Исследование адронной структурной функции фотона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение

1. Теория

1.1 Структурная функция фотона

1.2 Параметризация плотности партонов в фотоне

1.3 Генераторы событий

1.3.1 TWOGAM

1.3.2 PHOJET

1.3.3 PYTHIA

1.3.4 HERWIG

1.4 Извлечение F2TH3 экспериментальных данных

1.4.1 Анфолдинг

1.4.2 Фит

2. Постановка эксперимента

2.1 Коллайдер

2.2 Установка DELPHI

2.3 Отбор событий

2.4 Качество моделирования детектора

3. Исследование структурной функции фотона

3.1 Сравнение экспериментальных и моделированных данных

3.2 Оценка структурной функции

3.2.1 Изучение х зависимости структурной функции

3.2.2 Q - зависимость структурной функции

Фотон - фундаментальная составляющая современного представления о взаимодействиях между кварками и лептонами. Эти взаимодействия успешно описываются в рамках Стандартной Модели, которая представляет собой комбинацию калибровочных теорий. Являясь калибровочным бозоном в Квантовой Электродинамике (QED), наиболее проверенной к настоящему времени из теориий поля, фотон передает электромагнитное взаимодействие между заряженными объектами. В этом случае фотон может быть представлен как объект, не имеющий структуры и называется прямым. В этой ситуации кажется странным, что некоторые взаимодействия с участием реальных или квазиреальных фотонов довольно плохо поддаются исследованию как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения. Эта, на первый взгляд, странность является результатом флуктуации фотона в ff пары. Согласно принципу неопределенности Гайзенберга (AEAt > 1), фотон, обозначаемый у, может на короткий промежуток времени At нарушать закон сохранения энергии на величину АЕ, флуктуируя при этом в фермион-антифермионную пару ff. При этом образуется система, имеющая те же квантовые числа, что и фотон. Если во время такой флуктуации фермион (для простоты дале( под фермионом подразумевается фермион и антифермион, как и электрон будет обозначать электрон и позитрон) провзаимодействует через калибровочный бозон с другим объектом, тогда проявляется партонная структура фотона. В данном случае фотон проявляется как протяженный объект, состоящий из заряженных фермионов, а также глюонов, так называемый разрешившийся фотон. Возможность взаимодействовать прямо или через свои конституенты - еще одно проявление двойственности фотона.

Заметим, что даже в случае, когда время жизни виртуальной системы коротко, излучение жестких глюонов и связанные с этим процессы, в достаточной степени усложняют картину. Наиболее исследованными реакциями с участием фотона являются взаимодействие двух реальных фотонов (уу рассеяние на е+е~ колайдере) и, так называемое, глубоко неупругое рассеяние (DIS) фотона (взаимодействие квазиреального фотона с виртуальным).

Если обратиться к первым экспериментам по исследованию

X 8 структуры фотона " , обращает на себя внимание то, что в этих работах авторам довольно очевидно, что и как измерять. Работы, появившиеся на LEP9'10, изобилуют вопросами по поводу методики проведения измерений, оценки систематики, интерпретации результатов. На сегодня основные результаты в исследовании структуры фотона получены на LEP.

В области теории строения фотона ситуация также меняется. Заметен постоянный и последовательный прогресс в описании свойств фотона. Здесь, под влиянием экспериментальной информации в последние годы, заметен поиск новых идей.

Таким образом, 90-е годы привнесли в эту область физики высоких энергий множество интересных событий, наметили новые подходы.

Дальнейшее исследование структуры фотона имеет серьезные мотивации. Во-первых, фотон даёт нам уникальную возможность исследовать эффекты как описываемые, так и не описываемые в рамках теории возмущений в квантовой хромодинамике (QCD)11.

Двухфотонные процессы дают нам возможность изучать адронную структуру фотона, определяющуюся жесткой yqcj вершиной. Во-вторых, углубление в понимании структуры фотона необходимо для оценки фона от двухфотонных взаимодействий в другие каналы на существующих ускорителях (особенно LEP2) и предсказания фона на тех ускорителях, которые обсуждаются в

12 последнее время . Особенно это существенно на ускорителях, разрабатываемых для осуществления уу столкновений12. Иллюстрацией последних утверждений может служить Рис.1, где изображено распределение событий по инвариантной массе. Данные получены на LEP2. Уже при этих энергиях двухфотонные взаимодействия составляют подавляющую часть регистрируемых событий. Как видно из рисунка, эти события легко могу быть отделены от более жестких реакций с участием Z0 и W бозонов. Однако они создают большие проблемы для поисковой физики (поиск хигса, суперсимметричных партнеров.). Лист публикаций коллаборации DELPHI, содержащих результаты, связанные с описываемыми исследованиями и, где двухфотонные процессы учитываются при определении фона, насчитывает сотни работ.

