Martin Goettlich, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2007 :

"Study of Charm and Beauty Production at HERA/H1 using Dilepton Events"


"Untersuchung der Charm- und Beauty-Produktion bei HERA/H1 durch Analyse von Ereignissen mit zwei Leptonen und zwei Jets"


Schlagwörter: Heavy Quarks, QCD Test, Charm Production, Beauty Production, jets, dijet, dilepton, dimuon, photoproduction
PACS : 13.60
Summary

Kurzfassung

Ziel dieser Analyse ist die Untersuchung der Produktionsmechanismen für Charm- und Beauty-Quarks in ep Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 318 GeV. Die Analyse basiert auf Daten, die in den Jahren 1999, 2000, 2004 und 2005 vom H1 Detektor bei HERA aufgenommen wurden. Die zur Verfügung stehende integrierte Luminosität beträgt 221.6 pb-1. Dies ist die erste Messung von Wirkungsquerschnitten für die Produktion von Charm- und Beauty-Quarks, in der auch HERA II Daten verwendet werden. Selektiert werden Ereignisse mit mindestens zwei Jets im zentralen Polarwinkelbereich 20°<θ<160° und den Transversalimpulsen pt > 5(4) GeV. Zusätzlich werden zwei Leptonen mit den Transversalimpulsen pt > 2(1) GeV in den Polarwinkelbereichen 30° < θ1 < 130° und 20° < θ2 < 150° verlangt. Bei dem ersten Lepton handelt es sich um ein Myon. Das zweite Lepton kann entweder ein Myon oder ein Elektron sein. Untersucht werden Photoproduktionsereignisse mit einer Photonvirtualität von Q2 < 1 GeV2 und einer Inelastizität von 0.1 < y < 0.7. Der relative Transversalimpuls ptrel der Leptonen bezogen auf den Jet, dem sie zugeordnet sind, und die Ladungs- und Winkelkorrelationen zwischen den Leptonen werden ausgenutzt, um den Anteil an Charm- und Beauty-Ereignissen zu bestimmen. Zum ersten Mal werden bei H1 sichtbare Charm- und Beauty-Wirkungsquerschnitte für die Produktion von Zwei-Jet und Zwei-Lepton Ereignissen bestimmt:
σ(ep -> eccX -> ejjμeX') = 4.6 ± 1.0(stat.) ± 0.5(sys.) pb
σ(ep -> eccX -> ejjμμX') = 2.7 ± 0.9(stat.) ± 0.3(sys.) pb
σ(ep -> ebbX -> ejjμeX') = 9.4 ± 1.2(stat.) ± 0.9(sys.) pb
σ(ep -> ebbX -> ejjμμX') = 10.4 ± 1.5(stat.) ± 1.0(sys.) pb
Um einen tieferen Einblick in die Leptonkorrelationen zu erhalten, werden differentielle Wirkungsquerschnitte als Funktion der invarianten Masse m(μl), des Transversalimpules pt(μl), des Polarwinkels θ(μl) und der Ladungs- und Winkelkorrelation |ΔΦ(μ1; l2)| x Q(μ1) x Q(l2) des Leptonsystems bestimmt. Für die Untersuchung der Leptonkorrelationen wird nur die Observable ptrel verwendet, um den Beauty-Anteil zu bestimmen. Zusätzlich werden differentielle Wirkungsquerschnitte als Funktion des Transversalimpulses und des Polarwinkels der Jets und der Leptonen bestimmt. Die Messungen werden mit QCD Rechnungen in führender Ordnung mit Partonschauern verglichen. Der vorhergesagte Charm-Wirkungsquerschnitt stimmt mit den Messungen überein, während der gemessene Beauty-Wirkungsquerschnitt höher als der theoretisch vorhergesagte Wert ist. Die differentiellen Verteilungen werden in ihrem Verlauf zufriedenstellend beschrieben.

Titel

Kurzfassung

Summary

A measurement is presented which investigates the production of charm and beauty quarks in ep collisions at a centre-of-mass energy of 318 GeV. Data taken by the H1 detector at the HERA collider in the years 1999, 2000, 2004 and 2005 are analysed. The collected data correspond to an integrated luminosity of 221.6 pb-1. This is the first measurement of charm and beauty cross sections using HERA II data. Events with two or more jets of transverse momentum pt > 5(4) GeV in the polar angular range 20° < θ < 160° together with two leptons of transverse momentum pt > 2(1) GeV in the polar angular ranges 30° < θ1 < 130° and 20° < θ2 < 150°,respectively, are selected. The first lepton is a muon, the second either a muon or an electron. Cross sections are measured in photoproduction, i.e. at photon virtualities Q2 < 1 GeV2, and for inelasticities 0.1 < y < 0.7. The relative transverse momentum ptrel of the leptons with respect to the jet they are associated to and the charge and angle correlation of the leptons are exploited to extract the fractions of charm and beauty events on a statistical basis. For the first time at H1, visible charm and beauty cross sections for the production of dijet and dilepton events are determined:

σ(ep -> eccX -> ejjμeX') = 4.6 ± 1.0(stat.) ± 0.5(sys.) pb
σ(ep -> eccX -> ejjμμX') = 2.7 ± 0.9(stat.) ± 0.3(sys.) pb
σ(ep -> ebbX -> ejjμeX') = 9.4 ± 1.2(stat.) ± 0.9(sys.) pb
σ(ep -> ebbX -> ejjμμX') = 10.4 ± 1.5(stat.) ± 1.0(sys.) pb
To gain a deeper understanding of dilepton correlations in beauty events, differential dilepton cross sections are determined using the observable ptrel alone. The invariant mass m(μl), the transverse momentum pt(μl), the polar angle θ(μl) and the charge and angle correlation |ΔΦ(μ1; l2)| x Q(μ1) x Q(l2) of the dilepton system are investigated. In addition, differential jet cross sections are determined. The measurements are compared with leading order QCD calculations, supplemented with parton showers. The charm cross sections are consistent with the predictions, while the predicted beauty cross sections are somewhat lower than the measurement. The predicted differential beauty cross sections describe the shape of the measurements.