Measurements of dijet cross sections in diffractive photoproduction and deep inelastic scattering at HERA [Elektronische Ressource] / [presented by Sebastian Schätzel]

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDiplom-Physiker Sebastian Sch atzelborn in Kiel, GermanyOral examination: 11 February 2004Measurements of Dijet Cross Sections in DiffractivePhotoproduction and Deep-Inelastic Scattering at HERAReferees: Prof. Dr. Franz EiseleProf. Dr. Johanna StachelUbersichtEs wurden di eren tielle Wirkungsquerschnitte von Zweijet-Ereignissen indi raktiv en ep-Kollisionen des Typs ep ! eXY gemessen, in denen das dis-soziative Photonsystem X durch eine gro e Rapidit atsluc ke vom baryonischenSystem Y niedriger Masse getrennt ist und in denen am Protonvertex nur eingeringer Impuls ub ertragen wird. Die Daten entsprechen einer integrierten Lu-1minosit at von 18 pb . Zweijet-Ereignisse sind de niert ub er den inklusivenk -Jetalgorithmus. Die Wirkungsquerschnitte sind auf das Niveau stabilerT2 2Hadronen korrigiert und umfassen den kinematischen Bereich Q < 0:01 GeV2 2(Photoproduktion) bzw. 4 < Q < 80 GeV (tief-inelastische ep Streuung,jet1 jet2DIS) und 165 < W < 242 GeV, x < 0:03, E > 5 GeV and E > 4 GeV.IP T TSowohl die Photoproduktions- als auch die DIS-Wirkungsquerschnitte wer-den im Rahmen der experimentellen Genauigkeit durch Modellvorhersagenbeschrieben, die auf di raktiv en Partondichten basieren, die in inklusiverdi raktiv er DIS extrahiert wurden.
Publié le : jeudi 1 janvier 2004
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Diplom-Physiker Sebastian Sch atzel
born in Kiel, Germany
Oral examination: 11 February 2004Measurements of Dijet Cross Sections in Diffractive
Photoproduction and Deep-Inelastic Scattering at HERA
Referees: Prof. Dr. Franz Eisele
Prof. Dr. Johanna StachelUbersicht
Es wurden di eren tielle Wirkungsquerschnitte von Zweijet-Ereignissen in
di raktiv en ep-Kollisionen des Typs ep ! eXY gemessen, in denen das dis-
soziative Photonsystem X durch eine gro e Rapidit atsluc ke vom baryonischen
System Y niedriger Masse getrennt ist und in denen am Protonvertex nur ein
geringer Impuls ub ertragen wird. Die Daten entsprechen einer integrierten Lu-
1minosit at von 18 pb . Zweijet-Ereignisse sind de niert ub er den inklusiven
k -Jetalgorithmus. Die Wirkungsquerschnitte sind auf das Niveau stabilerT
2 2Hadronen korrigiert und umfassen den kinematischen Bereich Q < 0:01 GeV
2 2(Photoproduktion) bzw. 4 < Q < 80 GeV (tief-inelastische ep Streuung,
jet1 jet2
DIS) und 165 < W < 242 GeV, x < 0:03, E > 5 GeV and E > 4 GeV.IP T T
Sowohl die Photoproduktions- als auch die DIS-Wirkungsquerschnitte wer-
den im Rahmen der experimentellen Genauigkeit durch Modellvorhersagen
beschrieben, die auf di raktiv en Partondichten basieren, die in inklusiver
di raktiv er DIS extrahiert wurden. Die Messungen sind kompatibel mit QCD-
und Regge-Faktorisierung. Die ‘gap survival probability’ in di raktiv en Zwei-
jetereignissen der Photoproduktion relativ zum gleichen Proze in DIS wurde
zu 0:89 0:15 bestimmt. Diese Unterdruc kung ist fur Prozesse mit einem
aufgel osten Photon und einem direkten Photon gleich.
