A precision measurement of the proton structure function F_1tn2 with the H1 experiment [Elektronische Ressource] / von Jan Kretzschmar

Kretzschmar Jan

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

A Precision Measurement of the Proton Structure
FunctionF with the H1 Experiment
2
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Jan Kretzschmar
geboren am 18.12.1978 in Leipzig
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Christian Limberg
Gutachter:
1. Prof. Dr. Hermann Kolanoski
2. Prof. Dr. Max Klein
3. Prof. Dr. Thomas Lohse
eingereicht am: 31. Oktober 2007
Tag der mündlichen Prüfung: 4. Februar 2008iiAbstract
The H1 detector at the HERA collider is a complex device to study the inter-
√
actions of electrons and protons at a centre of mass energy of s = 320 GeV. One
of the main goals is to determine the substructure of the proton with the best pos-
sible precision. This is done measuring the inclusive deep-inelastic scattering cross
2
section as a function of the kinematic variables Q and x.
This work presents a new measurement of the inclusive deep-inelastic electron-
proton scattering cross section using the data taken with the H1 experiment in the
year 2000. The measurement is restricted to the region of low and intermediate
inelasticities y, where the background is low. In this domain the reduced cross
section is mostly identical to the proton structure function F . About one order of2
2 22
magnitude in the photon virtuality, 10 GeV <Q < 180 GeV , and three orders of
−4 in the Bjorken scaling variable, 1.3· 10 <x< 0.15, are covered.
The accuracy in this range is limited by systematic uncertainties rather than
statistics. Compared to the published results using the data from the years 1996/97,
these uncertainties are reduced by a significant amount and a self consistent mea-
surement is presented. The results were also reproduced in an independent analysis.
The errors of the new measurement are typically in the range of 1.3− 2.0%, which
means a 30% improvement over the previously published results. None of the con-
sidered systematic error sources dominates the total uncertainty in the bulk of the
measurement. Only at the highest x values, or equivalently lowest y, the measure-
ment is limited by the achieved control over the measurement of the hadronic final
state.
An unexpected but nevertheless important result is the observed discrepancy
between the measurement and the previously published H1 results. A new analysis
of the older data shows, that the data sets themselves are not responsible for this.
It is also found, that assumptions made for the simulated event sample were wrong
and therefore the published cross section measurement is biased by up to 3%. An
approximate correction of the published data leads to a reasonable agreement of the
old and the new measurement within their respective uncertainties.
Keywords:
Proton Structure, F2, Deep-Inelastic Scattering, H1Zusammenfassung
Der H1-Detektor ist eines der komplexen Messinstrumente am HERA Beschleu-
niger. Er wurde gebaut, um die Wechselwirkung von Elektronen und Protonen bei
√
höchsten Schwerpunktenergien von bis zu s = 320 GeV zu untersuchen. Ein wich-
tiges Thema ist die Bestimmung der Protonstruktur mit der bestmöglichen Genau-
igkeit. Zu diesem Zweck bestimmt man den inklusiven tief-inelastischen Wirkungs-
2
querschnitt als Funktion der kinematischen Variablen x und Q .
In dieser Arbeit wird eine neue Messung des tief-inelastischen Wirkungsquer-
schnitts vorgestellt. Dazu werden Daten analysiert, welche mit dem H1 Detektor
im Jahre 2000 aufgezeichnet wurden. Die Messung ist beschränkt auf den Bereich
mittlerer und niedriger Inelastizität y. In diesem Bereich ist der Untergrund ge-
ring und die Messung des reduzierten Wirkungsquerschnittes ist fast eine direkte
Messung der Protonstrukturfunktion F . Die Messung erstreckt sich über etwa ei-2
2 22
ne Größenordnung in der Photon-Virtualität, 10 GeV < Q < 180 GeV , und drei
−4ungen in der Bjorken-Skalenvariablen, 1,3· 10 <x< 0,15.
Die Genauigkeit ist hauptsächlich durch systematische Unsicherheiten limitiert.
Im Vergleich zu den publizierten Ergebnissen mit den Daten aus den Jahren 1996/97
konnten diese Unsicherheiten signifikant reduziert werden. Es werden selbstkonsis-
tente Resultate vorgestellt, die auch von einer unabhängigen Analyse bestätigt wer-
den. Die Fehler der neuen Messung liegen meist im Bereich von 1,3−2,0%, was eine
Verbesserung um etwa 30% gegenüber den bereits veröffentlichten Resultaten dar-
stellt. Keiner der systematischen Effekte dominiert die Unsicherheiten für die Mehr-
zahl der Messpunkte. Nur bei höchstem x, oder äquivalent kleinstem y, beschränkt
das Verständnis des hadronischen Endzustandes die erreichbare Genauigkeit.
Ein unerwartetes, aber gerade deshalb wichtiges Ergebnis ist die signifikante
Abweichung der neuen Messung von der publizierten. Eine neue Analyse der alten
Daten zeigt, dass diese Diskrepanz nicht in den Daten selbst liegt. Es wird weiterhin
gezeigt, dass Annahmen über die simulierten Ereignisdaten, welche für die Analyse
der alten Daten verwendet wurden, falsch waren. Der Effekt ist eine um bis zu 3%
falsche Messung. Nach einer Korrektur dieses Effektes stimmen die alte und die neue
Messung unter Berücksichtigung ihrer Unsicherheiten miteinander überein.
Schlagwörter:
Protonstruktur, F2, Tief-inelastische Streuung, H1Contents
1 Introduction 1
2 Deep-Inelastic Scattering 3
2.1 Event Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 DIS Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 The Quark Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 The Rise of F towards Low x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
2.6 Radiative Corrections to ep Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.7 Experimental Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.8 Motivation of this Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 The H1 Detector at HERA 17
3.1 The HERA Accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 The H1 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.1 Central and Forward Tracking Systems . . . . . . . . . . . . . 19
3.2.2 Liquid Argon Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.3 Backward Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.4 Luminosity System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.5 Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Basics of the Cross Section Measurement 31
4.1 Reconstruction of DIS Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Monte Carlo Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.1 DJANGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2.2 PHOJET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.3 Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.4 Radiative Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Electron Identification and Background Processes . . . . . . . . . . . 39
4.3.1 Electron Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.2 Photoproduction Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.3 Non-ep Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 Covered Phase Space and Resolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4.1 Electron Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.4.2 Σ Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4.3 Alternative Reconstruction Schemes . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4.4 Acceptance and Phase Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
vCONTENTS
4.5 Cross Section and Structure Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 Data Selection and Treatment 53
5.1 Data Sample and Run Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Event Reconstruction and Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.1 SpaCal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.2 Electron Tracking in the Backward Detectors . . . . . . . . . 56
5.2.3 Event Vertex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.4 Hadronic Final State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.5 Phase Space Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3 Online Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.1 Subtrigger Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.2 Trigger Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3.3 Combining Prescaled Triggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.3.4 Event Selection on L4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4 Stability Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.5 Vertex Analysis and Reweighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.