Глубоко неупругое лептон-адронное рассеяние (DIS) является основой для понимания структуры адронов и динамики партонных взаимодействий. Начиная с открытия скейлиига Бьёркена [1] и его нарушения [2] на экспериментах с фиксированными мишенями, измерения DIS играют решающую роль в развитии теории сильных взаимодействий, Квантовой Хромодинамики (QCD). Значительный прогресс в изучении сильных взаимодействий был достигнут на электрод-протонном ускорителе на встречных пучках HERA. Измерения ер рассеяния, выполненные на ускорителе HERA важны так же для предсказания сечений процессов рассеяния для рр коллайдеров. В частности, результаты, полученные на ускорителе HERA позволяют повысить точность предсказаний для процессов рождения W, Z бозонов и бозона Хиггса на новом протон-протоном Большом Адронном Коллайдере (LHC).
Высокая энергия ер рассеяния в системе центра масс, достигнутая благодаря большой энергии электронного, Ее = 27.6 ГэВ и протонного, Ер = 920 ГэВ пучков на ускорителе HERA позволяет производить измерения в широком диапазоне квадрата 4-импульса Q2 и Бьёркен х. Данная работа посвящена Q2 области 0.2 < Q2 < 12ГэВ2, которая соответствует области по Бьёркен х: Ю-6 < х < 10~2 [3]. При таких значениях Q2 характер поведения сильных взаимодействий меняется с партонного на адронный.
Для Q2 > 2 ГэВ2 поведение структурной функции /^(ж, Q2) характеризуется её возрастанием при х —> 0 для фиксированных Q2. Это было впервые обнаружено на установках HI [4] и ZEUS [о]. В рамках функций партонного распределения (PDF) этот факт может быть интерпретирован как значительное увеличение плотности.
1 Если специально не оговорено, имя «электрон» будет использоваться для обоихэлектрона и позитрона морских кварков для малых х. В то же время рост Fi (x, Q2) при увеличении Q2 для фиксированных значениях х указывает на сильное увеличение глюонной плотности для малых х и Q2 > 2ГэВ2. Это было обнаружено в пертурбативных QCD (pQCD) анализах данных DIS [5−8] используя производную dF2/d In Q2, которая соотносится с глюонной и кварковой плотностью через уравнения DGLAP эволюции [9−13].
Высокая плотность глюонов ставит под сомнение применимость DGLAP для области малых х, в которой суммируются только члены as In Q2, в то время как члены as ln (l/x) могут играть всё более важную роль с уменьшением х. Партонная динамика при малых х может действительно следовать другим уравнениям эволюции, таким как BFKL [14−16], CCFM [17−20] или нелинейным уравнениям [21−27]. Нелинейные эффекты, появляющиеся, например, из-за глюон-глюонной рекомбинации, могут ослаблять рост F2 при малых х. Для уточнения партонной динамики при малых х требуются новые данные высокой точности в широком диапазоне по х и Q2.
Для малых Q2 < 2 ГэВ2 имеет место переход в область, где непертурбативные эффекты играют решающую роль. Т.к. постоянная сильного взаимодействия as (Q2) увеличивается, коррекции высоких порядков становятся более важными, что в дальнейшем приводит к тому, что пертурбативное приближение становится невозможным. Таким образом изучение переходных эффектов при малых Q2 и малых х даёт проверку кинематической области, в которой структура протона не может быть описана используя квази-свободные глюоны и кварки и начинает работать физика мягких адронных взаимодействий, которая в настоящее время часто описана при помощи чисто феноменологических моделей (например в [28]).
Интересный подход к виртуальному фотон-протонному рассеянию для малых Q2 был разработан в рамках дипольной модели [29]. В рамках этой модели 7*р взаимодействие описывается как взаимодействие виртуальной qq пары и протона. При малых х фотон может флуктуировать в кварк-антикварковую пару задолго до взаимодействия с протоном. Эта пара имеет характерное время жизни ос 1/х. Поэтому сечение взаимодействия может быть выражено как произведение квадрата волновой функции qq пары и универсального сечения, проинтегрированное по импульсу [30]. В этой работе так же используется феноменологическая, так называемая фрактальная модель, которая описывает.
F2(x, Q2) на основе идей о самоподобии структуры протона при малых х [31]. Для проверки таких моделей и для лучшего понимания мягких адронных взаимодействий является очень важным выполнение высокоточных измерений ер рассеяния внутри всей переходной области.
