Measurement of the D*± meson cross section and extraction of the charm contribution, F_1hnc_1tn2(x,Q_1hn2), to the proton structure in deep inelastic ep scattering with the H1 detector at HERA [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Andreas Werner Jung

Andreas Werner Jung

Sujets

• Physik

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 28
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 21 Mo

Extrait

INAUGURAL - DISSERTATION
zur
Erlangung der Doktorwurde˜
der
Naturwissenschaftlich - Mathematischen
Gesamtfakult˜ at
der Ruprecht - Karls - Universit˜ at
Heidelberg
vorgelegt von
Dipl.-Phys. Andreas Werner Jung
aus Dortmund (Nordrhein - Westfalen)
Tag der mundlic˜ hen Prufung:˜ 14. Januar 2009⁄§Measurement of the D Meson Cross Section
and
c 2Extraction of the Charm Contribution, F (x;Q ), to2
the Proton Structure
in Deep Inelastic ep Scattering with
the H1 Detector at HERA
Gutachter: Prof. Dr. Hans-Christian Schultz-Coulon
Prof. Dr. Norbert HerrmannKurzfassung
⁄Die Produktion von D -Mesonen in tiefunelastischer Streuung bei HERA wurde mit Daten
untersucht, die mit dem H1-Detektor in den Jahren 2004-2007 aufgezeichnet wurden. Diese
¡1Daten entsprechen einer integrierten Luminosit˜ at von 347 pb , welches eine Steigerung der
verfugbaren˜ Statistik um den Faktor acht, verglichen mit der vorherigen H1-Publikation,
2darstellt. Der sichtbare Bereich dieser Messung deckt Photonvirtualit˜ aten von 5 < Q <
2 ⁄100 GeV und einen erweiterten Inelastizit˜ atsbereich von 0:02 < y < 0:70 ab. Das D -Meson
⁄wird dabei im Transversalimpulsbereich ab p (D ) > 1.5 GeV in einem Pseudorapidit˜ ats-T
⁄bereich vonj·(D )j < 1.5 gemessen. Einfach- und doppeltdifierentielle Verteilungen werden
mit perturbativen QCD Vorhersagen in fuhrender˜ und n˜ achstfuhrender˜ Ordnung verglichen.
Der systematische Fehler der Messung ist entscheidet verringert worden. Der Beitrag von
c 2charm-Quarks zur Protonstruktur, F (x;Q ), wird in zwei verschiedenen QCD Evolution-2
⁄sschemata aus den gemessenen D -Meson Wirkungsquerschnitten bestimmt und mit pQCD
Vorhersagen in n˜ achst-fuhrender˜ Ordnung verglichen. Dabei wird eine, verglichen mit der
letzten H1-Publikation, 18fach h˜ ohere Statistik genutzt.
Die vorliegende Arbeit umfa…t ebenfalls ein erfolgreich beendetes Hardwareprojekt: Die In-
betriebnahme und Optimierung der dritten Stufe des schnellen Spurtriggers (FTT) bei H1,
die Anfang 2006 erfolgreich abgeschlossen wurde. Der FTT ist in die ersten drei Stufen des
zentralen H1-Triggersystems integriert und stellt eine verbesserte Selektivit˜ at fur˜ die Identi-
flzierung von Ereignissen mit geladenen Teilchen zur Verfugung.˜ Die dritte Stufe des FTT
fuhrt˜ innerhalb von 100 „s eine spurbasierte Ereignisrekonstruktion aus und ist als Comput-
erfarm, bestehend aus PowerPC Karten, realisiert. Au…erdem wurde die FTT Simulation in
die Simulation des H1-Triggersystems integriert.
Abstract
⁄Inclusive production of D mesons in deep inelastic scattering at HERA is studied using
data taken with the H1 detector in the years 2004 to 2007 corresponding to an integrated
¡1 2 2luminosity of 347 pb . The measurement covers the region 5 < Q < 100 GeV in pho-
ton virtuality and the increased region 0:02 < y < 0:70 in the inelasticity of the scattering
⁄process. The visible range of the D meson is restricted in transverse momentum and pseudo-
⁄ ⁄rapidity to p (D ) > 1.5 GeV and j·(D )j < 1.5. The present measurement is based on anT
eightfold increased statistics compared to the previous H1 publication and provides a signif-
icantly reduced systematic error. Single and double-difierential cross sections are compared
to leading and next-to-leading order perturbative QCD predictions. The charm contribution,
c 2F (x;Q ), to the proton structure in difierent QCD evolution schemes is derived from the2
⁄D cross sections and compared to next-to-leading order perturbative QCD predictions. This
cF measurement is performed using a factor of 18 more data compared to the previous H12
publication.
The present thesis additionally describes a successfully completed hardware project: The
commissioning and optimisation of the third level of the H1 Fast Track Trigger (FTT), which
was fully operational from 2006 onwards. The FTT is integrated in the flrst three levels of the
H1 trigger system and provides enhanced selectivity for events with charged particles. The
third trigger level of the FTT performs a track-based event reconstruction within a latency
of about 100 „s. The third trigger level of the FTT is realised by a farm of PowerPC boards.
Furthermore, the FTT simulation is now incorporated into the H1 trigger simulation.6Contents
