"Messung der Beauty-Produktion mittels Zwei-Myon-Ereignissen bei HERA / ZEUS"

"Measurement of beauty production from dimuon events at HERA / ZEUS"

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird eine Messung von Beauty-Produktion in ep Kollisionen bei HERA unter Verwendung des Zwei-Myon Zerfallskanals beschrieben. Die Messung verwendet einen vom ZEUS Detektor aufgezeichneten Datensatz mit einer integrierten Luminosität von 114 pb^-1. Die Beauty-Quarkmasse stellt eine hohe Skala zu Verfügung, die Quantenchromodynamik-Rechnungen (QCD) unter Verwendung pertubativer Methoden zulassen sollte. Beauty-Messungen eröffnen somit die Möglichkeit die Vorhersagen zu testen. Die im ZEUS Myondetektions-System vorhandene Redundanz wurde ausgenutzt um die Rekonstruktion von Myonen mit niedrigen Transversalimpulsen zu verbessern. Diese Verbesserung ermöglichte die Rekonstruktion von semi-myonisch zerfallenden bb Ereignissen nahe der kinematischen Schwelle. Ladungskorrelationen im Zwei-Myon-System, sowie hadronische Isolation und Masse der Myonenpaare wurden verwendet um das Beauty-Signal von Untergründen zu separieren. Für den Prozess ep → bb X → μμX' wurde ein Wirkungsquerschnitt in einem Bereich des Phasenraums mit grosser Myonen-Akzeptanz (sichtbarer Wirkungsquerschnitt) für Myonen mit Transversal-Impulsen von p_T^μ > 0.75 GeV oder p_T^μ > 1.5 GeV (in Abhängigkeit der Deutlichkeit der Myon-Signatur) bestimmt. Basierend auf dieser Messung wurde zum ersten Mal der totale Wirkungsquerschnitt für Beauty-Produktion in ep Kollisionen bei √s = 318 GeV bestimmt:

σ_tot(ep → bb X) = 16.1 ± 1.8( stat.) ^+5.3_-4.8(syst.) nb.

Der gemessene Wirkungsquerschnitt ist größer als die entsprechende QCD Vorhersage in nächstführender Ordnung von σ_tot^NLO(ep → bb X) = 6.8 ^+3.0_-1.7 nb. Es wurden weiterhin differentielle Wirkungsquerschnitte in p_T^μ und η^μ gemessen. Für einen Unterdatensatz bestehend aus Zwei-Myon-Ereignissen mit Myonen von verschiedenen Beauty-Quarks wurden Winkelkorrelationen Δφ^μμ im Zwei-Myon-System gemessen. Die Messungen wurden in der Form, nicht aber in der Normierung von Monte-Carlo-Simulationen beschrieben. Die QCD Vorhersage in nächstführender Ordnung beschreibt die Form des Wirkungsquerschnittes in Δφ^μμ, bleibt aber in der Normierung leicht unter den Messungen.

Als technischer Teil dieser Arbeit wurden Simulationen durchgeführt, mit dem Ziel der Reduktion von Synchrotronstrahlungs-Untergründen die nach dem HERA Luminositäts-Upgrade (2000/2001) die Datennahme in den H1 und ZEUS Detektoren stark behinderten. Durch die Optimierung des Synchrotronstrahlungs-Kollimatorsystems konnte dieser Untergrund um mehr als eine Größenordnung reduziert werden.

Titel

Kurzfassung

Summary

This thesis presents a measurement of beauty production from dimuon events in ep collisions at HERA, using an integrated luminosity of 114 pb^-1 collected with the ZEUS detector. The beauty quark mass provides a large scale that should allow quantum chromo dynamic (QCD) calculations using perturbative methods. Measurements of beauty production thus offer the opportunity to test the predictions. The redundancy of the ZEUS muon-detection system was exploited to improve the reconstruction of muons with low transverse momenta from semileptonic beauty decays. This yielded sensitivity to bb events produced near the kinematic threshold. Dimuon charge correlations as well as hadronic isolation and mass of the dimuon system were used to separate the beauty signal from backgrounds. A beauty cross section in a region of phase space with large muon acceptance (visible cross section) was determined for the process ep → bb X → μμX' for muons with transverse momenta of p_T^μ > 0.75 GeV or p_T^μ > 1.5 GeV (depending on the clarity of the muon signature). Based on this measurement, the total cross section of beauty production in ep collisions at a centre-of-mass energy of √s = 318 GeV was determined for the first time:

σ_tot(ep → bb X) = 16.1 ± 1.8( stat.) ^+5.3_-4.8(syst.) nb.

The measured cross section is larger than the corresponding next-to-leading-order QCD prediction of σ_tot^NLO(ep → bb X) = 6.8 ^+3.0_-1.7 nb. Differential cross sections were measured in p_T^μ and η^μ. For a subset of dimuon events with muons from different b quarks, angular correlations in Δφ^μμ of the dimuon system were also measured. The results were found to be in good agreement in shape though not in normalisation with leading-order plus parton-shower Monte Carlo simulations. The next-to-leading-order QCD prediction describes the shape of the cross section in Δφ^μμ, while still slightly underestimating the normalisation.

As the technical part of this thesis, simulations were performed with the aim to reduce initially large synchrotron-radiation induced backgrounds strongly interfering with the operation of the H1 and ZEUS detectors after the HERA luminosity upgrade in 2000/2001. By an optimisation of the synchrotron-radiation collimation system, these backgrounds could be reduced by more than an order of magnitude.