Настоящая работа будет посвящена двухфотонным взаимодействиям с адронными конечными состояниями. Будут, в основном, обсуждаться последние результаты в исследовании адронной структурной функции фотона. Однако взаимодействию реальных фотонов также будет уделено некоторое внимание для пояснения шагов, предпринятых коллаборацией DELPHI для улучшения описания глубоко неупругого рассеяния фотона.

DATA (E3) vs MC (E2) W

Рис.1 Распределение событий no инвариантной массе (GeV). Точки- данные. Сплошной линией показана сумма предсказаний моделей для основных участвующих процессов. Штрих-пунктир -предсказание модели для жестких процессов.

1. Теория

4. Заключение

Данная диссертация посвящена исследованиям адронной структурной функции фотона в уникальных условиях большого электрон - позитронного коллайдера (LEP, CERN Geneva Switzerland). Описана постановка задачи по изучению структуры фотона. Приводятся аргументы, обосновывающие актуальность поставленной задачи. Даётся обзор последних теоретических идей в этой области физики. Обсуждаются основные проблемы в теоретическом описании процесса.

Большой акцент в диссертации делается на методику извлечения структурной функции фотона из экспериментальных данных.

• Показано, что извлечение информации о структурной функции из экспериментальных данных возможно только на основании событий, сгенерированных с использованием определенной модели. В связи с этим возникает вопрос о влиянии используемой модели и способа реализации данной модели на уровне генератора событий на результат. Показано, что результаты исследований намного более зависимы от модели, используемой для извлечения FY2 из экспериментальных данных, чем это предполагалось ранее. В связи с этим, приводится обзор наиболее популярных генераторов событий.

• Доказано, что широко используемый метод регуляризированного анфолдинга неадекватен поставленной задаче. Т.к. в данном методе невозможно учитывать различную кинематику в каждой из компонент модели.

• Предложен один из возможных вариантов решения этой проблемы. А именно, фитирование предсказания модели к экспериментальным распределениям с последующим использованием результатов фита для коррекции модели, заложенной в генератор. Показано, что данный метод учитывает такие особенности решаемой задачи, как: наличие в модели нескольких компонент, имеющих различные корреляции между реальными значениями х и их измеренными значениями; различие в эффективности регистрации событий для разных компонент модели.

В диссертации приводятся наиболее важные параметры коллайдера LEP.

Описаны узлы экспериментальной установки DELPHI, существенные для регистрации событий двухфотонного взаимодействия. Приведен набор критериев отбора событий. Описаны способы подавления фонов на разных стадиях эксперимента.

Последняя часть работы посвящена экспериментальным результатам, полученным автором

• Важнейшим результатом исследования является предложение автора использовать новую компоненту для описания уу взаимодействия. Речь идет о механизме разрешившихся на свои конституенты фотонов (RPC), предложенном Drees и Godbol для описания уу взаимодействия. Автором диссертации было экспериментально подтверждено существование данного механизма во взаимодействии реальных фотонов и предложено расширение этой идеи на взаимодействие реального и виртуального фотонов. Идея была подтверждена в исследованиях, проведенных автором. В настоящее время все популярные генераторы событий используют данный механизм.

• Было показано, что использование предложенной трехкомпонентной модели значительно улучшает уровень согласия предсказаний модели с экспериментальными данными. Кроме того, показано, что невозможно добиться подобного результата, корректируя традиционные компоненты модели (QPM и VDM). Этим была подтверждена выдвинутая автором идея.

Приводятся результаты экспериментальных исследований, полученные автором. Проводится их сравнение с оценками, полученными другими LEP- коллаборациями. Здесь обращают на себя внимание значительные различия в некоторых результатах и в оценке ошибок измерений в большинстве приведенных результатов. Проводится анализ возможных причин различия в результатах.

• Анализ результатов приводит к выводу о том , что в рамках GRV модели делаются предсказания, наиболее близкие к экспериментальным данным (за исключением области малых х). С другой стороны, ни одна из моделей не описывает FY2 во всем диапазоне х.

