Determination of the gluon polarisation from open charm production at COMPASS [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Susanne Koblitz, geb. Hellwig

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• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

Determination of the Gluon Polarisation
from Open Charm Production
at COMPASS
Susanne Koblitz
Institut für Kernphysik,
Johannes Gutenberg-
Universität MainzFachbereich Physik der Johannes-Gutenberg Universität Mainz
Dissertation
zur Erlangung des Grades
„Doktor der Naturwissenschaften“
Determination of the Gluon Polarisation
from Open Charm Production
at COMPASS
vorgelegt von
Susanne Koblitz, geb. Hellwig
geboren am 25. Juni 1980 in Bonn
Oktober 2008Berichterstatter
Tag der Prüfung 27. Januar 2009D
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V
Abstract
One of the main goals of the COMPASS experiment at CERN is the determination of the
gluon polarisation in the nucleon, G/G. It is determined from spin asymmetries in the
scattering of 160GeV/c polarised muons on a polarised LiD target. The gluon polarisa-
tion is accessed by the selection of photon-gluon fusion (PGF) events. The PGF-process
can be tagged through hadrons with high transverse momenta or through charmed hadrons
in the final state. The advantage of the open charm channel is that, in leading order, the
PGF-process is the only process for charm production, thus no physical background con-
tributes to the selected data sample.
This thesis presents a measurement of the gluon polarisationh g/gi from the COMPASS
data taken in the years 2002-2004. In the analysis, charm production is tagged through a
0 0 − +reconstructed D -meson decaying in D → K (and charge conjugates). The recon-
struction is done on a combinatorial basis. The background of wrong track pairs is reduced
0using kinematic cuts to the reconstructed D -candidate and the information on particle
identification from the Ring Imaging Cerenkov counter. In addition, the event sample
0 ⋆is separated into D -candidates, where a soft pion from the decay of the D -meson to
0 0a D -meson, is found, and the D -candidates without this tag. Due to the small mass
⋆ 0 ⋆difference between D -meson and D -meson the signal purity of the D -tagged sample
is about 7 times higher than in the untagged sample.
The gluon polarisation h g/gi is measured from the event asymmetries for the for the
different spin configurations of the COMPASS target. To improve the statistical precision
of the final results, the events in the final sample are weighted. The use of a signal and
a background weight allows the separation ofh g/gi, and a possible asymmetry in the
combinatorial background.
This method results in an average value of the gluon polarisation in the x-range covered
by the data. For the COMPASS data from 2002-2004, the resulting value of the gluon
+0.11polarisation ish g/gi =−0.47± 0.44(stat.)± 0.15(syst.), at an average x = 0.11−0.05
2 2and a scale of μ = 13GeV . This result points to small or negative values of G/G(x)
around a value of x ∼ 0.1, which could point to a small gluon polarisation in the nu-
cleon. The result is statistically compatible with the existing measurements ofh g/gi in
the high-p channel. Compared to these, the open charm measurement has the advantaget
of a considerably smaller model dependence.D
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VII
Zusammenfassung
Ein Hauptziel des COMPASS Experiments am CERN ist die Bestimmung der Gluon-
polarisation im Nukleon, G/G. Sie kann aus Doppelspinasymmetrien in der Streuung
von polarisierten Muonen mit einem Strahlimpuls von 160GeV/c an einem polarisierten
LiD-Target bestimmt werden. Durch die Selektion von Photon-Gluon-Fusionsereignissen
(PGF) bekommt man Zugriff auf die polarisierte Gluonverteilung im Nukleon. Der PGF-
Prozess kann über Hadronpaare mit hohem Transversalimpuls oder charmhaltigen Hadro-
nen im Endzustand nachgewiesen werden. Der Vorteil der offenen Charmproduktion ist,
dass in führender Ordnung der PGF-Prozess der einzige zur Charmproduktion beitragende
Prozess ist. Untergrund von anderen physikalischen Prozessen tritt in den selektierten
Daten nicht auf.
