Study of x_1tnc production using HERA-B data [Elektronische Ressource] / von Aleksandar Aleksandrov

Dipl. -Phys. Aleksandar Aleksandrov

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: English
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Extrait

Study of χ Production Using HERA-B Datac
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl. -Phys. Aleksandar Aleksandrov
geboren am 14.06.1978 in Montana, Bulgarien
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Andreas Herrmann
Gutachter:
1. Prof. Dr. Hermann Kolanoski
2. Prof. Dr. Thomas Lohse
3. Prof. Dr. Antonio Zoccoli
eingereicht am: 19.05.2010
Tag der mündlichen Prüfung: 15.07.2010Abstract
In this thesis the production of the charmonium states χ and χ in proton-c1 c2√
nucleus collisions at a proton-nucleon center-of-mass energy s = 41.6 GeV was
studied. The data used for the analysis have been taken by the fixed-target ex-
periment HERA-B that uses the HERA proton beam to scatter protons off the
3nuclei of different wire targets. About 122· 10 recorded muonic J/ψ decays,
+ −J/ψ → μ μ , resulted in almost 10 000 reconstructed χ → J/ψγ. The ratiocP
R = σ(χ )Br(χ →J/ψγ)/σ(J/ψ), which is the ratio of J/ψ from χχ ci ci cc i=1,2
J/ψ
decays to all producedJ/ψ, was measured in the kinematical range−0.35<x <F
0.15 for carbon and tungsten wire targets. The average over both materials yields
+0.030R = 0.190 . Despite the small separation of the masses of the two χ states,χ cc −0.029
comparable to the detector resolution, the ratio R = R /R was measured12 χ χc1 c2
+0.59yielding R = 1.30 which corresponds to a production cross section ratio12 −0.37
σ(χ )c1 +0.34= 0.74 . By using the known J/ψ production cross section, the χ andc1σ(χ ) −0.22c2
χ production cross sections are calculated to be σ(χ ) = (153± 27) nb/nucleonc2 c1
and σ(χ ) = (207± 39) nb/nucleon, respectively. All results were obtained underc2
the assumption that both theJ/ψ andχ states are produced without polarization.c
In addition a study of possible deviations of R and R due to the polarizationχ 12c
of J/ψ and χ was performed. By varying the polarization parameter, λ , of allc obs
produced J/ψ by 2σ around the value measured by HERA-B, and assuming fully
polarizedχ states, the maximum variations of R andR were evaluated. Thesec χ 12c
studies show thatR could change up to 21% andR from−11% to +16% relativeχ 12c
to the values calculated without polarization.
Keywords:
HERA-B, charmonium, χ hadronic production, polarizationc
iiZusammenfassung
In dieser Arbeit wurde die Produktion der Charmonium-Zustände χ undχ inc1 c2
Proton-Kern-Wechselwirkungen bei einer Proton-Nukleon-Schwerpunktenergie von
√
s = 41.6 GeV untersucht. Die für die Analyse verwendeten Daten wurden mit dem
HERA-B-Experiment genommen, das die Streuung von Protonen des HERA-Rings
an feststehenden Draht-Targets verschiedener Materialien untersucht. Die Analy-
se basiert auf etwa 10 000 radiativen χ -Zerfällen, χ → J/ψγ, die aus mehr alsc c
3 + −122· 10 myonischen J/ψ-Zerfällen, J/ψ→ μ μ , rekonstruiert wurden. Das Ver-
hältnis der Rate der J/ψ, die aus χ -Zerfällen stammen, zu der Gesamtrate dercP
J/ψ, R = σ(χ )Br(χ →J/ψγ)/σ(J/ψ), wurde in dem kinematischenχ ci cic i=1,2
J/ψ
Bereich−0.35 < x < 0.15 an Kohlenstoff- und Wolfram-Targets gemessen. DerF
+0.030Mittelwert für beide Materialien ist R = 0.190 . Obwohl der Abstand derχc −0.029
Massen der beiden χ -Zustände vergleichbar mit der Detektorauflösung ist, konntec
+0.59das Verhältnis R = R /R zu R = 1.30 bestimmt werden, was ei-12 χ χ 12c1 c2 −0.37
σ(χ )c1 +0.34nem Verhältnis der Wirkungsquerschnitte von = 0.74 entspricht. Unterσ(χ ) −0.22c2
Verwendung des schon bekannten Wirkungsquerschnitts für die J/ψ Produktion,
wurden die Wirkungsquerschnitte für die Produktion von χ und χ bestimmt:c1 c2
σ(χ ) = (153±27) nb/Nukleon undσ(χ ) = (207±39) nb/Nukleon. Alle Resulta-c1 c2
te ergaben sich unter der Annahme, dass sowohl die J/ψ- als auch die χ -Zuständec
unpolarisiert produziert werden. Zusätzlich wurde die Abhängigkeit der Ergebnisse
von möglichen Polarisationen dieser Zustände untersucht. Dazu wurde die maximale
Variation von R und R bestimmt, indem der Polarisationsparameter λ allerχ 12 obsc
produziertenJ/ψ im Bereich von 2σ um den von HERA-B gemessenen Wert variiert
wurde und gleichzeitig verschiedene vollständig polarisierte χ -Zustände angenom-c
men wurden. Diese Studien zeigen, dass sich R um 21% und R zwischen−11%χ 12c
und +16% relativ zu den ohne Annahme von Polarisationen berechneten Werten
ändern können.
Schlagwörter:
HERA-B, Charmonium, χ hadronische Erzeugungsverhältnis, Polarisationc
iiiContents
1. Introduction 1
2. The HERA-B Experiment 3
2.1. The HERA Storage Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2. The HERA-B Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2.1. Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2. Vertex Detector System (VDS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.3. Main Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.4. Ring Imaging Cherenkov Counter (RICH) . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.5. Electromagnetic Calorimeter (ECAL) . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.6. Muon Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.7. Trigger and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Charmonium production 23
3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2. The charmonium system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3. Charmonium production and decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4. Kinematic variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.5. Hadro-production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.6. Color Evaporation model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.7. Color Singlet Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.8. Non-relativistic quantum chromodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.9. Nuclear effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.9.1. Initial state effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.9.2. Final state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.10.Measurements of the R Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35χc
4. Selection of J/ψ and photon candidates 37
4.1. R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37χc
4.2. R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3812
4.3. χ and χ cross sections and ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39c1 c2
4.4. Data Taking and Data Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.5. Data Quality (DQ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.6. Analysis Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
+ −4.7. J/ψ→μ μ counting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.7.1. Muon identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.7.2. J/ψ selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
vContents
4.8. Photon selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.8.1. Cluster definition and properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.8.2. Photon selection cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.8.3. Calibration of the ECAL energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5. Counting of the χ events 57c
5.1. Construction of the M(J/ψγ)−M(J/ψ) mass difference distribution . . . 57
5.2. Background Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.1. Combinatorial background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.2. Background processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.3. Correction to Mixed Events Distribution . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.2.4. Kinematical Constraint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3. Signal Fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4. χ counting with a single-Gaussian fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69c
5.5. χ counting with a double-Gaussian fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70c
6. Monte Carlo Simulation 77
6.1. Event Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2. Detector and trigger simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3. MC Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.4. J/ψ efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5. Photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.5.1. Photon efficiency correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7. Polarization 83
7.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2. Definition of Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . .