"Untersuchung der Fragmentation des Charm-Quarks in D*-Mesonen mit dem H1-Detektor bei HERA II"

"Study of Charm Quark Fragmentation into D* Mesons with the H1 Detector at HERA II"

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird die Charm-Quark-Fragmentation in D*-Mesonen in der tief unelastischen Elektron Proton Streuung untersucht. Die Arbeit basiert auf dem Datensatz der in den Jahren 2004 bis 2007 vom H1-Detektor bei HERA aufgezeichnet wurde. Die Daten entsprechen einer integrierten Luminositat von 354.1 pb^-1.

Differentielle Wirkungsquerschnitte werden als Funktion der drei Observablen z_jet, z_hem und z_hem^jet, die in unterschiedlichen Naherung den Ubertrag des Impulsbruchteiles vom Charm Quark auf das D*-Meson darstellen, gemessen. Im Falle von z_jet entspricht der Impuls des Quarks ungefahr dem Impuls des D*-Jets, bei den anderen Observablen entspricht er annahernd dem Impuls einer entsprechend definierten D* Hemisphare. Der sichtbare Phasenraum wurde durch den kinematischen Bereich Q²>5 GeV² und 0.05 < y < 0.6 und den Schnitten auf das rekonstruierte D*-Teilchen, 1.5 GeV < p_T(D*)<15.0 GeV und |eta(D*)|<1.5 festgelegt. In Ereignissen bei denen die beiden Observablen z_jet, z_hem^jet gemessen werden, wird ausserdem ein rekonstruierter D*-Jet verlangt, der die zusätzliche Bedingung E_T(D*-Jet)>3.0 GeV erfullt. Innerhalb dieses Phasenraumes werden als Funktion der drei Observablen die normierten, einfach differenziellen Wirkungsquerschnitte extrahiert. Anschliessend werden die Wirkungsquerschnitte mit den beiden Monte Carlo Modellen RAPGAP und CASCADE fur verschiedene Parametrisierungen der Charm-Fragmentationsfunktion (Peterson und Kartvelishvili) berechnet. Beide QCD Modelle benutzen zur Beschreibung das Lund-String-Modell, wie es im PYTHIA Programm implementiert ist. Der Unterschied im Wirkungsquerschnitt zwichen den Daten und den Monte Carlo Modellen wird anhand eines χ²-Tests quantifiziert und die optimalen Parameter fur die Peterson und Kartvelishvili Parametrisierungen aus den χ²-Verteilungen extrahiert. Vorhersagen von PYTHIA fur e⁺e^- Annihilation werden benutzt, um ebenfalls optimale Parameter aus den dazu publizierten Daten von BELLE und ALEPH zu gewinnen und mit den Resultaten dieser Arbeit zu vergleichen.

Die erhaltenen Resultate zeigen, dass die H1 Daten zwar eine Bestimmung der Fragmentationsparameter mit einer Genauigkeit die von Interesse ist erlauben, die Resultate jedoch anscheinend von der zur Verfugung stehenden Energie zur Charm-Quark Produktion abhangen. Die von der z_hem Verteilung abgeleiteten Parameter sind nicht konsistent mit jenen, die auf der z_jet bzw. z_hem^jet Verteilung basieren. Ebenso gibt es Inkonsistenzen beim Vergleich mit den Parametern aus der e⁺e^- Annihilation. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die existierenden Modelle, inklusive der untersuchten einfachen Fragmentationsfunktionen, nicht adequat sind, um die Fragmentation von Charm-Quarks bei verschiedenen Energien, nahe der Schwelle und daruber, zu beschreiben.

Titel

Kurzfassung

Summary

In this work charm quark fragmentation into D* mesons is investigated in deep-inelastic electron proton collisions. This work is based on data collected in the years 2004 - 2007 by the H1 detector at HERA, corresponding to a total integrated luminosity of 354.1 pb^-1.

Three observables denoted z_jet, z_hem and z_hem^jet are measured, each of them meant to approximate the momentum fraction of the charm quark transferred to the D* meson. In case of z_jet the quark momentum is estimated as the momentum of the D* jet, for the two other observables it is approximated by the momentum of an appropriately chosen D* hemisphere. The visible range is defined by the phase space requirements on the DIS events: Q²>5 GeV², 0.05 < y < 0.6 and by the cuts applied on the reconstructed D* particles: 1.5 GeV < p_T(D*)<15.0 GeV and |eta(D*)|<1.5. An additional constraint E_T(D*-Jet)>3.0 GeV enters the phase space definition in case of z_jet and z_hem^jet, where a reconstructed jet containing the D* meson is required. Within this phase space the normalized single differential cross sections are measured in bins of the three observables. Two Monte Carlo models, RAPGAP and CASCADE, both interfaced with the PYTHIA program for the Lund string fragmentation, are used to make predictions of the respective cross sections for different parametrizations (Peterson and Kartvelishvili) of the charm fragmentation function. The difference in cross sections between data and Monte Carlo model predictions for different values of the fragmentation parameter is quantified by calculating values of χ² in order to extract optimal parameters for the Peterson and Kartvelishvili parametrization. Using predictions from PYTHIA for e⁺e^- annihilation optimal parameters are extracted also from the published BELLE and ALEPH data.

The obtained results show that the H1 data allow the determination of the fragmentation parameters with a precision which is of interest. The extracted parameters are however found to apparently depend on the charm quark production energy: the z_hem-based results are not consistent with those derived from z_jet and z_hem^jet, and inconsistencies are also observed when comparing to e⁺e^- values. The results suggest that existing models, including the investigated simple fragmentation functions, are not adequate in describing charm fragmentation at different production energies with the same set of fragmentation parameters.