QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN

1. QCD-TESTS AN BESCHLEUNIGERN Thomas Schörner-SadeniusUniversität Hamburg DPG-Tagung Dortmund24. März 2006 Mit herzlichem Dank an: K. Borras, A. Geiser, G. Grindhammer, H. Jung, R. Klanner, I. Melzer, J. Schieck, P. Schleper, S. Tapprogge u.v.a.

2. 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 (u.v.a.) kommt leider nicht vor: ¶ Physik schwerer Quarks ¶ Diffraktion ¶ Hadronische Struktur des Photons ¶ Spinstruktur des Protons ¶ Phänomenologie (Resummation, ME+PS etc.) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

3. Gestreutes Elektron Elektron Boson(,Z,W) Gestreutes Parton Harte Abstrahlung Proton Protonrest FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

4. Hadroni-sierung Parton-schauer QCD-Strahlung StabileTeilchen FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Zahlreiche Effekte zerstören das einfache Bild der harten Wechselwirkung! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

5. Harte Wechselwirkung(Parton-Wirkungsquer-schnitt, Matrix-Element) FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Die harte Wechselwirkung ist in perturbativer QCD berechenbar. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

6. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. PDF:fi(F) Partonverteilung (PDF)summiert “weiche” Anteileder QCD-Strahlung unterhalb der Faktorisierungsskala F. Die Partonverteilungen sind nicht a priori berechenbar – sie müssen mithilfe von Messungen bestimmt werden. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

7. FREUD UND LEID DER QCD… am Beispiel eines HERA-Events. Jet-Algorithmussummiert effektiv Strahlungvom gestreuten Parton. PDF:fi(F) Berechnung von Wirkungsquerschnitten: Faltung der Partonverteilungen mit hartem Wirkungsquerschnitt: TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

8. SCHWERPUNKT: PERTURBATIVE QCDund Reihenentwicklung der harten Wechselwirkung Störungs-reihe in S “Harte” Abstrahlungen und virtuelle Korrekturen führen zu komplexeren Matrixelementen proportional zu S-Potenzen. Der Wirkungsquerschnitt ergibt sichaus der Summe über die Potenzen: • S ist groß ~ 0.1 – 0.2  Beiträge höhere Ordnungen (NLO, NNLO) sind wichtig. • Berechnung der Koeffizienten Cn ist schwierig. In den meisten Fällen bis zur NLO bekannt; selten NNLO. Probleme TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

9. e± e± Photonimpuls q(Q2 = -q2) q Impulsbruchteil x Proton DAS PROTON ALS QCD-LABORErforschung der Protonstruktur in Streuexperimenten TiefunelastischeStreuung (DIS) “Inklusive Messung” von Winkel und Energie des gestreuten Elektrons liefert x und Q2 Bestimmung der Kinematik. Proportional zur StrukturfunktionF2 des Protons (elektromag-netischer Gehalt des Protons). ep-Wirkungs-querschnitt (Partonverteilungen fi) Das Auflösungsvermögen der Photon-”Sonde” kann mithilfe von Q2 eingestellt werden: Auflösung (HERA: 0.001-1fm) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

10. DIE STRUKTURFUNKTION F2und der HERA-Beitrag ¶ Experimentelle Genauigkeit: 2%! ¶ Bei steigender Auflösung Q2:¶ Mehr Gluonabstrahlungen von den Valenzquarks sichtbar  bei hohen x sinkt F2. ¶ Gluonen zerfallen (ggg,gqq)  bei niedrigen x steigt F2 an. ¶ Beschreibung: DGLAP-Formalismus “Vor HERA” “Nach HERA” HERA konnte unser Wissen über das Protonmassiv ausweiten! Die gute Beschreibung der Daten durch dieTheorie ist ein großer Erfolg der QCD TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

11. DIE PDFsUnterschiede verschiedener Gruppen ¶ Die einzelnen Extraktionen der PDFs weichen drastische voneinander ab. Die Unterschiede scheinen schon in den Daten zu liegen – nicht im Fit. Q2 = 200 GeV2: Fehler 10%, 100 Q2 = 5 GeV2: Fehler 100%, 10 ¶ Viele wichtige Kanäle bei LHC betroffen. Z.B. ggH; Fehler auf Higgs-Wirkungs- querschnitt durch PDFs derzeit je 10% durch Quarks und Gluonen. 1 Reicht das, um Charakter des Higgs-zu etablieren (Higgs~mt2 )? 0.1 100 1000 MH [GeV] Genaue Kenntnis der PDFs wichtig für Entdeckungsphysik bei LHC! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

12. x VERBESSERUNGEN ?Kombinierte Analysen, mehr Daten (Jets)! ZEUS-Jet-Daten (zusätzlich zuF2) schränken Gluon ein. Grund:Boson-Gluon-Fusion bei hohen x! Kombination der H1- undZEUS-Daten reduziert Un-sicherheiten (Vortrag A. Glazov, Freitag) AndereDaten MehrDaten ¶ PDF-Fits in NNLO sollten Unsicherheiten reduzieren. ¶ FL-Daten von HERA Gluon bei kleinen x, Q2.¶ Berücksichtigung intrinsischer kT-Effekte. WeitereIdeen HERA hat das Potential,die Fehler zu halbieren! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

13. QCD-TESTS MIT JETSWie bestimmt man S mit Jets? (am Beispiel HERA) Im Vergleich Daten – Theorie kann man:– PDFs extrahieren; ihre Universalität testen,– S extrahieren (siehe später), – Faktorisierung und Störungstheorie testen. Wirkungs-querschnitt Beispiel:H1 Unsicherheiten: 10%. Dominiert durch Ab-schätzung höherer Ordnungen. Schöne Bestätigung der Universalität der PDFs und der Faktorisierung! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

