Das Standard Modell der Elementarteilchenphysik hat sich über die letzten Jahrzehnte als großer Erfolg für die Beschreibung der mikroskopischen Struktur der Materie herausgestellt. Dennoch gibt es immer noch offene Fragen. Besonders der Bereich der schweren Quarks zeigt Unterschiede zwischen Experiment und theoretischen Vorhersagen. In dieser Arbeit werden Beauty-Quark-Wirkungsquerschnitts-Messungen im Photoproduktions-Bereich gemessen in ep Kollisionen am HERA Beschleuniger mit dem ZEUS Experiment vorgestellt, um zur Klährung dieser Unterschiede beizutragen.
Die Messung von Beauty-Quark-Wirkungsquerschnitten bedarf einer zuverlässigen Beauty-Quark-Identifikation meistens durch die Ausnutzung der hohen Masse oder der langen Lebensdauer der Beauty Quarks. Die ptrel-Methode stellt dabei ein etabliertes Verfahren zur statistischen Identifikation dar, indem sie das härtere Spektrum des transversalen Impulses von Myonen aus semi-leptonischen Zerfällen von Beauty Quarks relativ zum ursprünglichen Quark im Vergleich zu leichteren Quarks ausnutzt. Aber seit der Erweiterung des ZEUS Detektors während des HERA II Umbau-Programms 2000/2001 besteht die Möglichkeit der Anwendung einer weiteren Methode zur Beauty-Quark-Identifikation unter Ausnutzung der langen Lebensdauer des Beauty Quarks relative zu leichteren Quarks. Durch den Einbau des Mikro-Vertex-Detektors kann der Stoß-Parameter des Myons relative zum Ereignis-Ursprung mit genügender Genauigkeit bestimmt werden, um das resultierende ebenfalls härtere Spektrum vom semi-leptonischen Beauty-Quark-Zerfällen statistisch zur Identifikation auszunutzen. In dieser Arbeit repräsentieren experimentell Jets die Quarks durch den kollimierten Schauer ihrer Zerfallsprodukte und dienen als Referenz für die ptrel- und Stoß-Parameter-Methode. Zusätzlich definieren sie eine harte Skala für die pertubative Berechnung der theoretischen Vorhersagen. Diese Arbeit präsentiert Beauty-Quark-Wirkungsquerschnitts-Messungen im Photoproduktions-Bereich in Ereignissen mit zwei Jets und einem Myon:
ep -> e b bbar X -> e jj mu XDie ptrel-Methode wird zur Identifizierung von Beauty Quarks in den Datennahmeperioden vor und nach dem Umbau benutzt. Danach werden diese Ergebnisse zur Studie der Anwendbarkeit der Stoß-Parameter-Methode in den Datennahmeperioden nach dem Umbau verwendet.
Der technische Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung eines neuen event displays für den ZEUS-Detektor welches die Änderungen im Detektor-Aufbau nach dem Umbau und die Integration des Mikro-Vertex-Detektors widerspiegelt. Die neue Visualisierungs-Lösung bietet Ereignis-Visualisierungen für die Datennahmeperioden vor und nach dem Umbau und wird durch die Beschreibung des Konzepts und seiner Implementation vorgestellt.
Ein globaler Vergleich von Beauty-Quark-Wirkungsquerschnitts-Messungen von unterschiedlichen Experimenten an unterschiedlichen Beschleunigern, durchgeführt während eines Auslands-Studien-Aufenthalts am University College London, beschreibt den Rahmen in welchem die Messungen dieser Arbeit interpretiert werden können. Der Vergleich benutzt leading order plus parton shower Monte-Carlo-Simulationen und gibt eine Antwort auf die Frage nach der Kompatibilität zwischen den einzelnen Messungen. Die Beantwortung dieser Frage ist wichtig da die einzelnen Messungen keine einheitliche Antwort zur Kompatibilität zu theoretischen Vorhersagen geben.
