DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p NA AKCELRATORZE HERA

Transkrypt

1 DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p NA AKCELRATORZE HERA Jan Figiel Dyfrakcja w oddziaływaniach hadronów model Regge Dyfrakcja w oddziaływaniach e-p perturbacyjna chromodynamika (pqcd) produkcja mezonów wektorowych inkluzywna dyfrakcja Uwagi końcowe 1

2 DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH HADRONÓW (1) Światło: dyfrakcja Fraunhofera (1/k <<R) Rozpraszanie elastyczne hadron-hadron: t = 4k2sin2(θ/2), dσ/dt ~ exp(-b t ), b = (R/2) GeV-2 2

3 DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH HADRONÓW (2) Rozpraszanie p 12C elastyczne p N (dysocjacja 12C) elastyczne p 12C 3

4 DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH HADRONÓW (3) Dyfrakcyjna dysocjacja hadronów (nieelastyczna) warunek koherencji i> i x>: ΔI = ΔQ = ΔS = 0, ΔP = (-1)J 2 ξ = M /s = ΔpL/pL = 1 - x < mπ /mp = 0.15 X Δη = -lnξ > 2, ( przerwa w rapidity ) s = kwadrat energii hadronów w CMS x = pl/pmax, x Feynmanna η = -ln(tan(θ/2)), (pseudo-)rapidity 4

5 DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH HADRONÓW (4) σtot - uniwersalna zależność od energii σel/σtot 20 % σdyfr/σtot 20 % J. Chwastowski, ZEUS Tw. optyczne: σtot = Im Ael(s,t=0)/s Dyfrakcja: istota oddziaływań hadron-hadron przy dużych energiach 5

6 DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH HADRONÓW (5) Model Regge oddziaływań hadronów (1959): Analityczna struktura amplitudy hadronowej: procesy dwuciałowe: wymiana trajektorii (s ) α(t) = α0 + α' t dσ/dt ~ F(t) s2α(t) -2 = F(t) s2α(0) -2 exp(2α' log(s) t) σtot ~ sα(0) -1 Rozpraszanie elastyczne, s > 20 GeV: wymiana specjalnej trajektorii, tzw. Pomeronu IP (l. kwantowe próżni, dyfrakcja wymiana Pomeronu) uniwersalna parametryzacja tzw. miękkiego Pomeronu Donnachie Landshoff (1983): αip(t) = t PS: J. D. Bjorken: model Regge ma równie solidne podstawy jak QCD, DIS1994 6

7 DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p (1) HERA: e± (27.5 GeV) p (820/920 GeV) γ* p hadrony Q2 0 Q2 > 0 (quasi-) fotoprodukcja rozpr. głęboko nieelastyczne (DIS) Q2 wirtualność γ* (0 105 GeV2) W energia CMS γ* p ( GeV) x Q2/W2 x Bjorkena = ułamek pędu protonu niesiony przez oddział. kwark w układzie Breita (pprot ) DIS: oddział. γ* proton = suma oddział. γ* kwark/parton Struktura protonu, kwarki, gluony... Chromodynamika kwantowa (QCD) teoria oddziaływań kwarków i gluonów Dyfrakcja w oddziaływaniach e-p...? 7

8 DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p (2) Układ spoczywającego protonu: fluktuacja hadronowa γ* dipol qq długość fluktuacji lf = 2Eγ/(mqq2 + Q2) > 1 fm x < 0.01 oddziaływanie (dipol qq) - p HERA: dyfrakcja jest możliwa przy małych x Bjorkena! γ* p VM p VM (JPC =1 ): ρ, φ, J/ψ... γ* p γ p DVCS γ* p X p dyfrakcja inkluzywna Dyfrakcja w e-p analogiczna jak w hadron-hadron... 8

9 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (1) Vector Dominance Model + Regge Perturbacyjna QCD IP Duże Q2, MVM lub t, mały dipol qq VM p VM p: wymiana Pomeronu DL wymiana Pomeronu QCD: σ(vm p) ~ W gluony (singlet kolorowy) dσ/dt ~ exp(-bt), b 10 GeV-2 σ(vm p) ~ (xg(x))2 ~ W0.7!!! b << 10 GeV-2 9

10 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (2) γ* p φ(1.02) p K+K- p Mezon wektorowy w detektorze ZEUS: γ* p ρ(0.77) p π+π- p e' e p γ* p J/ψ(3.1) p μ+μ- p e+e- p 10

11 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (3) Fotoprodukcja VM (Q2 0, t < 1 GeV2) : σ(w) ~ Wδ pqcd w akcji, M = skala twardości VM HERA E665,... ~W0.8 σ(w) g(x) 11

12 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (4) Elektroprodukcja (DIS) ρ0: σ(w) ~ Wδ w przedziałach Q2 J/ψ Dla lekkich mezonów wektorowych Q2 jest skalą pqcd... 12

13 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (5) Elektroprodukcja VM: dσ/dt ~ exp(-b t ) jak h-h J/ψ rozmiar oddziaływania maleje z Q2 Q2 kontroluje przejście między miękkim a twardym oddziaływaniem 13

14 DEEPLY VIRTUAL COMPTON SCATTERING (DVCS) γ* p γ p Twarde rozpraszanie γ* - proton: wymiana 2-partonowa 14

15 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (6) Trajektoria Pomeronu QCD? (1) fenomenologia Regge: dσ/dt ~ exp(-b(w) t ) = W4(α(t) -1) γ* p J/ψ p DL Pomeron QCD miękki Pomeron Donnachie-Landshoff 15

