Zakład Teorii Czastek NZ42

Zakład Teorii Czastek NZ42 M. Skrzypek IFJ PAN, Kraków, Polska M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 1 / 17

Skład osobowy (stan na 31.12.2013) Pracownicy prof. dr hab. Stanisław Jadach prof. dr hab Zbigniew Was prof. dr hab. Maciej Skrzypek dr hab. Andreas van Hameren, prof. IFJ dr Krzysztof Kutak dr Olga Shekhovtsova Zatrudnieni w ramach grantów dr Piotr Kotko Doktoranci mgr Jakub Zaremba (prof. Zbigniew Was) mgr Oleksandr Gituliar (prof. M. Skrzypek, dr A. Kusina) M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 2 / 17

Stopnie naukowe uzyskane w latach 2011-2013 Habilitacje dr Andreas van Hameren Computational aspects of multi-particle processes at collider experiments Rozprawy doktorskie mgr Aleksander Kusina Exclusive Kernels for NLO QCD Non-Singlet Evolution Promotor: prof. S. Jadach mgr Magdalena Sławińska Stochastic Exclusive Modelling of NLO QCD Evolution Promotor: prof. S. Jadach mgr David Edwin Alvarez Castillo Nuclear Symmetry Energy Effects in Neutron Star Interiors Promotor: prof. S. Jadach, Promotor pomocniczy: dr S. Kubis M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 3 / 17

Publikacje 2011 2012 2013 Artykuły 19 14 27 Materiały konf. 2 1 Raporty 3 7 5 Art. popularno-nauk. 1 Konferencje (współ)organizowane Granty (stan na 31.12.2013) 2011 2012 2013 1 3 3 NCN: 3, NCBiR: 1, FNP: 1, MNiSW: 1, FP7: 1 (podwykon.) M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 4 / 17

Współpraca ze studentami 2011 2012 2013 Prace magisterskie 3 Prace licencjackie 2 2 1 Praktyki 4 5 2 M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 5 / 17

Granty (stan na 31.12.2013) National Science Centre Projects 2011/03/B/ST2/00107 Leptony tau symulacje, dane eksperymentalne i opis fenomenologiczny dla niskich i wysokich energii (2012-2015), coordinator: prof. Zbigniew Was 2011/03/B/ST2/02632 Nowe metody obliczeń poprawek wysokiego rzędu w ramach kwantowej teorii pola dla potrzeb pomiarów w Wielkim Zderzaczu Hadronowym LHC (2012-2015), coordinator: prof. Stanisław Jadach Program HARMONIA 2012/04/M/ST2/00240 Rozwój narzędzi do symulacji stochastycznych dla potrzeb fizyki wysokich energii w zderzaczu LHC (2012-2015) coordinator: prof. Maciej Skrzypek M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 6 / 17

Granty (stan na 31.12.2013) National Centre for Research and Development Project Programm Lider/02/35/L-2/10NCBiR/2011 Matrix Elements and Exclusive Parton Densities for Large Hadron Collider (2011-2014), coordinator: doctor Krzysztof Kutak Foundation for Polish Science Programme Program POMOST Project: Development and application of algorithms for analysis and interpretation of experimental data of multidimensional nature. Case of tau decay data at B- factories and predictions of Resonance Chiral Theory deduced from QCD, (2013-2015), coordinator: dr Olga Shekhovtsova M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 7 / 17

Granty (stan na 31.12.2013) Polish Ministry of Science and Higher Education Projects Stypendia MNiSW dla wybitnych młodych naukowców: Dr Krzysztof Kutak (23.11.2012 31.10.2015) Project to which IFJ PAN contributes, but is not a signatory to the contract 7. PR, PEOPLE - Marie Curie Initial Training Network Project: LHCPhenoNet - Advanced Particle Phenomenology in the LHC area Contract No: PITNG-GA-2010-264564 (2012-2014) Polish Coordinator: Uniwersytet Ślaski w Katowicach Coordinator at IFJ PAN: Prof. Stanisław Jadach M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 8 / 17