Основной причиной довольно большой ошибки в приведенных результатах является отсутствие генераторов событий, описывающих все распределения, полученные для экспериментальных данных. Кроме того, LEP - коллаборации еще не выработали единого подхода к анализу экспериментальных данных. Так, только DELPHI - коллаборация учитывает в своем анализе различие характеристик компонент модели при получении Fy2- Это не позволяет качественно произвести совместный анализ данных, который может привести к уменьшению ошибок измерений и более точно оценить систематическую ошибку в этих измерениях.

Таким образом, дальнейший прогресс в изучении структурной функции фотона на LEP возможен только при объединении усилий всех коллабораций для выработки способов совместного анализа полученных данных. Такой анализ необходим еще и потому, что новый прорыв в этой области физики будет возможен только с запуском линейного коллайдера TESLA, что может произойти не ранее 2010 года!

В заключении считаю своим долгом выразить сердечную благодарность всем тем, кто помогал мне в проведении исследований и в работе над диссертацией.

Однако первые слова благодарности я обращаю к тем, кто способствовал моему становлению как ученого. Это, во-первых, мой первый руководитель - Юрий Вацлавович Заневский. Трудно переоценить роль трековых детекторов в физике высоких энергий.

После работы под руководством Юрия Вацлавовича я не только никогда не имел проблем при разработке и использовании детекторов, но и, по мнению моих коллег, являюсь экспертом в области методики проволочных камер.

Другой важнейшей компонентой в становлении физика экспериментатора является методика планирования и проведения эксперимента и получения физического результата. И здесь Эдуард Николаевич Цыганов сыграл в моей жизни неоценимо важную роль, за что я ему чрезвычайно благодарен. Трудно перечислить все те элементы, необходимые экспериментатору, которым меня научил Эдуард Николаевич, но не могу не отметить исключительную критичность к полученным результатам, основное качество присущее ему, и которому я все эти годы стараюсь следовать.

Невозможно провести цикл исследований без постоянной дружеской поддержки коллег. Я очень благодарен за постоянные обсуждения, советы и техническую помощь Николаю Зимину, Александру Зинченко и Александру Ольшевскому.

Написание диссертации - это еще и огромная техническая работа. Я очень благодарен Галине Шабловой и Наталье Дру за неоценимою помощь в подготовке диссертации.

Трудно перечислить всех сотрудников нашей лаборатории, которые мне помогали в течение всех лет работы. Благодарю сотрудников ЛВЭ за помощь во всех моих начинаниях.

1. PLUTO Collaboration, C.Berger et al., Phys. Lett. 107B (1981) 168;

2. C.Berger et.al., Phys.Lett. B142 (1984) 111; C.Berger et.al., Z. Phys. C26, (1984) 353; C.Berger et.al., Nucl.Phys. В 281 (1987) 365.

3. CELLO Collaboration, J.-H.Behrend et al., Phys. Lett. 118B (1982) 211;

4. H.-J.Behrend et al., Phys. Lett. B126 (1983) 391.

5. JADE Collaboration, W.Bartel et al., Phys. Lett. 121B (1983) 216; W.Bartel et al.,Z.Phys. C24 (1984) 231.

6. TASSO Collaboration, M.Altholf et al., Z.Phys. C31 (1986) 527;

7. TOPAZ Collaboration, K.Muramatsu et al., Phys. Lett. В 332, (1994) 447.

8. TPC/Two-Gamma Collaboration, H.Aihara et al.,Phys.Rev. D 41 (1990) 2667;

9. H.Aihara et al.,Phys.Rev.Lett., 58 (1987) 97; H.Aibara et al., Z.Phys. C34 (1987) 1.

10. AMY Collaboration, T.Sasaki et al., Phys.Lett. В 252 (1990) 491; S.K.Sahu et al., Phys.Lett. В 346 (1995) 208;

11. T.Kijima et al., Phys. Lett. В 400 (1997) 395.

12. OPAL Collaboration, Jan A. Lauber, Proc. Of the 28th Int. Conf. on High Energy Physics, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., (1996) 725.

13. I.Tyapkin, DELPHI Collaboration, , Proc. Of the 2gth Int. Conf. on High Energy Physics, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., (1996) 729.