Contents
1 Introduction 1
1.1 Motivation of the present Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
⁄I Measurement of the D Meson Production Cross Section and Extrac-
c 2tion of F (x;Q ) 7
2
2 Deep Inelastic electron-proton Scattering 8
2.1 Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 QCD based Model of Deep Inelastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 Heavy Quark Production Mechanisms in ep Scattering . . . . . . . . . . . 17
2.4 The Charm Structure Function and the Connection to the Gluon Density . 21
3 HERA and the H1 Detector 23
3.1 The LAr Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 The SPACAL Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 The Central Tracking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 The Luminosity Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5 The Trigger Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Event Generators 36
4.1 Leading-order Monte Carlo Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Next-to-leading Order Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Detector Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 Open Charm Tagging and Experimental Methods 42
5.1 On-line Event Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.2 Signal Extraction Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3 Unfolding of Detector Efiects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4 Reconstruction Methods for the Event Kinematics . . . . . . . . . . . . . 52
6 Run and Event Selection 60
6.1 Ofi-line Event . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7 Control Distributions for DIS Events 65
7.1 Control for Electron Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . 66
⁄7.2 Distributions for D Meson Events . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
8 Cross Section Determination 73
8.1 Correction of Detector Efiects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.2 Co of next-to-leading Order QED Contributions . . . . . . . . . . 84
8.3 Correction due to Re ections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
iContents
9 Systematic Uncertainties 90
9.1 Uncorrelated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.2 Correlated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.3 Fragmentation Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10 Cross Section Results 109
10.1 The total Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
10.2 Single-difierential Cross Section Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10.3 Double-difierential Cross . . . . . . . . . . . . . . . 117
11 The Charm Contribution to the Proton Structure 122
11.1 Phase Space Coverage & Extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
11.2 Theoretical Uncertainties of the Extrapolation Procedure . . . . . . . . . . 125
11.3 The Charm Contribution to the Proton Structure . . . . . . . . . . . . . . 131
12 Phase Space Extension of the Measurement 134
12.1 Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
12.2 Matrix Unfolding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
12.3 Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
12.4 The Charm Contribution to the Proton Structure . . . . . . . . . . . . . . 144
13 Conclusion & Outlook 148
II The H1 Fast Track Trigger 151
14 The Fast Track Trigger System 152
14.1 The FTT Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
14.2 The Post-processing for H1 Monte Carlo Production . . . . . . . . . . . . 156
15 The Level three system 158
15.1 The Hardware Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
15.2 Input Data & Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
15.3 The Readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
15.4 Physics Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
15.5 Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
15.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
A Cross Section Tables 185
B List of Abbreviations 191
Bibliography 202
Danksagung 203
ii1. Introduction
The standard model of particle physics is a very successful theory, which predicts and
explains most of the phenomena observed in elementary particle physics. It consists of
three gauge theories for the strong, weak and electromagnetic interaction. In addition
there is the gravitational force dominant at very large distances, where up to now a
theoretical framework similar to the formulation of the standard model is missing.
In the standard model matter is built from elementary particles out of three so-called
families { I., II., and III. {, which incorporate six leptons and six quarks and th