Measurements of the neutral current e_1hn±p cross sections using longitudinally polarised lepton beams at HERA II [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Andriy Nikiforov

Nikiforov, Andriy

Sujets

• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 6
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

.
Measurements of
the Neutral Current e p Cross Sections
Using Longitudinally Polarised Lepton
Beams
at HERA II
.
Dissertation der Fakult at fur Physik
der
Ludwig-Maximilians-Universitat Munc hen
vorgelegt von
Andriy Nikiforov
.
Munc hen, 18th January 2007.
1. Gutachter: Prof. Dr. Christian Kiesling
2. Gutachter: Prof. Dr. Dorothee Schaile
Tag der mundlic hen Prufung: 15.03.07Abstract
This thesis presents inclusive e p single and double di eren tial cross sections for
neutral current deep inelastic scattering measured as functions of the four-momentum
2transfer squared Q and the Bjorken variable x in interactions of longitudinally po-
larised leptons with unpolarised protons using the H1 detector at HERA II. An
overview of the phenomenology of deep inelastic scattering is given and the experi-
mental apparatus as well as the measurement and analysis procedures are described.
+The analysis is based on e p data taken in 2003-04 and e p data taken in 2005 atp
1a centre-of-mass energy of s = 318 GeV, with integrated luminosities of 47.6 pb
1 +and 98.4 pb for the e p and e p samples, respectively. The cross sections are
2 2measured in the range of 200 < Q < 20 000 GeV and 0:0032 < x < 0:65. The mea-
surements are used to study polarisation e ects in neutral current interactions and to
~determine the structure function xF . The new HERA II data are combined together3
with previously published data from HERA I to determine the structure function
~xF with improved precision. Furthermore, this measurement is combined with the3
corresponding ZEUS measurement to provide the most accurate measurement of the
Z
interference structure function xF , which is sensitive to the valence quark distribu-3
tions down to low values of x. The data on polarised cross section asymmetries A
are also combined with the ZEUS data. This leads to the rst observation of parity
18violation in neutral current e p scattering at distances down to 10 m. The data
are well described by the Standard Model predictions.
Kurzfassung
Diese Doktorarbeit stellt einfach- und doppelt-di eren tielle inklusive e p Wirkungs-
querschnitte fur den neutralen Strom in tief-inelastischer Streuung als Funktion des
2quadrierten Viererimpulsub ertrags Q und der Bjorken-Variable x vor, die bei der
Wechselwirkung von longitudinal polarisierten Leptonen mit unpolarisierten Proto-
nen mit dem H1-Detekor bei HERA II gemessen wurden. Es wird ein Uberblick ub er
die Ph anomenologie der tief-inelastischen Streuung gegeben und der experimentelle
Aufbau und das Vorgehen bei der Messung und der Analyse beschrieben. Die Anal-
+yse basiert auf e p-Daten aus Jahren 2003 und 2004, sowie auf e p-Daten, die imp
Jahr 2005 bei einer Schwerpunktsenergie von s = 318 GeV genommen wurden.
1 1Dabei betrug die integrierte Luminosit at 47.6 pb beziehungsweise 98.6 pb fur
+die e p- und e p-Datens atze. Der kinematische Bereich der Analyse wird durch
2 2200 < Q < 20 000 GeV und 0:0032 < x < 0:65 de niert. Mithilfe der Messun-
gen werden Polarisationse ekte bei Wechselwirkungen des neutralen Stroms unter-
~sucht und die Strukturfunktionen xF bestimmt. Die HERA II-Daten werden zusam-3
~men mit zuvor ver o en tlichten HERA I-Daten benutzt, um die Strukturfunktion xF3
mit erh ohter Genauigkeit zu bestimmen. Zudem wird die Messung mit der ZEUS-
Messung kombiniert, um somit die bestm ogliche Messung der bis hin zu niedrigen
Werten von x auf die Valenzquarkverteilung sensitiven Interferenzstrukturfunktion
Z
xF zu erhalten. Die Daten betre end die Asymmetrie polarisierter Wirkungsquer-3
schnitte A , ebenfalls kombiniert mit den entsprechenden ZEUS-Daten, fuhren zur
ersten Beobachtung von Parit atsverletzung bei der Streuung durch neutralen Strom
18in e p-Streuung bei Abst anden von 10 m. Die Daten werden gut durch das Stan-
dardmodell beschrieben.Contents
1 Introduction 1
2 Theoretical Framework 5
2.1 Deep Inelastic Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Kinematics of electron-proton scattering . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 DIS Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Bjorken Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 The Quark Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Quantum Chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 Running Coupling Constant and Asymptotic Freedom . . . . . 11
2.4.2 Scaling Violations in QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.3 QCD Hard Scattering Factorisation . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.4 The DGLAP Evolution Equations . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.5 Longitudinal Structure Function in QCD . . . . . . . . . . . . 18
2.5 The Neutral Current Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 The Born Cross Section and Structure Functions . . . . . . . 19
2.5.2 The Reduced Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.3 The Single Di eren tial Cross Sections . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.4 Structure Functions in the Quark Parton Model . . . . . . . . 21
2.6 The Charged Current Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.7 Electroweak Physics with Polarised e Beams . . . . . . . . . . . . . 24
2.8 Radiative corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 HERA and the H1 Detector 29
3.1 HERA Accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 The Luminosity Upgrade Project at HERA . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Polarisation at HERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 The Sokolov-Ternov E ect in a Constant Magnetic Field . . . 32
3.3.2 Spin Rotators and Longitudinal Polarisation at HERA . . . . 33
3.3.3 Depolarisation E ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.4 P Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Backgrounds After the HERA Upgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5 H1 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6.1 Liquid Argon Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6.2 The \Spaghetti" . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.7 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.7.1 Central Tracking Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.7.2 The Forward Tracking Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.8 The Muon System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552 CONTENTS
3.9 Time-of-Flight Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.10 Luminosity System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.11 Trigger System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.11.1 Trigger Level One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.11.2 Trigger Level Two . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.11.3 Trigger Level Three . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.11.4 L45 Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.11.5 The NC Stubtriggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.12 O ine Analysis and H1OO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4 Monte Carlo Simulation 71
4.1 Generation of DIS Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 of Background Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3 Simulation of the H1 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5 Kinematics Reconstruction and Coverage of the Phase Space 75
5.1 Reconstruction of Kinematic Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Coverage of the Phase Space . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6 Data Treatment 81
6.1 Electron Identi cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 Finding E ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.3 Interaction Vertex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.3.1 Vertex Re-weighting in MC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4 Vertex and Track Link Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.5 Electron Angle Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.5.1 Track Extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.5.2 Alignment of the LAr Calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.5.3 Azimuthal and Polar Electron Angles . . . . . . . . . . . . . 94
6.6 Electron Energy Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.6.1 Electron Energy Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.6.2 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.7 Hadronic Energy Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.7.1 The HADROO2 Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.7.2 Calibration of Hadronic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.8 Determination of the Trigger E ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.8.1 LAr electron 1 TE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.8.2 Timing Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.8.3 Veto Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.8.4 Trigger E ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.9 Fiducial Volume De nition .