14. Rohini M. Godbole, CTS-TH-1/96 February 1996, hep-ph/9602428.

15. TESLA RDR TESLA TECHNICAL DESIGN REPORT, DESY 2001-5.

16. J.H.Field, F.Kapusta and L.Poggioli, Phys.Lett. B181, (1986) 362.

17. J. Rosner, NBL report 17522 (1972) 316.

18. I.F. Ginzburg, V.G. Serbo, Phys. Lett. B109 (1982) 231.16. .J. Sakurai, D. Schildknecht, Phys. Lett. B41 (1972) 489.

19. H.Kolanoski, Springer Tracs in Modern Physics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1984.

20. V.M.Budbev, I.F.Ginzburg, G.V.Meledin and V.G.Serbo Phys.Reports (Section С of Physics Letters) 15, 4 (1975) 181.

21. E.Witten Nucl.Phys. B120, 189 (1977).

22. W.A.Bardeen and A.J.Buras, Phys.Rev. D20, (1979) 166.

23. G.Rossi, Phys.Lett. 130B, (1983) 105; R.J.Buttery and J.K.Storrow, Mod.Phys.Lett. A7, (1992) 3229.

24. M.Gluck and E.Reya, Phys. Rev. D28, (1983) 2749.

25. G.Rossi, Phys.Rev. D29, (1984) 852;

26. M.Gluck, K.Grassie and E.Reya, Phys.Rew. D30, (1984) 1447; M.Drees, Z.Phys. C27, (1985) 123.

27. E.Laenen, S.Riemersma, J.Smith and W.L. van Neerven, Phys.Rev. D49,(1994) 5753.

28. J.R.Forshaw and P.N.Harriman, Phys.Rev. D46, (1992) 3778.

29. T.Uemaisu and T.F.Walsh, Nucl.Phys. B199 (1982) 93.

30. M.Gluck, E.Reya and M.Stratmann, Phys.Rev. D51 (1995) 3220.

31. A.Nicolaidis, Nucl.Phys. B163 (1980) 156.

32. D.W.Duke and J.F.Owens, Phys.Rev. D26 (1982) 1600.

33. C.H.Llewellyn Smith, Phys.Lett. 79B (1978) 83.

34. M.Drees and K.Grassie, Z.Phys C28, (1985) 451.

35. H.Abramowicz, K.Charchula and A.Levy, Phys.Lett. B269, (1991) 458.

36. M.Gluck, E.Reya and A.Vogt, Phys.Rev. D46, (1992) 1973.

37. L.E.Gordon and J.K.Storrow, Z.Phys. C56, (1992) 307.

38. G.A.Schuler and T.Sjostrand, CERN-TH/95-62, hep-ph 9503384.

39. LEP2 CERN 96-01, Theoretical Physics and Particle Physics Experiments Division 19 February 1996 Vol.1, 291.37. .R.Frazer, Phys. Lett. B194 (1987) 287.

40. H.Plothow-Besch, PDF: A library of all available Parton Density Functions of thr Nucleon, the Pion and the Photon and the corresponding as calculations, CERN-PPE-92-123.

41. F.A. Berends, P.H. Daverveld and R. Kleiss, Nucl. Phys. B253 (1985) 421; Comput. Phys. Commun. 40 (1986) 271, 285, 309.

42. J.A.M. Vermaseren, Nucl. Phys. B229 (1983) 347.

43. T. Sjostrand, Comput. Phys. Commun. 82 (1994) 74; T. Sjostrand, Lund University report LU TP 95-20 (1995).

44. G.Marchesini and B.R. Webber, Nucl. Phys. B310, 461-526 (1988) ; I.G. Knowless, Nucl. Phys. B310, 571-588 (1988); S.Catani, G.Marchesini and B.R. Webber, Nucl. Phys. B349, 635654 (1991); G.Abbiendi and L.Stanco, Сотр.Phys. Comm. 66, 1624 (1991);

45. S.Nova, A.Olshevsky and T.Todorov DELPHI 90-35.

46. R.Engel Z. Phys. C66, 203-214 (1995) ; R.Engel, J.Ranft Phys. Rev. D54, 4246-4262 (1996).

47. LEP2 CERN 96-01, Theoretical Physics and Particle Physics Experiments Division 19 February 1996 Vol.2,

48. M. Drees and R. Godbole Nucl. Phys. B339 (1990) 335.

49. I.Tyapkin, Proc. Of the 232th Int. Conf. on High Energy Physics, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., (1994) I2fl

50. I.Tyapkin, DELPHI Coll., Proc. Of Workshop on Two-Photon Physics at LEP and HERA. Lund, May 26-28,1994. Phys Department, Lund University, 44.

