Fizyka 15 lat eksperymentów H1 i ZEUS na akceleratorze HERA (2): stany hadronowe

Transkrypt

1 Fizyka 15 lat eksperymentów H1 i ZEUS na akceleratorze HERA (2): stany hadronowe Jan Figiel H1 proton, 920 GeV ZEUS elektron, 27.5 GeV...badamy fundamentalne cząstki i siły natury w zderzeniach e p przy najwyższych energiach oddziaływania kwarków i gluonów, weryfikujemy Model Standardowy oddziaływań elementarnych, poszukujemy nowej fizyki... 1

2 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p: Wstęp 1 HERA: e± (27.5 GeV) p (820/920/575/460 GeV) Q2 0 Q2 > 0 γ* p hadrony (quasi-) fotoprodukcja (PHP) rozpr. głęboko nieelastyczne (DIS) DIS (Model kwarków/partonów, QPM): oddział. γ* proton = suma oddział. γ* kwark/parton fragmentacja partonu hadrony = faktoryzacja twardego i miękkiego oddziaływania Struktura protonu, kwarki, gluony... Chromodynamika kwantowa (QCD) teoria oddziaływań kwarków i gluonów Q2 γ* virtuality (0 105 GeV2) s EeEp, s 300 GeV W γ* p CMS energy ( GeV) x Q2/W2 Bjorken x = fractional parton momentum in proton Breit frame y Q2/(sx) fractional energy transfer to p 2

3 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p: Wstęp 2 Układ środka masy γ* p (CMS) Układ Breita: q(γ*) = (0,0,0,Q) xf = pl/pmax, x Feynmanna y η = -ln(tan(θ/2)), (pseudo-)rapidity pt = pęd poprzeczny Układ spoczywającego protonu: warunek dyfrakcji (koherencji): długość fluktuacji (γ* dipol qq) = = 2Eγ/(mqq2 + Q2) > 1 fm x < 0.01 Na akceleratorze HERA dyfrakcja ma miejsce także przy Q2 >> 0 i stanowi ~10% widzialnego przekroju czynnego! 3

4 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p Rozkłady krotności hadronów Rozkłady inkluzywne zmiennych hadronowych Korelacje między hadronami, intermitencja, korelacje BE (L. Zawiejski - hab.) Poszukiwanie instantonów (S. Mikocki - hab.) Badania strumieni hadronowych ( jets ); wyznaczanie silnej stałej sprzężenia αs Własności strumieni i hadronów w obszarze do przodu (sąsiedztwo protonu) poszukiwanie dynamiki BFKL przy małym xbj (L. Görlich - hab.) Produkcja hadronów z ciężkimi kwarkami 4

5 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p Inkluzywne rozkłady względnego pędu z hadronów (e-p układ Breita) dn/dz ~ f(x,q2) σ(q2) D(z,Q2) gęstość partonów funkcja fragmentacji przekrój partonowy Porównanie e-p z e+e- : uniwersalność fragmentacji partonów łamanie skalowania 5

6 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p Strumienie hadronowe (jets) w DIS i PHP: Dynamika partonów Gęstości partonowe (PDFs) Silne sprzężenie α i jej zależność od skali s Struktura jetu: Róznice między jetem z kwarku, gluonu czy ciężkiego kwarku, modele fragmentacji Ogólnie pqcd OK ale obliczenia wyższych rzędów - trudne... 6

7 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p αs(mz) = ± (exp.) (skala QCD) ±0.0018(PDF) 7

8 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p Precyzyjny pomiar: Δ(exp.) 0.7 %, Δ(theory) 3.5 % (NLO, czekamy na NNLO...) 8

9 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p Dynamika kaskady partonowej przy małym xbj: szukanie sygnału ewolucji BFKL DGLAP (Dokshitzer, Gribov, Altarelli, Parisi 72-76), ewolucja w Q2, uporządkowane kt partonów BFKL (Balitsky, Fadin, Kuraev, Lipatov 76), ewolucja w xbj, uporządkowanie w x partonów CCFM (Catani, Ciafaloni, Fiorani, Marchesini 88-90), interferencja QCD uporządkowanie kątowe partonów DGLAP i BFKL opisują wzrost F2 przy x 0, Ewolucja BFKL więcej partonów o dużym pt, blisko protonu niż w ewolucji DGLAP 9

10 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p DIS: produkcja mezonów π0 o dużym pt, do przodu Rachunki analityczne i modele MC z kaskadą typu BFKL lepszy opis danych doświadczalnych J. Kwieciński + uczniowie 10

11 Produkcja hadronów w oddziaływaniach e-p DIS: produkcja strumieni hadronów do przodu MC z ewolucją BFKL lub CCFM trochę lepszy opis danych ale... Za mała energia (przestrzeń fazowa) żeby rozróżnić BFKL, DGLAP czy CCFM MC z ewolucją DGLAP 11

12 Model Regge - pomeron QCD Ekskluzywna foto- i elektroprodukcja mezonów wektorowych ρ, φ, J/Ψ, Υ (VM) Fotoprodukcja VM z dysocjacją protonu (K. Klimek - dr, D. Szuba - dr) Poszukiwanie odderonu Inkluzywna dyfrakcja dyfrakcyjne gęstości partonów (dpdfs) Semiinkluzywna dyfrakcja testy faktoryzacji QCD 12