Im Folgenden wird kurz der Aufbau der Wirkungsquerschnitts-Messungen und der Studie der Stoß- Parameter-Methode beschrieben. Zuerst wird ein Datensatz von 110 pb-1 der Datennahmeperioden vor dem Umbau benutzt, um Wirkungsquerschnitte mit der prel T -Methode zu messen. Eine neue verbesserte Myon-Rekonstruktion wird etabliert, um die Statistik signifikant zu vergrößern. Anschließend werden die Erfahrungen aus den Datennahmeperioden vor dem Umbau auf den Datensatz von 40 pb-1 aus den neuen Datennahmeperioden übertragen, um erste Beauty-Quark-Wirkungsquerschnitte nach dem Umbau zu bestimmen. Ein Vergleich der Wirkungsquerschnitte zwischen den Datennahmeperioden vor und nach dem Umbau zeigt, dass der Datensatz aus der neuen Periode mit seinem durch die prel T -Methode bestimmten Beauty-Quark-Anteil geeignet ist für den Vergleich der zwei Identifikations-Methoden. Daraufhin zeigt eine erste Machbarkeits-Studie die Anwendbarkeit der Stoß-Parameter-Methode. Am Ende werden zukünftige Pläne für Beauty -Quark-Wirkungsquerschnitts-Messungen mit dem ZEUS Detektor unter Ausnutzung der langen Lebensdauer der Beauty Quarks beschrieben.
The Standard Model of elementary particles has proven to be a big success over the last decades in describing the microscopic structure of matter. Despite this success, it still poses open questions to theory and experiment. In particular the heavy quark sector still shows discrepancies between measurement and theoretical prediction. This thesis presents measurements of beauty quark cross sections in the photoproduction regime in ep collisions with the ZEUS experiment at the HERA collider to contribute to the clarification of these questions.
The measurement of beauty quark cross sections requires a reliable identification of beauty quarks mostly exploiting their heavy mass or long lifetime. A well established procedure for the identification is the ptrel method which exploits statistically the harder spectrum of the transverse momentum of the muon from semi-leptonic beauty quark decays relative to the originating quark compared to lighter quarks. With the upgrade of the ZEUS detector in the course of the HERA II upgrade program 2000/2001, an additional method exploiting the long lifetime of the beauty quark became accessible. With the integration of a micro-vertex-detector in the ZEUS detector, a precise measurement of the impact parameter of the muon with respect to the interaction origin can statistically identify semi-leptonic beauty quark decays by their harder spectrum compared to lighter quarks. For both methods, jets experimentally represent the beauty quarks by their collimated shower of decay products and act as a reference for the ptrel and impact parameter methods. In this thesis, they also provide a hard scale for the perturbative calculation of theoretical predictions. This thesis measures photoproduction cross sections of semi-leptonically decaying beauty quarks into muons in dijet events
ep -> e b bbar X -> e jj mu XThe ptrel method is used in pre- and post-upgrade running periods to identify beauty quarks. Afterwards, these results are used to explore the applicability of the impact parameter method in the post-upgrade running periods.
The technical task of this thesis consisted of the development of a new event display for the ZEUS detector incorporating the changes in the detector layout after the upgrade including the new micro-vertex-detector. The new solution providing event displays both for the pre- and post-upgrade running periods is presented by describing the visualisation concept and the implementation.
A global comparison of beauty quark production measurements from different experiments at different high energy particle colliders, carried out during a research stay at the University College London, describes the frame in which the cross section measurements of this thesis can be interpreted. Using leading order plus parton shower Monte Carlo generators for the comparison, the question of compatibility between the different results is of larger importance because the measurements under investigation do not provide a consistent picture about their compatibility to theoretical predictions.
In the following, a brief description of the structure of the cross section measurements and the study of the impact parameter method is given.
In the pre-upgrade running periods, a data sample of 110 pb-1 is used to measure cross sections with the ptrel method. A new general muon reconstruction is established to increase the statistics significantly. The experience from the pre-upgrade running periods is then transferred to the post-upgrade running periods to measure first beauty quark cross sections using the ptrel method with the upgraded detector in a data sample of 40 pb-1. The comparison between pre- and post-upgrade results establishes a post-upgrade event sample with known beauty content which is suitable for comparisons of the two beauty quark identification methods. A first study of the applicability of the impact parameter method concludes the investigation of beauty quark production after the upgrade. In the end, future plans for measurements of beauty quark cross sections at ZEUS exploiting the long lifetime of the beauty quark are outlined.