D-meson production by muons in the COMPASS experiment at CERN [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Alexander Zvyagin

Alexander Zvyagin

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• Publié le: 01 janvier 2010
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Extrait

D-meson production by muons in the
COMPASS experiment at CERN
Alexander Zvyagin
Munchen, November 2010D-meson production by muons in the
COMPASS experiment at CERN
Alexander Zvyagin
Dissertation
an der Fakult at fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Alexander Zvyagin
aus Moskau, Russland
Munc hen, November 2010Erstgutachter: Prof. Dr. Martin Faessler
Zweitgutachter: Prof. Dr. Dorothee Schaile
Tag der mundlic hen Prufung: 21 Januar 2011v
Abstract
One of the physics goals of the COMPASS experiment at CERN was to measure the
contribution of gluons to the nucleon spin. To achieve this, it was proposed to scatter
polarized 160 GeV=c muons on a polarized deuteron target and to detect D mesons in
the nal state. The underlying process in this D meson production is supposed to be the
Photon-Gluon Fusion (PGF), where a virtual photon emitted by the muon interacts with a
gluon from the target nucleon, producing a charm-anticharm quark pair. Fragmentation of
0 a charm (anticharm) quark leads with high probability to the creation of aD orD meson,
0 0which COMPASS detects via the D !K and D !D !K decay modes. From
the longitudinal cross section spin asymmetries of theD meson production and theoretical
predictions for the PGF cross section, the gluon contribution to the nucleon spin has been
measured by the COMPASS experiment.
The results presented in the thesis are the following. Based on data from the year
2004 a total visible cross section of 1:8 0:4 nb, for the D meson production, has been
measured, with the error being dominated by systematic e ects. It is validated that the
D mesons are indeed produced through the PGF process, by comparison of measured D
meson kinematic distributions to the ones predicted by a theory (AROMA generator). A
good agreement was found for the distribution shapes, which con rms that PGF plays
0a major role. However, a 20% di erence was found in the number of produced D and
+ 0D mesons (and for the D and D mesons as well) which is signi cantly larger than
0 predicted by AROMA. Kinematic distributions ofD andD mesons were compared with
0the background and also with the nearbyK (1430) resonance, using all longitudinal data2
taken in 2002-2006. The particle-antiparticle asymmetry has been studied as a function of
+several kinematic variables. The 20% excess of mesons decaying into K over mesons
+ 0 0decaying into K was observed for all three mesons. The behavior of the D =D (and
+ D =D ) asymmetries as a function of virtual photon energy suggests that associated
+ +0production of D or D may be responsible for the observed e ect.c c
0 The longitudinal double spin asymmetries have been studied for the D , D and
0K (1430) mesons separately for particle, antiparticle and for the sum of particle and2
0 antiparticle. It was found that the asymmetries extracted for D and D mesons are
compatible with zero. A 3-sigma deviation from zero asymmetry was observed for the
0 0K (1430) meson. An investigation of the K (1430) double spin asymmetry reveals a2 2
dependence as function of the Bjorken x variable.Bjvi
Zusammenfassung
Eines der Ziele des COMPASS-Experimentes am CERN war, den Beitrag der Gluonen zum
Spin des Nukeons zu bestimmen. Der vorgeschlagene Weg war, polarisierte Myonen mit
Impulsen von 160GeV=c auf ein polarisiertes Deuteron-Target zu schie en, um D-Mesonen
zu erzeugen. Die theoretische Annahme ist, dass die Photon-Gluon-Fusion der wichtigste
zugrundeliegende Prozess ist, der zur D-Meson- Produktion fuhrt. Das virtuelle, vom
Myon emittierte Photon wechselwirkt mit einem Gluon im Nukleon und dabei wird ein
Charm-Anticharm-Quarkpaar erzeugt. Charm- (oder Anticharm-) Quark fragmentieren
0 + 0mit gro er Wahrscheinlichkeit in ein D - oder D - Meson (bzw D oder D ). COM-
0 0PASS weist diese Mesonen nach ub er die Zerf alle D !K undD !D !K. Aus
der gemessenen Asymmetrie der D-Meson-Produktions-Wirkungsquerschnitte von longi-
tudinal parallel oder antiparallel polarisierten Myonen und Deuteronen und theoretischen
Vorhersagen fur die entsprechende Asymmetrie des Photon-Gluon-Fusionsprozesses wurde
der Beitrag des Gluons zum Nukeonspin gemessen.
Folgende Resultate werden in der vorliegenden Arbeit gezeigt: Auf der Basis der im
Jahr 2004 aufgenommenen Daten wurde ein Gesamtwirkungsquerschnitt von 1:80:4nb fur