14. JETS IN NLO: UNSICHERHEITEN Hadroncollider dominiert durch Energieskala! Jet-Wirkungsquerschnitt von CDF: ¶ 20% Unsicherheit aus Jet-Energieskala ¶ bei hohen Energien bis zu 50% Unsicherheit aus PDF-Unkenntnis. Bei LHC erwartete Genauigkeit der Jet-Energieskala: 30%! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

15. JETS BEI LHC – BIS 5 TeV!Was können wir noch erwarten? Die gezeigten Verbeserungen (Gluondichte bei HERA etc.) halbiert theoretische Unsicherheit auf den LHC-Wirkungsquerschnitten! Nur durch genaue Kenntnis der PDFs kann man z.B. Multijet/”Multiple Interaction”-Ereignisse von “mini black holes” unterscheiden oder SUSY-Signaturen erkennen! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

16. S: HEUTIGER STANDErgebnisse in verschiedenen Ordnungen Weltmittel(NNLO) S(MZ)=0.1187(20) [PDG] S(MZ)=0.118X(YX) [Bethke] HERA-Mittel(NLO) Ergebnisse in NLO (Jets, F2)  theo. Fehler größer: S(MZ)=0.1186±0.0050 Zum Vergleich: – EM auf 12 Stellen bekannt, – GF auf 6 Stellen! Bethke-Plot Sehr gute Übereinstimmung ganz verschiedener Prozesse! Unsicherheiten bei ca. 2% (in NNLO). Bedeutung für SUSY, Vereinheitlichung … TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

17. BEDEUTUNG VON Sfür die Große Vereinheitlichung Unter der Annahme von Supersymmetrie (Erweiterung des Teilchenspektrums!)vereinigen sich die drei Kopplungen des Standardmodells bei 1016 GeV! 1/weak 1/EM 1/S Zur Überprüfung ist möglichst genaue Kenntnis von S nötig! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

18. SAUS JETS AM LHCIst eine genaue Bestimmung denkbar? MC-simulierte Daten im Vergleich zu NLO-QCD-Rechnung: Jet-ET. “Daten” Die Theorie zeigt deutliche Abhängigkeit von S. aber Auch die PDF-Abhängigkeit istsehr gross (einige Prozent). Theoretischer Fehler auf S bei LHC von unter 10% sollte möglich sein. Wie werden die experimentellen Unsicherheiten aussehen ? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

19. 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

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

21. 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%. Mention lumi monitor  Important! W/Z-Ratio als Funktion der Rapidität für verschiedene PDFs: PDF3%. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

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

23. mt [GeV] I. Borjanovic et al., hep-ex/0403021 RCluster RELEVANZ BEI LHCz.B. bei Bestimmung der Top-Masse Idee Bestimmung der Top-Masse in high-pT-Ereignissen durch direkte Summe der Kalorimeter-Energien aller drei Quark(-Jets).– keine Unsicherheit wegen Jet-Energieskala! – aber genaue Kenntnis des Energieflusses (UE) wichtig! Variation der “underlying energy”um 10%  signifikante Abhängigkeitder Top-Masse von R.  Genaue Kenntnis des UE wichtig für Top-Messung! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

24. MODELL-ANPASSUNG AM TEVATRONAnpassung z.B. an pT-Summen Betrachte Ereignis “weit weg” von der harten Physik – von harten Jets; Definiere die “transversale” Richtung:90o in  relativ zum Jet versetzt  von “UE” dominiert? Idee pT-Summe in der transversalen Region, Multiplizität geladener Teilchen als Funktion des Jet-ET. Messung Modelle können mehr oder wenigergut an Daten angepasst werden. Finale Anpassung am LHC nötig, aber schwierig. Tieferes Verständnis des Phänomens wünschenswert. TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

25. EXTRAPOLATION ZUM LHC… und Lernen bei HERA Photoproduktion bei HERAist effektiv Hadron-Hadron-Streuung: HERA p Tevatron-Anpassungen liefern vollkommen verschiedene Ergebnisse bei LHC! LHC Hadronischer Charakter des Photonsist “einstellbar” (Q2)  HERA idealerOrt für systematisches Verständnis! HERA wird hier mehr liefern! TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

26. 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

27. 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

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

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

30. AUSBLICK Noch viele Daten von HERA und Tevatron ¶ HERA wird derzeitige Daten- menge etwa verdreifachen.¶ Tevatron strebt XYZ an! ¶ Beide Maschine laufen gut. Lumi Fortschritt ¶ Statistik (wie wichtig?) ¶ Theorie (NNLO, Resum- mierung, ME+PS, …) ¶ Neue Analyseideen? TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

31. 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

32. HERA-LHC- UND LHC-D-WORKSHOPSReiche Auswahl an QCD-Ergebnissen Proceedings des Workshops:CERN-2005-014 TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

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

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

35. EXPERIMENTEEine Auswahl CDF/TEVATRON(D0) OPAL/LEP(L3,DELPHI,ALEPH) ZEUS/HERA (H1) ATLAS/LHC(CMS) TSS: QCD-Tests an Beschleunigern

36. 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

37. 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

38. 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

39. 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

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

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

42. 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

43. 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

44. 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

45. SBEI LHC AUS JETSIst eine genaue Bestimmung denkbar? Monte-Carlo-simulierte Daten im Vergleich zu NLO-QCD-Rechnung:transversale Jet-Energie. Die Theorie zeigt eine deutliche Abhängigkeit von S. “Daten” Theoretischer Fehler von unter 10% sollte möglich sein. Wie werden die experimentellen Unsicherheiten aussehen ? aber … sind sensitiv … starke PDF-Abhängigkeit! Abschät-zung TSS: QCD-Tests an Beschleunigern