Transcript pp - KEK

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HERA/LHC 核子構造
HERA
e
電子
陽子
25/4/2008
p
LHC
陽子
•pp ep 反応
•（超）前方粒子測定（ep）
•核子構造
徳宿 克夫
(KEK, ZEUS)
DESY/HERA
25/4/2008
HERA 1992-2007
HERA:
（27.5GeV electron
920GeVproton）
the world largest electron microscope
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CERN/LHC
Circumference : 27km
1232 superconducting dipoles
with magnetic field B=8.3 T
pp collider √s=14TeV
Design L=1034cm-2s-1 (100fb-1/year)
1033 for the early stage
TOTEM
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Two General purpose Detectors: ATLAS and CSM
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超高エネルギー宇宙線とHERA/LHC
HERA:
27.5GeV e + 920GeV p
陽子の静止系では、電子の
エネルギーは5.4x1013eV
O(10TeV)のガンマ線
e
LHC:
HERA
gp
~ 1017eV
UHECR(1020eV)
->100+100TeV コライダー
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LHC
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週刊プレイボーイ 2008年4月21日号（No16)
今まで40億年UHECRが降り注いでいても、
地球も月も消滅しなかった。
ー＞ 宇宙線の研究者が
Energy Scaleを4桁間違えて
さえいなければ人類は大丈夫
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真面目な議論は CERN yellow report 2003-1
pp interactions
陽子
陽子
elastic scattering
mN
central collision
pp interactions
mN
陽子
mN
single diffractive dissociation
mN
double diffractive dissociation
変数の定義
Rapidity
 E  Pz 

y  ln 
2  E  Pz 
1
Pseudorapidity
Pt
j

   ln  tan




z方向のローレンツ変換で
y -> y+ (constant)
つまり2粒子間のｙの差は
ローレンツ不変

ジェット
粒子の質量が
無視できるところで
（E>>m),
y~
remnant
j


2
ジェット

pp interactions
-9.5
0
ラピディティ
9.5
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mN
single diffractive dissociation
mN
double diffractive dissociation
ギャップ
central collision
どこがエアシャワーに効くのか？
~100MeV/c
hard
soft
pp interactions Pt direction
Pt
どこがエアシャワーに効くのか？
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ATLAS Detector
Length : ~45 m
Height : ~25 m
Weight : ~ 7000 tons
Electronic channels : ~ 108
~ 3000 km of cables
• Inner Tracking (||<2.5, B=2T) :
Silicon pixels and strips
Transition Radiation Detector (+e/ separation)
Solenoid B=2T
• Calorimetry (||<5) :
EM : Pb-LAr with Accordion shape
HAD: Fe/scintillator (central), Cu/W-LAr (fwd)
• Muon Spectrometer (||<2.7) :
Air-core toroids with muon chambers (Trigger + Precise measurements)
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Installation – the years 2003 to 2008
Sep
2007
• All material lowered thru 2
shafts, Ø 12 and 18m
• Heaviest Jun
piece of
equipment:2007
280 t
• ‘Ballet’ of logistics
at the ATLAS site
2006
Aug.
2003
25/4/2008
Dec.
2004
Dec
2005
All calorimeters are installed, and the three LAr cryostats are cold and filled with LAr
End-cap side A in the
extreme open position
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ATLAS Control Room (ACR)
The control room is located on surface.
Cosmic ray commissioning runs are being taken now.
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ATLAS Detector
Length : ~45 m
Height : ~25 m
Weight : ~ 7000 tons
Electronic channels : ~ 108
~ 3000 km of cables
• Inner Tracking (||<2.5, B=2T) :
Silicon pixels and strips
Transition Radiation Detector (+e/ separation)
Solenoid B=2T
• Calorimetry (||<5) :
EM : Pb-LAr with Accordion shape
HAD: Fe/scintillator (central), Cu/W-LAr (fwd)
=5 -> ~0.77 degree
y=5
 (Pz~10GeV Ptmin~130MeV
(y=4.27))
p (Pz~70GeV Ptmin~1GeV)
(あるいはXF=0.1 -> Ptmin=10GeV)
-> ATLASでは、
前方でもハードな
コンポーネントを見る。
• Muon Spectrometer (||<2.7) :
Air-core toroids with muon chambers (Trigger + Precise measurements)
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LHCｆ
pp interactions
ラピディティ
9.5
19
-9.5
0
mN
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ポメロン： 真空の量子数を持つ仮想粒子
aIP= aIP0 + a’t aIP0~ 1.08
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ATLAS/CMS
このパラメータ一つで、
pp、pX断面積、 Mn分布、 t分布などが
記述されてしまう！ -> この点で非常に有効な理論
コライダー実験屋さんにとっては、
ほとんど実粒子のように考えられる。
ー＞ Protonが Pomeronを（ある確率で出して）
それが別なProtonとSoft/Hardに反応する
HERAの結果：Pomeronはほとんどグルーオンでできている
HERAでのFWD物理
ep -> epX
NP B658 (2003)3
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ep -> enX
NP B776 (2007)1
ep Diffraction と pp Diffraction
γ*p
pp
Tevatronでの回折反応での
ジェット生成
断面積は、HERAで決めたPDF
と比べると、
Factor 3~5違う！
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pp cross sections
(Hard interactions)
sbb ~0.1 stot
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中性流反応
荷電流反応
散乱陽電子
陽電子
陽子
ジェット
ジェット
散乱後の陽電子
反電子ニュートリノ
陽子820GeV
陽子820GeV
光子、Z粒子
陽電子
27GeV
Ｗ粒子
クォーク
（u,d,s,c..)
散乱後のクォーク
（ジェット）
ｄ、sクォーク
陽電子
27GeV
ｕ、ｃクォーク
（ジェット）
Deep Inelastic Scattering
y = p.q/p.k Inelasticity
k
27.5GeV
p 920GeV
q
x
photon virtuality
Q2=-q2
x = Q2/2p.q Bjorken x
k’
e
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Q2
g
remnant jet
s=Q2xy
2 つの独立変数
p
W
current jet
Y ± = (1 ± ( 1 - y ) )
2
FL : Longitudinal Str. Ft. (0 in QPM)
F3 : Small at Q2 << Mz2
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F2 =
∑e
2
f
xq f ( x , Q )
qf ( x , Q ) :
2
2
quark distribution function
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Kinematical region for HERA structure function measurements
•2 order higher
region in Q2,
•2 order lower
region in x
•Wide (O(106)) span
in Q2:
Precise measurements
for Q2 evolution
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pQCD view of F2
F2 =
∑e
f
PDF depends on Q2
2
xq f ( x , Q )
2
DGLAP evolution （Dokshitzer, Gribov, Lipatov, Altarelli, Parisi）
dF 2
d ln Q
2