dieD -Meson-Produktion, innerhalb der COMPASS-Akzeptanz (D -Meson-Energien von
22 bis 86GeV ) gemessen. Der Messfehler wird dominiert von systematischen E ekten. Es
wurde nachgewiesen, dass die D-Meson-Produktion in ihren wesentlichen Eigenschaften
ub ereinstimmt mit den Erwartungen auf der Basis der Photon-Gluon-Fusion. Die de-
taillierten Rechnungen werden im verwendeten AROMA- Ereignisgenerator durchgefuhrt.
Eine gute Ubereinstimmung wurde mit der Form der theoretischen Verteilungen gefunden.
Dies unterstutzt die Annahme, dass die Photon- Gluon- Fusion in der Tat eine domi-
0nante Rolle spielt. Der gemessene Unterschied von 20% in der Zahl sowohl der D - und
+ 0D - Mesonen als auch der D - und D -Mesonen ist allerdings signi kant gr o er als
0 von AROMA vorhergesagt. Die kinematischen Verteilungen der D - und D - Mesonen
0wurden auch verglichen mit denen des Untergrundes und der benachbarten K (1430) -2
Resonanz unter Verwendung aller longitudinaler Daten aus den Jahren 2002-2006. Auch
die Teilchen-Antiteilchen- Asymmetrie wurde studiert als Funktion dieser Variablen. Der
+ +Uberschuss von 20% der K - relativ zur K -Kombination wurde fur alle 3 Meso-
0 0 + nen beobachtet. Das Verhalten der D =D - (und D =D -) Asymmetrien als Funktion
der Energy des virtuellen (Austausch-) Photons legt nahe, dass dieser Unterschied von der
+0assoziierten Produktion von D bzw D mit einem Charm- Baryon verursacht wird.c
0 Die longitudinalen (Doppel-) Spinasymmetrien wurden untersucht fur D -, D - und
0K (1430) -Mesonen getrennt fur die Mesonen und Antimesonen und fur beide zusam-2
men. Es wurde gefunden, dass alle Asymmetrien vertr aglich sind mit 0, innerhalb der
0statistischen Fehler, au er in einem Fall: Fur das K (1430) -Meson wurde eine 3-Sigma-2
Abweichung von 0 beobachtet. Die Daten legen eine Abh angigkeit dieser (Doppelspin-)
Asymmetrie von Bjorken x nahe.BjContents
Abstract v
Zusammenfassung vi
1 Introduction 1
2 The COMPASS experiment 5
2.1 Apparatus Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Beam Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Polarized Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Charged Particle Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4 Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.5 Particle Identi cation Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 The Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Reconstruction Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Straw Drift Chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.1 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.2 Time Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.3 T calibration results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
2.4.4 Conclusion of the T calibration procedure . . . . . . . . . . . . . . 310
3 Open Charm Leptoproduction 33
3.1 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Photon-Gluon Fusion Cross Section and Asymmetry . . . . . . . . . . . . . 35
4 Data Analysis and Results 39
4.1 Unpolarized Di erential Charm Production Cross Sections . . . . . . . . . 39
4.1.1 Data Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.2 Method of signal extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.3 Kinematical distributions before acceptance correction . . . . . . . 51
4.1.4 Acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.5 Integrated luminosity and total visible cross section . . . . . . . . . 54viii Table of Content
4.1.6 Semi-inclusive di erential cross sections for D muoproduction . . 55
4.1.7 More Particle-Antiparticle Asymmetries . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Search for Longitudinal Double Spin in Charm Production . 76
4.2.1 Event Counting and Spin . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.2 Practical Asymmetry Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.3 Results on Spin Asymmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5 Conclusion and Outlook 95
A Particle Properties 97
B Invariant K mass t functions 101
C Signal Extraction 103
C.1 Signal Extraction by Side Bins Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
C.2 Ex With Mass Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
C.3 Comparison of the Signal Extraction Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 105
D Trigger Acceptances and Integrated Luminosity 109
D.1 Integrated Luminosity Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
D.2 Calculated Trigger Acceptances and Integrated Luminosity . . . . . . . . . 110
E Motivation of binning (E;p ) 119T
Glossary 121
Bibliography 123
List of Figures 13