In dieser Arbeit wird eine Messung der Gluonpolarisationh g/gi mit den COMPASS-
Daten der Jahre 2002-2004 vorgestellt. In der Analyse wird die Charmproduktion über
0 0 − +ein rekonstruiertes D -Meson nachgewiesen, das über den Kanal D → K (sowie
den ladungskonjugierten Kanal) zerfällt. Die Rekonstruktion beruht auf der Kombina-
tion aller möglichen Spurpaare. Um den Untergrund von falschen Spurpaaren zu un-
0terdrücken, werden Schnitte auf die D -Kinematik sowie die Teilchenidentifikation mit
dem „Ring-Imaging-Cerenkov“-Detektor genutzt. Darüber hinaus werden die Spurpaare
0 ⋆in D -Kandidaten, bei denen ein zusätzliches langsames Pion aus einem D -Zerfall in
0 0ein D nachgewiesen werden konnte, und in D -Kandidaten ohne diesen Nachweis un-
⋆ 0terteilt. Durch den geringen Massenunterschied zwischen D -Meson und D -Meson ist
⋆die Reinheit des Signals in den Daten mit dem D -Nachweis sieben Mal größer als ohne
den Nachweis.
Die Gluonpolarisationh g/gi wird aus den Zählratenasymmetrien für die verschiedenen
Spineinstellungen des COMPASS-Targets bestimmt. Um die statistische Signifikanz des
Ergebnisses zu verbessern, werden gewichtete Ereignisse verwendet. Durch die Verwen-
dung von Signal- und Untergrundgewichten kann in der Messung zwischen der Gluonpo-
larisationh g/gi und einer möglichen Untergrundasymmetrie unterschieden werden.
Das Ergebnis der Messung ist ein Mittelwert für die Gluonpolarisation in dem von den
Daten abgedeckten x-Bereich. Für die COMPASS-Daten aus den Jahren 2002-2004 ergibt
sich ein Wert von h g/gi = −0.47± 0.44(stat.)± 0.15(syst.) für die Gluonpolarisa-
+0.11tion bei einem mittleren Impulsbruchteil von x = 0.11 und einer harten Skala von−0.05
22μ = 13GeV . Dieses Ergebnis deutet auf eine kleine oder negative Gluonpolarisation
bei x ungefähr x ∼ 0.1 hin, was als Hinweis gedeutet werden könnte, dass die Gluonpo-
larisation im Nukleon insgesamt klein ist. Das Ergebnis ist statistisch mit den präziseren
Messungen über Hadronenpaare mit hohem Transversalimpuls kompatibel. Gegenüber
diesen Messungen hat die „open charm“-Messung den Vorteil, erheblich weniger von
Modellen abzuhängen.Contents
Introduction 1
1 The spin structure of the nucleon 3
1.1 The nucleon structure in lepton-nucleon scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Inclusive polarised lepton-nucleon scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Measurements of the gluon polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 Polarised lepton-nucleon scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Polarised proton-proton scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4 Open Charm production in COMPASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2 The COMPASS Experiment 27
2.1 The Muon Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 The Polarised Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 The Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 The Ring Imaging Cerenkov Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5 The Data Acquisition System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6 Changes to the Spectrometer after 2004 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 The Trigger System in the Runs 2006 and 2007 39
3.1 The COMPASS Muon Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 The Hodoscope Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 The Calorimetric Triggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.3 The Veto System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2 The Introduction of ECAL1 to the spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.1 The Electromagnetic Calorimeter ECAL1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2 The Effect of ECAL1 on the Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.3 The ECAL1 trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.3 Changes to the Veto System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4 Data Reconstruction and Stability Controlling 59
4.1 Data Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.1 Spectrometer Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.2 Cluster Reconstruction in the Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
III Contents
4.1.3 Particle Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.4 Event Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 The Detector Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.1 Instabilities in the Detector Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2.2 Influence of individual detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.3 False asymmetries from instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3 Procedures for stability controlling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.1 Detection of bad spills . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.2 Data grouping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5 Reconstr