physics at hera - desy · 2009. 8. 18. · zeus (9407 data): Λ> 3.8 8.9 tev katja krüger physics...

33
Physics at HERA Katja Krüger Kirchhoff-Institut für Physik H1 Collaboration email: [email protected] Summer Student Lectures 10-13 August 2009

Upload: others

Post on 27-Jan-2021

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • Physics at HERA

    Katja Krüger KirchhoffInstitut für Physik

    H1 Collaborationemail: [email protected]

    Summer Student Lectures1013 August 2009

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 2

    Overview Part 3

    ● Polarization– CC and Polarization

    – Proton Spin Measurements by HERMES

    ● Exotics– Model Dependent Searches– Model Independent Searches

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 3

    Polarization

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 4

    Polarization @ HERA

    ● transverse polarization builds up in ~40 minutes through synchrotron radiation (SokolovTernov effect)

    ● spin rotators flip transverse        longitudinal before experiments and back after

    Pe =N RH−N LHN RHN LH

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 5

    Polarization @ HERA

    spin rotator

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 6

    CC & Polarization

    ● CC cross section depends on longitudinal electron/positron polarization Pe 

    ● reason: W boson couples only to lefthanded (LH) particles and righthanded (RH) antiparticles:

    d 2CC±

    dx dQ2Pe ≈ 1±Pe

    GF2

    4 x⋅ MW2MW2 Q2

    2

    ⋅YW 2±

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 7

    CC: Polarization Dependence

    ● Standard Modell expectation:

    ● experimental result: (H1) 

    CC− Pe=1 = 0

    CC Pe=−1 = 0

    CC− 1 =−0.9±2.9stat

    ±1.9syst±1.9pol pb

    CC −1 =−3.9±2.3stat

    ±0.7syst±0.8pol pb

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 8

    Electroweak Parameters: Z0 Couplings

    1 0.5 0 0.5 1

    1

    0.5

    0

    0.5

    1PDF (prel.)uvu ZEUSpola

     total uncert. uncorr. uncert.

     H1 prel. (HERA I+II 9505)

     SM CDF LEP

    1 0.5 0 0.5 1

    1

    0.5

    0

    0.5

    1

    ua

    uv

    68% CL

    ZEUS

    1 0.5 0 0.5 1

    1

    0.5

    0

    0.5

    1PDF (prel.)dvd ZEUSpola

     total uncert. uncorr. uncert.

     H1 prel. (HERA I+II 9505)

     SM CDF LEP

    1 0.5 0 0.5 1

    1

    0.5

    0

    0.5

    1

    da

    dv

    68% CL

    ZEUS

    polarization also allows better sensitivity to vector and axialvector couplings of up and downtype quarks to the Z0

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 9

    The spin of the proton

    ● spin: very important quantity in quantum physics with properties of angular momentum

    ● spin½ paricles (fermions): – fundamental constituents of matter: quarks, leptons

    – proton, neutron

    ● spin½ responsible for stability of matter (Pauliprinciple): „No two spin½ particles can occupy a state where all quantum numbers are identical.“

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 10

    Spin and Magenetic Moment

    slides by K. Rith

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 11

    Constituent Quark Model

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 12

    Quark helicity distributions

     q+(x) = q↑↑  q–(x) = q↑↓

    proton

    quark

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 13

    EMC result of g1(x)

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 14

    Nucleon Spin in QCD

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 15

    Asymmetry A1=g1/F1

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 16

    g1(x)

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 17

    Determination of ∆∑

     ∆∑ = 0.330 ± 0.025 (exp.)                          ± 0.011 (theory)                    ± 0.028 (evol.)  

    most precise determinationcomes from deuteron data

    for comparison:EMC: ∆∑ = 0.12 ± 0.09 ± 0.14

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 18

    Determination of ∆g/g

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 19

    Nucleon Spin

    ● origin still unclear– ∆q cotributes ~1/3

    – ∆g contribution seems to be very small➔ but very low x not yet measured

    ● contribution of orbital angular momentum?➔ Deeply Virtual Compton Scattering,           

    Generalised Parton Distributions

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 20

    Generalised Parton Distributions

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 21

    Transversity

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 22

    Exotics orBeyond the Standard Modell

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 23

    New Particles

    many theories predict more particles than the SM:● SUSY: 

