Charm-Produktion in tiefinelastischer Streuung am ZEUS-Experiment in der Datennahmeperiode von HERA-II [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Falk Karstens

Charm-Produktion in Tie nelastischerStreuung am ZEUS-Experiment in derDatennahmeperiode von HERA-IIDISSERTATIONzurErlangung der Doktorwurdeder Fakult at fur Mathematik und Physikder Albert-Ludwigs-Universitat in Freiburg i.Br.vorgelegt vonFalk Karstensgeb. in BerlinSeptember 2006Dekan: Prof. Dr. J. HonerkampGutachter: Prof. Dr. A. Bamberger, Prof. Dr. K. JakobsDisputation: 8.November 2006To my parents and UlrikeKurzfassungDas ZEUS-Experiment ist eines von zwei Strahlkollisionsexperimenten mit vielseitigerZielsetzung an der Hadron-Elektron-Ringanlage (HERA-Beschleuniger) am DeutschenElektronensynchrotron (DESY), Hamburg. Ein neuer Mikro-Vertex-Detektor (MVD)und ein neuer Straw-Tube-Tracker (STT) werden am ZEUS-Experiment seit dem Lu-minosit atsupgrade 2001 betrieben. Beide Komponenten sind Teil eines neuen globalenSpurrekonstruktionssystems. DieverbesserteSpurrekonstruktionwirdgenutzt,umD -2 2Mesonenintie nelastischerStreuung(DIS)imkinematischenBereich5
Publié le : dimanche 1 janvier 2006
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Charm-Produktion in Tie nelastischer
Streuung am ZEUS-Experiment in der
Datennahmeperiode von HERA-II
DISSERTATION
zur
Erlangung der Doktorwurde
der Fakult at fur Mathematik und Physik
der Albert-Ludwigs-Universitat in Freiburg i.Br.
vorgelegt von
Falk Karstens
geb. in Berlin
September 2006Dekan: Prof. Dr. J. Honerkamp
Gutachter: Prof. Dr. A. Bamberger, Prof. Dr. K. Jakobs
Disputation: 8.November 2006To my parents and UlrikeKurzfassung
Das ZEUS-Experiment ist eines von zwei Strahlkollisionsexperimenten mit vielseitiger
Zielsetzung an der Hadron-Elektron-Ringanlage (HERA-Beschleuniger) am Deutschen
Elektronensynchrotron (DESY), Hamburg. Ein neuer Mikro-Vertex-Detektor (MVD)
und ein neuer Straw-Tube-Tracker (STT) werden am ZEUS-Experiment seit dem Lu-
minosit atsupgrade 2001 betrieben. Beide Komponenten sind Teil eines neuen globalen
Spurrekonstruktionssystems. DieverbesserteSpurrekonstruktionwirdgenutzt,umD -
2 2Mesonenintie nelastischerStreuung(DIS)imkinematischenBereich5 <Q <1000GeV
und 0.02<y <0.7 zu analysieren. D (2010)-Mesonen sind angeregte Zusant de von
Mesonen mit Charmanteil, welche in einer Open-Charm-Produktion der Boson-Gluon-
Fusion produziert werden. D -Mesonen werden im “Goldenen Kanal” untersucht. Bei
diesem Zerfallsmodus zerfallt das D -Meson in starker und schwacher Wechselwirkung
0 in ein Kaon und zwei Pionen: D → D (→ K + ) + . Anhand der invari-
S
anten Masse k onnen D -Mesonen identi ziert werden, welche unter Annahmen fur
die Ruhemassen von Kaon und Pionen und deren Impulse der Spuren berechnet wird.
Der totale und di erenzielle Wirkungsquerschnitte werden berechnet unter Verwendung
von Monte-Carlo-Simulationen. Die Wirkungsquerschnitte werden mit Vorhersagen des
theoretischen Modells Fixed- avour-number-scheme (FNNS) in Next-to-leading-order
(NLO) verglichen. Damit ist einer direkter Test der Gluon-Verteilungsfunktion im Pro-
ton m oglich, welche mit diesem theoretischen Modell berechnet werden kann. Weiterhin
ist die Bestimmung der Wirkungsquerschnitte Voraussetzung, um den Charmanteil in
der Strukturfunktion des Protons zu bestimmen.
vKurzfassung
viAbstract
The ZEUS experiment is one of two general purpose colliding-beam experiments at
the Hadron-Elektron-Ringanlage (HERA collider) at Deutsches Elektronensynchrotron
(DESY),Hamburg. TheZEUSexperimenthasanewMicro-VertexDetector(MVD)and
Straw-Tube Tracker (STT), which have been in operation since the luminosity upgrade
in 2001. Both components are part of a new global tracking system. This improved
tracking has been used in a D analysis in deep inelastic scattering (DIS), in the
2 2 kinematic range, 5 < Q < 1000GeV and 0.02 < y < 0.7. The D (2010) mesons are
excited states containing charm and are produced at HERA in open-charm production
in boson gluon fusion. The D have been investigated in the so-called golden channel,
wheretheD decaysviastrongandweakinteractionintoakaonandtwopions: D →
0 D (→ K + )+ . The D mesons are identi ed using its invariant mass, whichS
is calculated with the rest mass assumption and the momentum of the tracks. The
total and di erential cross sections have been calculated using Monte Carlo simulations.
They have been compared with theoretical xed-avor-number-scheme (FNNS) next-
to-leading order (NLO) predictions. That is a direct test of the gluon density function
calculatedwiththattheoreticalmodel. Furthermorethecross-sectionmeasurementsare
the presupposition to determine the charm contribution to the structure function of the
proton.
viiAbstract
viiiContents
Kurzfassung v
Abstract vii
1. Introduction 1
1.1. QCD physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. DESY research center 7
2.1. HERA storage ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3. ZEUS 11
3.1. CTD tracking detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2. Micro-vertex detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.1. Dead material. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.2. MVD alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3. Calorimeter system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.4. Trigger system and data storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.5. Luminosity upgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.6. Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.7. Monte Carlo production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4. Straw-tube tracker 25
4.1. STT design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.2. Mechanical tension test with resonance method . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3. First running experience and STT review . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4. Pulser test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.1. Test set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4.2. Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4.3. Channel characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
ixContents
4.5. Cooling system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6. T0 calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.7. Occupancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.8. E ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.8.1. Test beam measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.8.2. Probability from data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.9. STT tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.9.1. Pattern recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.9.2. Track t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.9.3. Track matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5. Tracking 39
5.1. VCTRAK program package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2. Kalman

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