Для того, чтобы достичь области малых х требуется проводить измерения при больших значениях неупругости у. В этой области сечение процесса становится чувствительным к структурной функции Fl (x, Q2). Эта функция завершает описание инклюзивного виртуального фотон-протонного рассеяния, в описании которого так же необходимы поперечные и продольные поляризационные состояния фотона. В кварк-партонной модели (QPM) Fl равна нулю, в то время как в QCD высоких порядков эта структурная функция несёт независимую информацию [32] о распределении глюонов и может становиться сравнительно большой при малых х.
В данной работе представлены результаты новых измерений сечения инклюзивного ер рассеяния для 0.2 < Q2 < 12ГэВ2 и 5 • Ю-6 < х < 0.02. Эти измерения были выполнены на установке HI в DESY, Германия в течении двух позитрон-протонных сеансов сбора данных. Энергии позитронного и протонного пучков были соответственно равны Ее — 27.6 ГэВ и Ер = 920 ГэВ. Первый блок данных (далее именуемый в тексте как «NVX») был собран в 1999 году и соответствует интегрированной светимости в 2.1 пб-1. Для второго блока данных, который был собран в 2000 году, область взаимодействия пучков была сдвинута в направлении пучка протонов на +70 см (этот блок именуется в тексте как «SVX»). Интегрированная светимость этого блока равна 505 нб-1.
Сдвиг области взаимодействия пучков для SVX позволил регистрацию электронов под большими углами2 рассеяния и таким образом позволил достичь значений Q2 < 2 ГэВ2, чего невозможно сделать на установке HI при номинальном положении области соударений пучков.
В сравнении с предыдущими измерениями HI, выполненными при смещённой области взаимодействия пучков [33], данные результаты являются более точными.
2 В координатной системе детектора HI направление оси г совпадает с направлением протонного пучка. Поэтому полярные углы 6е близкие к 180° соответствуют очень малым углам по отношению к направлению входящего электронного пучка. Оси х (у) направлены горизонтально (вертикально). благодаря более высокой светимости, а так же благодаря использованию нового детектора для регистрации рассеянных электронов, именуемого Backward Silicon Tracker (BST). Реконструкция позиции соударения с использованием электронного трека, измеренного в BST, позволила расширить кинематическую область в сторону малых Q2 и больших х.
Кинематическая область измерений была дополнительно расширена к малым значениям Q2 и большим значениям х, используя события с жёстким фотонным излучением, параллельным входящему электронному пучку (события с Радиацией Начального Состояния или ISR). Жёсткое фотонное излучение приводит к уменьшению энергии ер взаимодействия. В отличии от предыдущих результатов, использующих ISR события на установке HI [34], в данной работе излучённые фотоны не регистрировались напрямую, но унесённый импульс был определён, используя законы сохранения. Для этого метода важнейшую роль сыграла возможность использования BST. Этот детектор позволил уменьшить физический фон от событий фоторождения, в которых рассеянный электрон проходит в направлении электронного пучка незарегистрированным.
Результаты, представленные в данной работе являются окончательными результатами коллаборации HI по измерению сечения инклюзивного рассеяния в области малых Q2. Измерения настоящей работы объединены с ранее опубликованными результатами коллаборации HI [33,35], набранными с использованием инклюзивных триггеров (NVX97) при более низкой энергии протонного пучка Ер = 820 ГэВ в области Q2 > 1.5 ГэВ2 и с результатами HI, использующими технику смещения области соударения пучков (SVX95) в кинематической области Q2 > 0.35 ГэВ2. Комбинация выполнена с учётом корреляции систематических ошибок всех трёх измерений. Точность полученного результата порядка нескольких процентов в центральной кинематической области. В области Q2 < 0.65 ГэВ2, новые данные можно сравнить с данными, полученными коллаборацией ZEUS, использовавшей специальный детектор, смонтированный в непосредственной близости от электронного пучка [36]. Для области Q2 > 2 ГэВ2 возможно сравнение данных результатов и опубликованных результатов коллаборации ZEUS, которая использовала данные с энергией протонного пучка' Ер = 820 ГэВ [37].
Результаты, представленные в диссертации, докладывались соискателем на различных международных конференциях, таких как DIS 2004 (Strbske Pleso, Slovakia) [38], DIS 2005 (Madison, USA) [39], LISHEP 2006 (Rio de Janeiro, Brazil), PHOTON 2007 (Paris, France) [40], DIFFRACTION 2008 (La Londe-les-Maures, France) [41], DIS 2009 (Madrid, Spain), LP 2009 (Hamburg, Germany).