Konferencje (współ)organizowane 2013: Cracow Epiphany Conference on the Physics after the First Phase of the LHC 7-9.01.2013 r, 100 osób (M. Skrzypek) Workshop on tau lepton decays: hadronic currents from Belle BaBar data and LHC signatures, 16-20.09.2013 r. 25 osób (Z. Was) LHCPhenoNet Summer School 7-12.09.2013r., główny organizator: Uniwersytet Ślaski, (M. Skrzypek, S. Jadach) M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 9 / 17

Konferencje (współ)organizowane 2012: Cracow Epiphany Conference on Present and Future of b-physics, 9-11.01.2012 r. 93 osoby (M. Skrzypek) CERN Council Open Symposium on European Strategy for Particle Physics, 10-12.09.2012 r. 500 osób (M. Skrzypek) Workshop - The tau lepton: hadronic currents and data of Belle and BaBar experiments - for the new physics signatures at LHC. 14-19.05.2012 r. 24 osoby (Z. Was) 2011: Cracow Epiphany Conference on the First Year of the LHC. 10-12.01.2011 r. 119 osób (M. Skrzypek) M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 10 / 17

Tematyka badań Co robimy? Szukamy metod rozwiazania kwantowej teorii pola, czyli Modelu Standardowego oddziaływań fundamentalnych 60 lat trwało sformułowanie ogólnej metody obliczeń poprawek pierwszego rzędu (jednopętlowych), np. dla eē 4fermiony... trzeba wymyślić nowe metody dla każdego rzędu/wielkości/grafu Pytamy co się dzieje w skali Plancka a nie obliczyliśmy poprawek dla LHC... minimalna zmiana masy H lub t destabilizuje wszechświat Musimy rozwiazać QFT do rzędu (choćby w przybliżeniu)... takie złożone i dokładne sa eksperymenty Metoda powinna być typu stochastycznego (Monte Carlo)... detektory sa skomplikowane M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 11 / 17

Główne projekty badawcze Elektrosłabe efekty multifotonowephotos O. Shekhovtsova rozpady leptonu τ (EW+QCD) TAUOLA O. Shekhovtsova procesy eē f f KKMC (przyszłe zderzacze) procesy eē f ff f KoralW (przyszłe zderzacze) Chromodynamika elementy macierzowe dla kaskad A. van Hameren fizyka małego x Bjorkena, faktoryzacja k T K. Kutak kaskady partonowe dla dużego x Bj. M. Skrzypek M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 12 / 17

Symulacje kaskad partonowych w QCD w przybliżeniu NLO S. Jadach (IFJ PAN) M. Skrzypek (IFJ PAN) O. Gituliar (IFJ PAN) W. Płaczek (UJ) M. Mangano (CERN) S. Sapeta (CERN) A. Siódmok (Manchester U.) A. Kusina (SMU Texas) Cel: stworzyć pierwsza kaskadę partonowa zawierajac a pełne przybliżenie niewiodace, next-to-leading, w kaskadzie-drabinie jak i w twardym elemencie macierzowym. Powód: precyzja pomiarowa LHC wymaga rachunków na poziomie next-to-leading a nawet next-next-to-leading M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 13 / 17

Poprawki radiacyjne w QCD - kaskady partonów p h 2 W/Z h 1 h n p FAKTORYZACJA PDF w protonie z eksperymentu w niższych E kaskada part. równ. ewolucji Monte Carlo twardy proces skończony rzad Monte Carlo hadronizacja modelowanie M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 14 / 17