Abstract
Measurements are presented of di eren tial dijet cross sections in low jtj
di ractiv e ep collisions of the type ep ! eXY , in which the photon dis-
sociation system X is separated from a leading low mass baryonic system
Y by a large rapidity gap. The measurements are based on an integrated
1luminosity of 18 pb . Dijet events are identi ed using the inclusive kT
cluster algorithm. The cross sections are corrected to the level of stable
2 2hadrons and are measured in the kinematic region Q < 0:01 GeV (pho-
2 2toproduction) or 4 < Q < 80 GeV (deep-inelastic ep scattering, DIS) and
jet1 jet2
165 < W < 242 GeV, x < 0:03, E > 5 GeV, and E > 4 GeV. Both theIP T T
photoproduction and the DIS measurement are described within the experi-
mental precision by model predictions based on di ractiv e parton distributions
obtained in inclusive di ractiv e DIS. The measurements are compatible with
QCD and Regge factorisation. The gap survival probability in di ractiv e di-
jet photoproduction relative to the same process in DIS is determined to be
0:89 0:15. This suppression is the same for direct and resolved photon pro-
cesses.Contents
List of Tables iv
List of Figures v
1 Introduction 1
2 Di ractiv e scattering at HERA 4
2.1 Di ractiv e parton densities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Kinematics of inclusive DDIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Di ractiv e structure function of the proton . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 Regge factorisation and the pomeron . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.4 Pomeron parton density functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Di ractiv e dijet production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 QCD hard scattering factorisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Monte Carlo generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 RAPGAP implementation of the pomeron model . . . . . . . . . 9
2.3.2 Generator for inclusive dijet production . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 DIFFVM model for proton dissociation . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.4 Di ractiv e dijet production in DIS . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.4.1 Kinematics of di ractiv e dijet production in DIS . . . . 11
2.3.4.2 Previous H1 results on di ractiv e dijet production in DIS 12
2.3.5 Di ractiv e dijet production at the Tevatron . . . . . . . . . . . . 14
2.3.6 e dijet photoproduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.6.1 Resolved photon processes . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.6.2 Kinematics of di ractiv e dijets in photoproduction . . . 16
2.3.6.3 Previous H1 results on di ractiv e dijet photoproduction 16
2.3.7 Motivation for the present analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 The HERA collider and the H1 detector 19
3.1 The HERA collider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 The H1 detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.2 Tracking detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.3 Liquid argon calorimeter (LAr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.4 Backward SPACAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.5 Forward detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.6 Electron and photon detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
i4 Correction of detector e ects 29
4.1 Partons, hadrons and detector response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2 Event variable spectra and migrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 Simulation of the H1 detector response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 Bin-to-bin correction method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.5 Reweighting of the correction Monte Carlo . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.6 Systematic uncertainties of the correction factor . . . . . . . . . . . . . . 32
4.7 Irrelevant detector level phase space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.8 Energy o w in the event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5 Analysis of dijets in di ractiv e photoproduction 33
5.1 Reconstruction of kinematic variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2 Monte Carlo modelling of the data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3.1 Basic event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3.2 Triggers and trigger e ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3.3 Raw event rate and integrated luminosity . . . . . . . . . . . . . . 44
5.3.4 Electron detector cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.5 Photon energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.6 Event vertex requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3.7 Reconstruction of the hadronic nal state . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3.8 Dijet selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3.9 Selection of di ractiv e events in photoproduction . . . . . . . . . 51
5.3.9.1 Cut on x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51IP
5.3.9.2 Cut on most forward cluster in the LAr calorimeter . . . 51
5.3.9.3 Activity in the FMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.9.4 Hits in the PRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.4 Control plots for di ractiv e dijets in photoproduction . . . . . . . . . . . 56
5.4.1 Description of kinematic variables in photoproduction . . . . . . . 56
5.4.2 Energy o w in di ractiv e photoproduction dijet events . . . . . . 59
5.5 Correction to the level of stable hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.5.1 Cross section formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.5.2 Correction factor, purity and stability . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.5.3 Cut monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.5.4 Ine ciency of the rapidity gap selection . . . . . . . . . . . . . . 70
5.5.5 Correction for noise in the FMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.5.6 for proton dissociation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.6 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.6.1 Incomplete understanding of detector parameters . . . . . . . . . 73
5.6.2 Imperfect description of data distributions . . . . . . . . . . . . . 73
5.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 Analysis of dijets in di ractiv e DIS 78
6.1 Reconstruction of kinematic variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2 Monte Carlo modelling of the data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3 Event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
ii6.3.1 Basic event selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.2 Triggers and trigger e ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3.3 Raw event rate and integrated luminosity . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.4 Cuts on the electron candidate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.5 Event vertex requirement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.6 Containment of the event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.7 Transverse momentum balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.3.8 Dijet selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.3.9 Selection of di ractiv e events in DIS . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.9.1 Cut on x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99IP
6.3.9.2 Cut on most forward cluster in the LAr calorimeter . . . 99
6.3.9.3 Activity in the FMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.9.4 Hits in the PRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.4 Control plots for di ractiv e dijets in DIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.4.1 Description of kinematic variables in DIS . . . . . . . . . . . . . . 102
6.4.2 Energy o w in di ractiv e DIS dijet events . . . . . . . . . . . . . 102
6.5 Correction to the level of stable hadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.5.1 Cross section formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.5.2 Correction factor, purity and stability . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.5.3 Cut monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.5.4 Ine ciency of the rapidity gap selection . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5.5 Correction for noise in the FMD and proton dissociation . . . . . 111
6.5.6 Radiative corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.6 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.6.1 Incomplete understanding of detector parameters . . . . . . . . . 114
6.6.2 Imperfect description of data distributions . . . . . . . . . . . . . 116
6.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7 Results and interpretation 120
7.1 Dijet cross sections in di ractiv e photoproduction . . . . . . . . . . . . . 121
7.1.1 Total di ractiv e dijet cross section in photoproduction . . . . . . 121
7.1.2 Dependence on the fractional momenta x , z and x . . . . . . 122 IP IP
7.1.3 Dep on jet variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1.4 Dependence on other variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.1.5 Uncertainties of the model prediction . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.2 Dijet cross sections in di ractiv e DIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
7.2.1 Total di ractiv e dijet cross section in DIS . . . . . . . . . . . . . 128
7.2.2 Dependence on the fractional momenta x , z and x . . . . . . 129 IP IP
7.2.3 Dep on jet variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.2.4 Dependence on other variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.2.5 Uncertainties of the model prediction . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.3 Survival probability in di ractiv e dijet photoproduction . . . . . . . . . . 134
7.4 Summary and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
iiiList of Tables
2.1 Flux parameters of the pomeron PDF t . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
5.1 Selection of photoproduction events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2 Dijet selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 Di ractiv e selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4 Average numbers in the photoproduction analysis . . . . . . . . . . . . . 77
6.1 DIS selection cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Average numbers of the DIS analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1 Kinematic region of the p cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.2 of the DIS cross . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
iv

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