Настоящая работа составлена следующим образом: в Главе 1 представлены общие описания теории и феноменологии глубоко неупругого рассеяния. В Главе 2 описаны экспериментальные методы реконструкции кинематики событий DIS и принципы измерения сечения процесса. В Главе 3 описана установка HI с акцентом на наиболее важные для данной работы компоненты. В Главе 4 представлены методы отбора и реконструкции событий с последующим продолжением в Главе 5, акцентирующейся на моделировании событий методом Монте-Карло. В Главе б обсуждаются техника анализа данных и ошибки измерений. Глава 7 содержит результаты измерения сечения процесса, полученные на данных 1999 и 2000 годов. В Главе 8 представлена комбинация новых и ранее опубликованных (для которых Ер = 820 ГэВ) результатов HI. Глава 9 посвящена феноменологическому анализу зависимости F2 от х, а так же получению структурной функции Fl. В Главе 10 сравниваются различные теоретические модели.
Заключение
содержит основные результаты проделанной работы.
Заключение
.
В настоящей работе представлено новое измерение инклюзивного дифференциального сечения для глубоко неупругого позитрон-протонного рассеяния ер —> еХ. Измерение выполнено в области малых Бьёркеня и малого переданного квадрата импульса 0.2 ГэВ2 < Q2 < 12 ГэВ2. Данные были получены на установке HI ер ускорителя HERA в течении двух специальных сеансов с энергиями пучков Ее = 27.5 ГэВ и Ер = 920 ГэВ. В 1999 году были собраны события со специальными установками триггера для малых Q2 при номинальной позиции области соударения пучков (NVX) и полной светимостью в 2.1 пб-1. В 2000 году, вершина взаимодействия была смещена на +70 см в направлении протонного пучка. Благодаря этому были достигнуты более низкие значения Q2 с полной светимостью собранных событий (SVX), равной 0.505 пб-1.
Измерение выполнено в широком диапазоне значений переменных неупругости у (0.0015 < у < 0.8) и Бьёркенх (5 • Ю-6 < х < 0.02). Объединённый результат охватывает диапазон Q2 от 0.2 до 12 ГэВ2 с областью перекрытия 0.5 < Q2 < 3.5 ГэВ2, в которой данные SVX и NVX хорошо согласуются между собой [3]. Это измерение усредняется с ранее опубликованными результатами 1995 и 1997 годов, собранными при энергии протонного пучка, равной 820 ГэВ. Полная ошибка полученного измерения сечения процесса приблизительно равна 2% в большей части кинематической области. Этот результат является наиболее точным измерением HI в переходной области от фоторождения к DIS.
Сечение процесса DIS определяется двумя независимыми структурными функциями протона, Fi и i^. В связи с тем, что влияние последней сказывается лишь для области у > 0.6, данные представлены так же как измерение структурной функции F2(x, Q2). В большей части области х, сечение процесса демонстрирует рост для х —> 0 при фиксированном значении Q2. Однако при малых х, соответствующих наибольшим у, этот рост останавливается и наблюдается уменьшение сечения процесса, что связано с влиянием структурной функции Fl.
Зависимость сечения по х для фиксированных Q2 параметризована как сх~х[ 1 — f (y) ¦ R/(1 + i?)]. Это позволяет численно определить рост F2 при х —> 0 и оценить размер FjJ = F2 ¦ R/(1 + R), предполагая что F2 следует степенной зависимости как функция х для каждого Q2. Анализ данных хорошо подтверждает увеличение параметра Л с увеличением Q2 для больших Q2. Он так же находится в согласии с гипотезой о постоянной R (x, Q2) для области 0.6 < Q2 < 10 ГэВ2 при малых х. Структурная функция Fl (x, Q2) так же определена используя деривативный метод. Это определение Fl меньше зависит от феноменологических предположений, но имеет большие экспериментальные ошибки.
Данные так же анализировались с использованием фрактальной модели [31] параметризации F2. которая предсказывает похожую па степенную зависимость F2 от х. Две версии Дипольной Модели, GBW [29] и ИМ [42], были сравнены с измеренным сечением процесса в данных. Изучение модели GBW показало, что описание данных существенно улучшается в случае, если в рамках этой модели увеличить вклад Fl примерно на 50%. Модель ИМ предсказывает более пологий рост F2 и может описывать сечение DIS лучше при схожем поведении Fl.
Более поздние данные ускорителя HERA, включая данные, полученные при пониженной энергии протонного пучка, и далее прольют свет на наблюдения, сделанные в этой работе [81]. Однако для области в районе Q2 < 1 ГэВ2, где имеет место переход от процесса фоторождения к DIS, результаты, полученные в данной диссертации являются окончательными и самыми точными для коллаборации HI.
