"Messung von Zwei-Jet Wirkungsquerschnitten in tiefunelastischer ep Streuung bei HERA"

"Measurement of Dijet Cross Sections in Deep Inelastic ep Scattering at HERA"

Kurzfassung

Es wurden differentielle Zweijet-Wirkungsquerschnitte in tiefunelastischer Elektron-Proton-Streuung als Funktion der Photon-Virtualität, Q², des Impulsbruchteils, Bjorken-x, der mittleren transversalen Jet-Energie , E_T , der invarianten Zweijet-Masse, M_jj , der Differenz in den Jet-Pseudorapiditäten, η'=|η^jet1-η^jet2| und des Impulsbruchteils, ξ, bei HERA gemessen. Die analysierten Daten wurden in den Jahren 1998, 1999 und 2000 bei einer Schwerpunktsenergie von 318 GeV mit dem ZEUS-Detektor aufgenommen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 81.74 pb^-1. Der Phasenraum ist durch 125<Q²<5000 GeV² und |cos γ_h|<0.65 gegeben, wobei γ_h der Polarwinkel des hadronischen Endzustandes ist. Jets werden mit Hilfe des inklusiven kT -Cluster-Algorithmus im Breit-Bezugssystem rekonstruiert. Zweijet-Ereignisse werden durch einen asymmetrischen Schnitt auf die transversale Jet-Energie gemäß E_T,Breit^jet1(2)>12 (8) GeV selektiert. Die Indizes beziehen sich hierbei auf die beiden höchstenergetischen Jets im Pseudorapiditätsbereich -2<η_Breit<1.5. Die gemessenen Zweijet-Wirkungsquerschnitte werden mit QCD-Rechnungen der nächstführenden Ordnung (NLO) verglichen, wie sie im Programm DISENT implementiert sind. Vor dem Vergleich werden sowohl die Daten als auch die theoretischen Vorhersagen auf Hadronlevel korrigiert. Die Korrektur basiert auf Monte Carlo Modellen. Die Daten werden (für alle gemessenen Variablen) gut durch die QCD-Vorhersagen beschrieben. Zweijet-Ereignisse erlauben, im Vergleich zu inklusiven Jet-Ereignissen, die Rekonstruktion zusätzlicher kinematischer Variablen wie der invarianten Zweijet-Masse, M_jj und dem Impulsbruchteil, ξ. Die hier präsentierte Zweijet-Analyse stellt daher einen sehr detaillierten Test der QCD dar. Desweiteren wurde gezeigt, dass die Wirkungsquerschnitte als Funktion von ξ, gemessen in verschiedenen Q²-Bereichen, sensitiv auf die Gluondichte im Proton sind. Verwendet in (NLO) QCD-Fits können diese Wirkungsquerschnitte daher zu einer Verringerung der Unsicherheit auf die Gluon-PDFs beitragen.

In den Jahren 2000 und 2001 wurde HERA von HERA I zu HERA II aufgerüstet. Der Shutdown ermöglichte eine Umrüstung des ZEUS Detektors, der an die höhere Luminosität und das HERA II Physik-Programm angepasst wurde. Die Umrüstung des Detektors beinhaltete ein neues Luminositäts-System. Eine Komponente des neuen Systems war ein elektromagnetisches Kalorimeter im Rückwärtigen Bereich des ZEUS Detektors. Für diesen 6m-(Elektron-)Tagger wurde ein spezieller Trigger entwickelt und getestet, eine Kalibrationsroutine etabliert, und eine Reihe von Cobalt-Scans durchgeführt, um Strahlenschäden an den Scintillatorfasern zu untersuchen. 2007 zeigte eine detaillierte Untersuchung von Multiplizitäten und Energieflüssen basierend auf Jet-Daten bei niedrigen Photon-Virtualitäten, dass der Energiefluss im umgerüsteten Detektor nicht richtig durch das HERA II Monte Carlo vorhergesagt wurde. Die Ergebnisse triggerten die so genannte Single-Pionen-Studie, bei der Ereignisse mit einzelnen Pionen verwendet wurden, um das Ansprechverhalten des simulierten Detektors zu untersuchen. Die Studie half, die HERA II Detektorsimulation zu verbessern und deckte Schwächen eines (bei ZEUS häufig verwendeten) Rekonstruktions-Algorithmus auf.

Titel

Kurzfassung

Summary

Dijet cross sections have been measured in deep inelastic neutral current electron-proton scattering at HERA. Cross sections have been measured differentially as functions of the photon virtuality, Q², the scaling variable, Bjorken x, the mean transverse jet energy, E_T, the invariant dijet mass, M_jj, the difference in jet pseudorapidity, η'=|η^jet1-η^jet2| and the momentum fraction, ξ. Cross sections as function of ξ have also been measured in different regions of the photon virtuality. The analysed data were recorded at a centre-of-mass energy of 318 GeV with the ZEUS detector in the years 1998, 1999, and 2000 and correspond to an integrated luminosity of 81.74 pb^-1. The phase space of the analysis is defined by 125<Q²<5000 GeV² and |cos γ_h|<0.65, where γ_h is the polar angle of the hadronic final state. Jets are reconstructed with the inclusive k_T cluster algorithm in the Breit reference frame. Dijet events are selected by applying an asymmetric cut on the transverse jet energy according to E_T,Breit^jet1(2)>12 (8) GeV, where the indices correspond to the two highest energetic jets in the pseudorapidity range -2<η_Breit<1.5. The measured cross sections are compared to QCD calculations in next-to-leading order (NLO) as implemented in the DISENT program. For the comparison the data and the theoretical predictions are corrected to hadron level. The applied correction procedures are based on Monte Carlo models. The data are (for all measured variables) in good agreement with the theoretical predictions. Dijet cross sections allow, as compared to inclusive-jet measurements, the reconstruction of additional kinematic observables like the invartiant dijet mass, M_jj, or the momentum fraction, ξ. The presented dijet analysis thus represents a very detailed test of perturbative QCD. Moreover, the cross sections measured in different regions of Q² are shown to be sensitive to the gluon density of the proton. They might thus be well suited to provide additional constraints on the gluon PDF when included in (NLO) QCD fits.

In the years 2000 and 2001 HERA was upgraded from HERA I to HERA II. The shutdown allowed an upgrade of the detector in order to adapt it to the high-luminosity environment and the physics program of HERA II. The detector upgrade comprised a new luminosity (monitoring) system which was designed to cope with the increased luminosity and the high rate of synchrotron radiation. The new luminosity system comprised an electromagnetic calorimeter located at about 6m from the interaction point in the rear region of the ZEUS detector. For the 6m (electron) tagger a trigger was designed and tested, a calibration procedure was established and the radiation damage of the scintillating fibres was monitored via a series of Cobalt scans. In 2007 a detailed study of multiplicities and energy flows based on NC low-Q² DIS jet data showed that the energy flow in the upgraded ZEUS detector was not described by the HERA II Monte Carlo predictions. The results triggered the so called single pion study, in which single pion events were used to investigate the response of the simulated detector. The study helped to improve the HERA II detector simulation and revealed imperfections of a (at ZEUS commonly used) reconstruction algorithm.