16 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (7) Pomeron QCD =?... (2) γ p J/ψ Y μ+ μ- Y, proton dysocjuje... Duża MJ/ψ, t pqcd Dynamika kaskady gluonowej: Dokshitzer, Gribov, Lipatov, Altarelli, Parisi (DGLAP): uporządkowanie pędów poprz. gluonów, ewolucja w Q2 Balitsky, Fadin, Kuraev, Lipatov (BFKL): brak uporządkowania pędów poprz. gluonów, ewolucja w x (1/W) dσ/dt ~ t -n wymiana 2-gluonowa σ(w) = const! wymiana drabiny gluonowej DGLAP σ(w) const(w) BFKL σ(w), W...! Model pqcd z wymianą Pomeronu BFKL:...L. Motyka... 16

17 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (8) γ p VM Y, W 100 GeV γ p J/ψ Y, 50 < W < 150 GeV Dopasowane 3 parametry modelu BFKL K. Klimek,.. D. Szuba,.. 17

18 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (9) γ p J/ψ Y σ(γ p J/ψ Y) rośnie z energią W! D. Szuba,.. 18

19 DYFRAKCYJNA PRODUKCJA MEZONÓW WEKTOROWYCH (10) γ p J/ψ Y, modele pqcd DGLAP nie opisuje wzrostu σ z energią BFKL tak!!! Najwyraźniejsza sygnatura dynamiki BFKL D. Szuba,.. 19

20 INKLUZYWNA DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p (1) γ* p X p' Normalna fotoprodukcja lub DIS Inkluzywna dyfrakcja w e-p: Przerwa w rapidity (Large Rapidity Gap) xl = Ep'/Ep = 1 - xip 1 MX2/W2 << 1 X η MX masa hadronów (bez p') xip = (Q2+MX2)/(Q2+W2), względny pęd IP/p β = Q2/(Q2+MX2) x/xip, względny pęd q/ip 20

21 INKLUZYWNA DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p (2) Dyfrakcja w detektorze ZEUS: Leading Proton Spetrometer (LPS) η = -ln(tan(θ/2)) 21

22 INKLUZYWNA DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p (3) HERA: dyfrakcja przy dużym Q2 niespodzianka 22

23 INKLUZYWNA DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p (4) jak w h-h Duży udział dyfrakcji w σ(γ* p), także przy dużym Q2! twarda dyfrakcja staje się priorytetem... 23

24 INKLUZYWNA DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p (5) Przy danym Q2 i MX: σdiff/σtot const(w) Model nasycenia gęstości partonowych (saturation model) - OK! K. Golec-Biernat

25 INKLUZYWNA DYFRAKCJA W ODDZIAŁYWANIACH e-p (6) Twierdzenie o (twardej) faktoryzacji QCD w dyfrakcji (Collins +..., 1994): twarde oddziaływ. lepton-nukleon, perturbacyjna QCD! σd = fi D σiγ* fi D diffractive Parton Distribution Function (dpdf); uniwersalne! σiγ* przekrój czynny na twardy proces (γ* parton); uniwersalny! Strategia: Pomiar dpdf (inkluzywna dyfrakcja w DIS) Obliczenie Konwolucja z dpdf Pomiar przekroju czynnego na ten proces: σiγ* na konkretny proces dyfrakcyjny (pqcd) Test faktoryzacji i pqcd! 25

26 TEST FAKTORYZACJI QCD (1) Dyfrakcyjna produkcja powabu (D*) w DIS zip = (Q2+MCC2)/(Q2+MX2) η Faktoryzacja QCD OK! 26

27 TEST FAKTORYZACJI QCD (2) Dyfrakcyjna produkcja 2 jetów z dużym pt w DIS (Q2 >> 0) i fotoprodukcji (Q2 0)... DIS η PhP DIS: Fotoprod.: faktoryzacja QCD OK! łamanie faktoryzacji!!! rzeczywisty foton zachowuje się jak hadron! 27

28 TEST FAKTORYZACJI QCD (3) Dyfrakcyjna produkcja 2 jetów w anihilacji pp (Tevatron) HERA: dpdf przewidywanie dla pp η Faktoryzacja złamana (tłumienie ~10): - to nie jest niespodzianka! dodatkowe miękkie oddziaływanie między resztkami p i p,... 28

29 TEST FAKTORYZACJI QCD (4) Dyfrakcyjna produkcja lekkiego Higgsa na LHC... Rejestracja wiodącego protonu (lub/i antyprotonu)... 29

30 UWAGI KOŃCOWE Dyfrakcja na akceleratorze HERA: ważny subproces przy małym x Bjorkena; = dynamika gluonów = istota QCD HERA: nowa, twarda strona dyfrakcji HERA: nowe spojrzenie na dyfrakcję hadronów; dyfrakcyjna produkcja Higgsa na LHC Wiele tematów nie poruszyłem... Dane HERA II ( ~ 5 x HERA I) czekają na analizę... Zespół fizyków z I FJ w eksperymencie ZEUS: J. Chwastowski, A. Eskreys,, A. Galas, K. Olkiewicz, B. Pawlik, P. Stopa, (D. Szuba), L. Zawiejski 30

31 TEST FAKTORYZACJI QCD (3) 31