Historia symulacji stochastycznych w QCD LO równanie: 1972 LO LO rozw. stochast: 1985,PYTHIA, HERWIG kaskada: LO el. macierzowy: LO NLO NLO NLO NNLO NNLO równanie: 1978 rozw. stochast: 2003,POWHEG, MC@NLO kaskada: LO el. macierzowy: NLO rozw. stochast: 2008,Jadach et al. kaskada: NLO el. macierzowy: NLO równanie: 2003 rozw. stochast:????,???? M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 15 / 17

gluon Wymyślić metodę, wyliczyć jadra, elementy macierzowe, transformacje kinematyczne,... γ * quark gluon 1 st order corrections procedura rewagowania quark Virt proton Born D [1] B (x, Q) = e S ISR ( X n=0 x n n 1 2 1 2 + nx p=1 n n 1 2 1 W 2 p + 2 1 nx p 1 X p=1 j=1 2 = 2 + 1 n 2 p j 1 ) 2 1 2 = e S ISR ( 2 1 2 δ x=1 + X ny Z ) nx nx p 1 + d 3 (1) η i ρ1b (k i) 1 + β (1) 0 (zp) + X W( k p, k j ) δ Q x= nj=1 xj. n=1 i=1 Q>a i >a p=1 p=1 j=1 i 1 M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 16 / 17

... napisać program Przyczynki LO i NLO w kaskadzie-drabinie M. Skrzypek (NZ42) NZ42 Przeglad 2014 27.01.2014 17 / 17

! # % & ()) () & ) (( (( (( +, +. + /((((& ()) () & / (( (( +,

0 1 2 3 4 % 5 6 7& 4 34 68 94 : 7 4 4 % 6!.;7 4 < 14 =4 9 6!.;7 4 >4 ; < 6!.;7 4 4; 6 #>?7 4.4 60 7 +4 6!.;7 3 4 34 + 6= 7 4 Α4 + 68;7 4 Β4 > 4 34 > 6 7 4 >4 > 6 # 7 4 +4 > 6 9 7 4 34 > 6!.;7 4 Β 6!.;7 ) 1 + & & = & > & 8>=

Α ; #+& +< 4 94 2 < Χ < ; #+& +< 4 4 %& = 4 +< 4 + 2 Χ +< 4 4 %& ; #+& + +< 4 4 %& #+;4 & +< 4 94 &! 4 ;4 3 4 +< 4 # ) ( Β < 3 +< 4 4 %& ; #+

> & & > 4, % &!=>& > & Α < Ε () 3+!Ε () Α # < () Α 3+!Ε () Α +=+ 2 Α Φ >2 6 >2 7 Α 0 > >2 2 > 1 < < () )()Γ 4 Β >

Matrix elements for the high-energy regime at LHC Andreas van Hameren The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences 000

Hard scattering cross sections within collinear factorization 1 2 h1 h 2 n... 3 σ h1,h 2 n(p 1,p 2 ) = a,b PDFs are related to the structure of the hadrons, universal to the scattering process dx 1 dx 2 f a (x 1,µ)f b (x 2,µ) ˆσ a,b n (x 1 p 1,x 2 p 2 ;µ) ˆσ a,b n (p a,p b ;µ) = dφ(p a,p b {p} n ) M a,b n (p a,p b {p} n ;µ) 2 O(p a,p b,{p} n ) Phase space (includes spin/color summation) governs the kinematics Matrix element (squared) contains model parameters, governs the dynamics Observable, imposes phase space cuts 002 Matrix elements for the high energy regime at LHC Andreas van Hameren 27 01 2014 2

High energy factorization Catani, Ciafaloni, Hautmann 1991 σ h1,h 2 QQ = ( d 2 dx 1 k 1 F(x 1,k 1 )d 2 dx 2 m 2 k 2 F(x 2,k 1 ) ˆσ gg x 1 x 2 x 1 x 2 s, k 1 m, k ) 2 m l 1 l 2 k 1 k 2 + + l µ 1 l µ 2 Imposing high-energy kinematics, k µ 1 = x 1l µ 1 +kµ 1, kµ 2 = x 2l µ 2 +kµ 2 with l 1,2 k 1,2 = 0, the amplitude for g g Q Q is gauge invariant. We generalized this to arbitrary processes. 007 Matrix elements for the high energy regime at LHC Andreas van Hameren 27 01 2014 3