    – every Standard Model particle has a supersymmetric partner

    – fermion partners are bosons, boson partners fermions

    ● leptoquarks– particle with lepton and quark properties

    – can be produced resonantly in ep collisions

    ● ... exited fermions, contact interactions, large extradimensions ...

    but experimentally search also modelindependent!

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 24

    Leptoquarks● can look the same as NC or CC process● MLQ2 = (xP + k)2 = xs● compare measured cross section with 

    SM expectation● derive limits on coupling 

     / GeVLQM50 100 150 200 250 300

    Eve

    nts

     / 20

     GeV

    1

    10

    210

    310

    410

     / GeVLQM50 100 150 200 250 300

    Eve

    nts

     / 20

     GeV

    1

    10

    210

    310

    410

    NC, P=27%H1 data (prelim.)SMSM uncertainty

     / GeVLQM50 100 150 200 250 300

    Eve

    nts

     / 20

     GeV

    1

    10

    210

    310

     / GeVLQM50 100 150 200 250 300

    Eve

    nts

     / 20

     GeV

    1

    10

    210

    310

    CC, P=27%H1 data (prelim.)SMSM uncertainty

    e e,,(µ)

    q q,q'

    LQk

    xP

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 25

    Limits on Leptoquarks

    100 150 200 250 300 350 400

    210

    110

    1

    / GeVLQM

    λ

    d)νu,  (e0,LS

    u)  (e0,RS

    d) (e0,RS~

    d)νu, d, e (e1,LS

    d)νu,  (e0,LS

    u)  (e0,RS

    d) (e0,RS~

    d)νu, d, e (e1,LS

    d)νu,  (e0,LS

    u)  (e0,RS

    d) (e0,RS~

    d)νu, d, e (e1,LS

    d)νu,  (e0,LS

    u)  (e0,RS

    d) (e0,RS~

    d)νu, d, e (e1,LS

    Exclu

    ded 

    at 95

    % C

    .L.

    H1 preliminary

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 26

    SUSY● R parity violation: single SUSY particle can 

    be produced

    ● limits depend on many parameters (masses, couplings)

    ● example: stop 

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 27

    +

    Contact Interactions● New interactions at higher scale (Λ >> √s) can be 

    effectively described at lower energies as 4fermion  eeqq Contact Interactions

    ● Reminder:  before W and Z0 were discovered, weak interactions (Λ M≈ W) were described as 4fermion Contact Interactions with Fermi constant GF=g

    2/M2W➔ Contact Interactions would modify the DIS cross section

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 28

    Contact Interactions

    ● No sign for  Contact Interactions found

    ● masses much larger than √s excludedZEUS (9407 data):ZEUS (9407 data):    ΛΛ> 3.8  8.9 TeV> 3.8  8.9 TeV

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 29

    General Searches

    ● idea: new particles have typically large mass

    ➔ final state should contain particles with large transverse momentum from the decay– jets

    – electrons

    – muons

    – photons

    – neutrinos (missing transverse momentum)

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 30

    General Searches

    every channel in reasonable agreement with the standard model

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 31

    MultiLeptonsin HERA1 a small excess of di and trielectron events at high transverse momenta observed by H1

    combined HERA (H1+ZEUS HERA1&2) data show no significant excess

    first combined paper by ZEUS & H1

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 32

    Isolated Leptons and Missing PT

    ● spectacular events 

    ● excess in HERA1 data at large transverse momenta of the hadronic system (PTX) seen by H1

    e

    X

    Xe

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 33

    Isolated Leptons and Missing PT

    ● no excess in e–  data● e+:H1+ZEUS combined: 

    1.9   excess● H1 alone: 2.4   excess 

    ?