51. A. Capella, et al., Phys. Rep. 236 (1994) 227.

52. V.N. Gribov, Sov. Phys. JETP 26 (1968) 414; V.N. Gribov and

53. A.A. Migdal, Sov. J. Nucl. Phys. 8 (1969) 583.

54. G.A. Schuler and T. Sjostrand, Phys. Lett. B300 (1993) 169;

55. Nucl.Phys. B407 (1993) 539; G.A. Schuler and T. Sjostrand, in "Two-Photon Physics from DAONE to LEP200 abd Beyond" , World Scientific, Singapore, 1994, eds. F.Kapusta and J.Parisi, 163;

56. T. Sjostrand, in "XXIV International Symposium on Multiparticle Dynamics 1994", World Scientific, Singapore, 1995, eds. A. Giovannini, S. Lupia and R. Ugoccioni, 221; G.A. Schuler and T. Sjostrand, Phys. Rev. D49 (1994) 2257.

57. H. Seymour, Z.Phys. C56, 161-170 (1992).

58. V.Blobel, DESY-84-118, 1984; Proceedings of the CERN School of Computing, Aiguablava, Spain, (1998) CERN 85-09.

59. V.Blobel, RUN, Regularized Unfilding for High-Energy Physics Experiments, Program manual, (1996), unpublished.

60. F. James and M. Roos, CERN-DD-75-20 88.

61. I.Tyapkin, Proc. Of PHOTON 2001, , Switzerland, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 2001.

62. P.Abreu,. .I.Tyapkin, et al., Study of the hadronic photon structure function with the DELPHI detector at LEP. Delphi Internal Number: 2002-0298, Submitted to Eur.Phys J.C.

63. I.Tyapkin, et al., Study of the hadronic photon structure function with the DELPHI detector at LEP1. Delphi Internal Number: 2001-142 Phys 913, Направлена в Письма в ЭЧАЯ.

64. I.Tyapkin, et al., Study of the hadronic photon structure function with the DELPHI detector at LEP2. Delphi Internal Number: 2001-143 Phys 914, Направлена в Письма в ЭЧАЯ.

65. I.Tyapkin, et al., Study of the hadronic photon structure function at very high Q2. Delphi Internal Number: 2001-144 Phys 915, Направлена в Письма в ЭЧАЯ.

66. Yellow Report, The LEP Collider, CERN91-02-ERR.

67. DELPHI Coll. , P.Aarno et all., Nucl. Instr. And Meth., A3031991), 233.

68. DELPHI Notes, Archetecture and Performance of DELPHI Trigger System, 92- 162DAS 135; The Fourth Level Trigger of DELPHI, 93-29DAS 144; The DELPHI Trigger System at LEP200, 99-7 DAS 188.

69. P.Abreu et al., DELPHI Collaboration, Z.Phys. C69 (1996) 223.

70. I.Tyapkin, Proc. Of PHOTON 97, Egmond aan Zee, The Netherlands, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 1997, 26.

71. I.Tyapkin, Workshop on Photon Interactions and the Photon Structure. Lund, Sweden, September 10 13, 1998. Editor G.Jarlskog and T.Sjostrand, published by Fysiska Institutionen, Lund University, 59.

72. И.Тяпкин, Н.Зимин. Краткие сообщения ОИЯИ №1 (93)-99, стр.56.

73. L3 Collaboration, M.Acciarri et al., Phys. Lett. B436 (1998) 403.

74. ALEPH Collaboration, R.Barate et al., Phys. Lett. B458 (1999) 152.

75. OPAL Collaboration, K.Ackerstaff et al., Z. Phys. C74, (1997) 33.

76. OPAL Collaboration, K.Ackerstaff et al., Phys. Lett. B411 (1997) 387.

77. OPAL Collaboration, K.Ackerstaff et al., Phys. Lett. B412 (1997) 225.

78. ALEPH Collaboration, A. Bohrer, PHOTON 99, Freiburg.

79. L3 Collaboration, F.C. Erne, PHOTON 97, Egmond aan Zee, The Netherlands, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 31.

80. OPAL Collaboration, R.Akers et al., Z.Phys. C61 (1994) 199.

81. P.Abreu et al., DELPHI Coll., Z.Phys. C62 (1994) 357.

82. Г.Д.Алексеев,. И.А.Тяпкин и др., Письма в ЭЧАЯ, 1(98)2000 5-22.