Forward 3 jet production AvH, Kutak, Kotko 2013 dσ AB 3j = b d 2 dxa k A F(x A,k A ) x A dx B f b/b (x B )dσ g b 3j(x A,k A,x B ) Unintegrated pdfs F from Kutak, Sapeta 2012 : (linear) BFKL non-linear unified BK/DGLAP for proton non-linear unified BK/DGLAP for Pb angular decorrelation: φ 13 = φ hardest φ softest nuclear modification factor: ( ) ( ) 1 dσ dσ dφ 13 Pb dφ 13 proton dσ/dϕ 13 [pb] 3 10 2 10 3jetsproductionat kinematiccuts: 20GeV<p T3 <p T2 <p T1 3.2< η 1,2,3 <4.9 proton nonlinear Pb nonlinear proton linear =7.0TeV 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 ϕ 13 xxxxxxx R(ϕ 13 ) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 3jetsproductionat s=7.0tev kinematiccuts: 20GeV<p T3 <p T2 <p T1 3.2< η 1,2,3 <4.9 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 023 Matrix elements for the high energy regime at LHC Andreas van Hameren 27 01 2014 4 ϕ 13

Collaboration A. van Hameren, K. Kutak, P. Kotko Multi-gluon helicity amplitudes with one off-shell leg within high energy factorization JHEP 1212 (2012) 029 Helicity amplitudes for high-energy scattering JHEP 1301 (2013) 078 Three jet production and gluon saturation effects in p-p and p-pb collisions within high-energy factorization Phys.Rev. D88 (2013) 094001 A. van Hameren, K. Kutak, T. Salwa Scattering amplitudes with off-shell quarks Phys.Lett. B727 (2013) 226-233 A. van Hameren, M. Bury BCFW construction of helicity amplitudes with one off-shell leg in preparation 024 Matrix elements for the high energy regime at LHC Andreas van Hameren 27 01 2014 5

Outlook C++ Monte Carlo program LxJet for the calculation of up to 3 jet processes with one off-shell initial-state gluon (P. Kotko) Fortran Monte Carlo for arbitrary processes with up to 2 off-shell initial-state partons (A. van Hameren) Form program Ogime to calculate helicity amplitudes with an arbitrary number of off-shell legs (P. Kotko) these programs are/will become public applied in a comparison of DPS/SPS for pp c cc c (with R. Maciuła and A. Szczurek) will be applied to calculations for various processes, eg. with vector bosons and jets in the final state it will be investigated how to move to Next-To-Leading order precision the possibility of a BCFW construction for 2 off-shell legs will be investigated 025 Matrix elements for the high energy regime at LHC Andreas van Hameren 27 01 2014 6

!! # % & (#) # % +,& +. /#0 τ >π + π π ν 1! 2 2 πν τ Κν τ 2π ν τ 2Κν τ Κπν τ 3πν τ ΚΚπν τ Κππν τ 2πην τ 4πν τ 5 πν τ 88%

3 π + π π ) σ χ χ, π 0 π 0 π 4 55π 6 ))

! 37,, 8 1. 7 7 9 :. +; 9 :.! < =3= >;<. ;. 5 1 5=,. +%! 7 =3?7 1. <. 8 =3? ;?. 8 :. & =3? 9. 7!? 1 9?, 1 ;?.,.! Α 8? 1 9.

) & &! ## #! %% & (( && ) ( &&(! # #! %& %( ) +,./ 0 1 2 2 1 # # 3 #+ 4# # 3 0 5/ 4 6 + 7%8 4, 4 /89./: + 1 ; << # #! + = 5 ># 6? 1: 6 8 2# 6!!? 1 # % & % (