Ulrich Fricke, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1999 :

"Precision Measurement of the Structure Function F₂ at Low Q² and Very Low x at HERA"

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Kurzfassung

Der Meßbereich der beiden HERA-Experimente, H1 und ZEUS, zur Bestimmung des totalen Wirkungsquerschnitts s_tot^g*p und der Proton-Strukturfunktion F₂ konnte seit dem Anfang der Datennahme deutlich vergr&{uml;oßert werden. Beide Experimente dehnten ihren Meßbereich zu kleinen Werten von Q² aus, um die Übergangsregion zwischen dem Wirkungsbereich der perturbativen QCD (pQCD, Q² >= 1.5 GeV²) und dem Photoproduktionsbereich (Q² \approx 0 GeV²) zu untersuchen. Durch Verschiebung des Wechselwirkungspunktes konnte die untere Grenze in Q² bis zu 0.6 GeV² ausgedehnt werden. Um auch den Bereich von 0.11 <= Q² <= 0.65 GeV² zu untersuchen, wurde 1995 das ZEUS-Strahlrohrkalorimeter (BPC) installiert. Zur weiteren Ausdehnung des Meßbereiches und zur Verbesserung der Meßgenauigkeit wurde 1997 ein weiterer Detektor, der Beam Pipe Tracker (BPT), vor dem BPC installiert. Dieser aus zwei Siliziumstreifendetektoren bestehende Detektor wurde zwischen dem BPC und dem Wechselwirkungspunkt eingebaut. Durch seine Verwendung konnten die dominierenden Unsicherheiten der Messung, gegeben durch das BPC (Energiekalibration und Positionierung), die Abschätzung des Photoproduktionsuntergrundes und die Bestimmung des Wechselwirkungspunktes um einen Faktor zwei bis drei verringert werden. Der Meßbereich konnte zu kleineren Werten von Q², sowie zu kleineren und größeren Werten von x, ausgedehnt werden. Während die ersten beiden Erweiterungen in unerschlossene Bereiche gehen, erlaubt die letztere einen Vergleich mit Daten des Experiments E665. s_tot^g*p und F₂ wurden in der Reaktion e⁺p-> e⁺X mit dem ZEUS-Detektor bei HERA gemessen. Die hier beschriebene Analyse wurde im Bereich 0.045 < Q² < 0.80 GeV² und 3 * 10^-7 < x < 10^-3 durchgeführt. Dies entspricht einem Bereich der g^*p-Schwerpunktsenergie von 25 < W < 281 GeV. Die Ergebnisse wurden mit Vorhersagen für den Bereich von kleinen x und Q² verglichen. Die Daten konnten durch ein phänomenologisches Modell gut beschrieben werden. Abweichungen von den Vorhersagen dieses sowie anderer Modelle lassen vermuten, daß der Einfluß der perturbativen QCD bereits bei 0.5 GeV² vorhanden ist.

Titel

Kurzfassung

Summary

The kinematic region covered by the two HERA experiments H1 and ZEUS in the measurement of the total virtual photon-proton (g^*p) cross section s_tot^g*p and the proton structure function F₂ has been significantly extended since the start of data taking in 1992. In 1995 the two experiments extended their kinematic acceptance to probe the transition region between the regime of perturbative QCD (pQCD, Q² >= 1.5 GeV²) and the photoproduction region (Q² \approx 0 GeV²). By shifting the interaction point in both experiments the lower limit in Q² was extended down to 0.6 GeV². To access even lower values of Q² (0.11-0.65 GeV²), the ZEUS Beam Pipe Calorimeter (BPC) was installed in 1995. To further extend the kinematic acceptance of the BPC and decrease the systematic uncertainties, a new detector, the Beam Pipe Tracker (BPT), was installed in front of the BPC in 1997. It consists of two silicon microstrip detectors and is located between the BPC and the interaction point. By making use of the BPT, the main systematic uncertainties related to the BPC (energy calibration and alignment), to photoproduction background, and to the uncertainty of the interaction point position, were reduced significantly. The total systematic error was reduced by roughly a factor of two to three. The kinematic region was extended towards lower values of Q² and towards lower and higher values of x. At very low values of Q² and very low values of x the measurement was extended into previously unexplored areas, while the new data at high x allows for the first time a comparison with the data from the fixed-target experiment E665.The two former extensions go into previously unexplored areas, while the latter one results in an overlap with data from the fixed-target experiment E665.The measurements of the proton structure function F₂ by the HERA experiments H1 and ZEUS in 1994 and 1995 show that perturbative QCD (pQCD) allows to describe the observed rapid rise of F₂ with decreasing x down to Q² \approx 1.0 GeV². The shifted vertex data from H1 and ZEUS ( 0.6 < Q² < 17 GeV²) and from the ZEUS Beam Pipe Calorimeter (BPC, 0.11 < Q² < 0.65 GeV²) from 1995 show a smaller rise of F₂ with decreasing x for Q²<1 GeV². The data can be described by a simple generalized vector dominance model for the Q² dependence and a two component Regge model for the W² dependence.s_tot^g*p and F₂ have been measured in inelastic neutral current scattering, e⁺p-> e⁺X, using the ZEUS detector at HERA. The analysis covers the kinematic region for 0.045 < Q² < 0.80 GeV² and 3 * 10^-7 < x < 10^-3. This corresponds to a range in the g^*p center-of-mass energy of 25 < W < 281 GeV. The data is compared to various models for the low x and low Q² region. It can be well described by a phenomenological model based on Regge theory and the Generalized Vector Dominance Model. Deviations of the data from this model and the comparison to predictions from other models indicate that the effects of perturbative QCD are already present at Q² as low as 0.5 GeV².transition to the region of perturbative QCD may already start at values of Q² as low as 0.65 GeV².based on the generalized vector dominance model for the Q² dependence and a two component Regge model for the W² dependence.