation (Sokolov­Ternov effect)

● spin rotators flip transverse        longitudinal before experiments and back after

Pe =N RH−N LH

N RHN LH

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 61

Polarization @ HERA

spin rotator

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 62

eP­1 ­0.5 0 0.5 1

 (p

b)

CC

σ

0

20

40

60

80

100

120p Scattering±Charged Current e

Xν→p ­e

Xν→p +e

2 > 400 GeV2Q

  y < 0.9

MRST 2004

CTEQ6D

H1 2005 (prel.)H1 98­99ZEUS 04­05 (prel.)ZEUS 98­99

H1 99­04ZEUS 06­07 (prel.)ZEUS 99­00

eP­1 ­0.5 0 0.5 1

 (p

b)

CC

σ

0

20

40

60

80

100

120

CC: Polarization Dependence

● Standard Modell expectation:

● experimental result: (H1) 

CC− Pe=1 = 0

CC Pe=−1 = 0

CC− 1 =−0.9±2.9stat

±1.9syst±1.9pol pb

CC −1 =−3.9±2.3stat

±0.7syst±0.8pol pb

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 63

Electroweak Parameters: Z0 Couplings

­1 ­0.5 0 0.5 1

­1

­0.5

0

0.5

1­PDF (prel.)u­v

u ZEUS­pol­a total uncert. uncorr. uncert.

 H1 prel. (HERA I+II 95­05)

 SM CDF LEP

­1 ­0.5 0 0.5 1

­1

­0.5

0

0.5

1

ua

uv

68% CL

ZEUS

­1 ­0.5 0 0.5 1

­1

­0.5

0

0.5

1­PDF (prel.)d­v

d ZEUS­pol­a total uncert. uncorr. uncert.

 H1 prel. (HERA I+II 95­05)

 SM CDF LEP

­1 ­0.5 0 0.5 1

­1

­0.5

0

0.5

1

da

dv

68% CL

ZEUS

polarization also allows better sensitivity to vector and axial­vector couplings of up­ and down­type quarks to the Z0

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 64

Summary

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

­410 ­310 ­210 ­110 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

 HERA­I PDF (prel.)

 exp. uncert.

 model uncert.

x

xf 2 = 10 GeV2Q

vxu

vxd

 0.05)×xS (

 0.05)×xg (

vxu

vxd

 0.05)×xS (

 0.05)×xg (

HE

RA

 Str

uctu

re F

unct

ions

 Wor

king

 Gro

upA

pril 

2008

H1 and ZEUS Combined PDF Fit

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

● inclusive ep scattering reveales structure of the proton● large amount of gluons in the proton

● Standard Modell can be cross checked 

Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 65

Hadrons vs. Partons

x<0.01F

2

F 2∝x−

0.08 correponds tohadron­hadron scattering

transition from hadronic to partonic bahaviour