13 Dyfrakcja w oddziaływaniach hadronów Rozpraszanie światła: dyfrakcja Fraunhofera (1/k <<R) Elastyczne rozpraszanie hadron-hadron: t = 4k2sin2(θ/2), dσ/dt ~ exp(-b t ), b = (R/2) GeV-2 13

14 Dyfrakcja w oddziaływaniach hadronów Nieelastyczna dysocjacja dyfrakcyjna hadronów warunek koherencji: ΔI = ΔQ = ΔS = 0, ΔP = (-1)J ξ = MX2/s = ΔpL/pL = 1 - x < mπ /mp = 0.15 Δη = ln(1/ξ) > 2, ( large rapidity gap, LRG ) 14

15 Dyfrakcja w oddziaływaniach hadronów 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 QCD: Pomeron = 2 gluony (Low, Nussinow 1975) Czy Pomeron QCD jest uniwersalny? 15

16 Dyfrakcyjna produkcja mezonów wektorowych Vector Dominance Model + Regge γ*p VM p = (γ* VM) (VM p VM p) VM p VM p DL IPomeron exchange dσ/dt ~ exp(-b(w)t), b ~ Rint2 10 GeV-2 b(w) = (bvm +bp +α' ln(w 2)) ( shrinkage ) σvmp ~ W 4(α0-1)/b(W) ~ W δ, δ 0.22 Perturbacyjna QCD Large Q 2, MVM or t small qq dipol QCD Pomeron exchange: 2 gluons (colour singlet) σvmp ~ (xg(x))2 ~ W 0.7!!! b << 10 GeV-2, weak shrinkage VM@HERA: przejście miękkie - twarde oddziaływania; laboratorium skal QCD Pomeron DL Pomeron QCD 16

17 Dyfrakcyjna produkcja mezonów wektorowych 17

18 Fotoprodukcja: zależność energetyczna: σ ~ Wδ γp γp RSS = Rybarska, Schäffer, Szczurek Im cięższy VM tym silniejsza zależność energetyczna 18

19 Foto- i elektroprodukcja VM: zależność energetyczna σ~w δ δ 4(αIP(0) - 1) VM: większa skala twardości Q2+M2 silniejszy wzrost z W, twardy Pomeron QCD miękki Pomeron Donnachie-Landshoff 19

20 Foto- i elektroprodukcja VM: różniczkowy przekrój czynny dσ/dt ~ e-b t VM: większa skala twardości Q2+M2 mniejsze nachylenie b ( ~rozmiar oddziaływania), skala Q2+M2 kontroluje rozmiar/twardość oddziaływania 20

21 Pomeron QCD =?... γ p J/ψ Y μ+ μ- Y, Duża MJ/ψ, t pqcd proton dysocjuje... 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...! 21

22 γ p J/ψ Y, 50 < W < 150 GeV Model z Pomeronem BFKL najlepiej opisuje dane doświadczalne: najwyraźniejszy sygnał dynamiki BFKL na akceleratorze HERA 22

23 Dyfrakcja inkluzywna Metody selekcji: 3.3 < η < 7.5, proton tagging Large Rapidity Gap MX method ηmax < 3 23

24 Dyfrakcja inkluzywna: Udział dyfrakcji inkluzywnej spada tylko logarytmicznie z Q2 : twarda dyfrakcja 24

25 Twierdzenie o faktoryzacji QCD: dyfr. przekrój czynny dyfr. funkcja struktury dpdfs Hipoteza faktoryzacja verteksu protonowego (Regge): funkcja struktury IPomeronu MX mass of diffractive system (without p') xip = (Q2+MX2)/(Q2+W2), relative momentum IP/p β = Q2/(Q2+MX2) x/xip, relative momentum q/ip t squared 4-momentum transfer p - p' fip(xip,t) = = A(1/xIP)2α(t)-1 exp(bt) If t not measured F2IP(z,Q2) = A zb(1-z)c FD2, y < 1 (FDL = 0 at LO) reduced cross section proton vertex factorization (?): IPomeron flux (Regge form) IPomeron structure function!!! 25

26 Dyfrakcja inkluzywna: metoda LRG vs MX metoda LRG: H1 vs ZEUS 26

27 Dyfrakcja inkluzywna: H1 : σrd(3) NLO DGLAP fits (+ Regge factorisation) diffractive PDFs FIP2(z,Q2) z = fraction of parton momentum in hard scattering/ipomeron ( = β) 27

28 Test faktoryzacji: dyfrakcyjna prod. 2 jetów w DIS dpdf part) =? η zip = (Q2+MJJ2)/(Q2+MX2) (= z) H dpdf fit B lepiej opisuje dane faktoryzacja działa w DIS! 28

29 Dyfrakcja inkluzywna: σtot(γ*p) Dyfrakcja Udział dyfrakcji (ustalona MX, Q2) const(w), naturalne w modelu saturacji, K. Golec-Biernat Słaba zależność dyfrakcji inkluzywnej od energii, Pomeron QCD miękki Pomeron DL...???... 29

30 Podsumowanie HERA była maszyną QCD, Frank Wilczek (Nobel 2004): HERA ma istotny udział w weryfikacji QCD Precyzja pomiarów hadronowych lepsza niż obliczeń pqcd... Analiza materiału doświadczalnego HERA-2 ciągle trwa... Dyfrakcja renesans na akceleratorze HERA, poważne wyzwanie dla chromodynamiki kwantowej Istotny udział fizyków polskich 30

31 Dyfrakcja inkluzywna: Udział dyfrakcji inkluzywnej spada logarytmicznie z Q2 31