q
a s (Q )
2
2
eq
2
1

dy
x
y
P
2
2








x
y

q
y
,
Q

P
x
y

g
y
,
Q
qq
qg
splitting function (known from pQCD)
Q2→larger：
high-x q and g are split into
low x q and g.
Pqq  x y 
y
F2
~e2(q+q)
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x
x
(y-x)
Pqg  x y 
y
x
(y-x)
F2 Structure Function： HERAの結果
• Xが小さくなるにつれてF2は急激
に大きくなる。
– Soft ‘sea’ of quarks in the proton
• Q2 が大きくなるにつれて、傾き
は急激になる。
• Q2>数GeV2なら
pQCD（DGLAP）で非常によく
フィットできる。
( <-> Saturation,)
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PDFs obtained from the fits
Gluon uncertainty
~100GeV Higgs
@LHC
•As seen in the F2 rise at low-x,
many sea quarks.
•Gluons are dominant at low-x
•Gluon density is determined at
~ 5% level, in the “LHC-Higgs”
region.
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H1/ZEUS comparison:
Reasonable agreement between the
experiment
The main difference comes from
•Initial Parameter
•Handling of sys. errors
•Selection of low energy
experiments
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Gluon/Sea quark 分布
CTEQ3L :
HERAの初期データ
ATLASのmuonの
トリガーレート見積もり
CTEQ3 -> CTEQ６
で
b-> mu 3倍
c-> mu 7倍
増加
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HERA, LHC, EHE-CR
HERAで決めたパートン分布がどれ
だけLHCでの分布を予測できるか?
Q2 で O(103)の拡張：
pQCD (DGLAP) のテスト
High Q2 は1033年プロジェクト
EHE-CR
1020eV
EHE-CRの観測領域と
の関係は？
Q2~ Mw2
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Total Cross Section
にはLow-xが効く：
→非常に Low-x
は、HERAやLHC
でもデータがない領域
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F2と光子の断面積
2
s total (W , Q )  s L  s T 

W

2
Q
2
2
4 a
Q
2
F2 x , Q
2

1x 

x 
σtot(γp)
Precise F2 determination
( 1996-97 data samples)
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W or γ*p-CM energy
UHE nN cross section
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F2の増加がこのまま続けば、 nN断面積
は、エネルギーとともに上がっていく。
1996年SF + LO (Gandhi et al)
s n N ≈ 5.53 (E n / GeV
)
0.363
pb
2000年ZEUS QCD fit
s n N ≈ 6.04 ± 0.40
(E
n
/ GeV
)
0.358 ± 0.005
pb
Anchordoqui, Cooper-Sarker,
Hooper, Sarker PRL D74
(2006) 043008
•最近のPDFでも以前の見積もりと
あまり変わらない。
•ただし、saturationがあると
Cross Sectionは頭打ちになる。
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•どこでSaturationが起こるかは
HERAのデータからはわからない。
Impact of CTEQ6.5M,S,C PDF’s on stot’s at LHC
Flavour composition of proton
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CTEQ 6.1 -> 6.5:
チャームの質量の取り扱いの変更：
+
→ Gluon に影響 → Sea quarkに
影響。
LHCでのW-production の予測が変わる。
Useful general results: LHC Luminosities
Yuan: EW-5
Wu-Ki Tung @ DIS2007
Cteq6.5 err. band
Cteq6.1 err. band
MW
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MZ
D ~7%,
(outside error band)
LHCでのW生成
断面積はU/Dbar
クォークの分布を
決めるのに貢献
まとめ
•
•
HERAでの断面積測定は、これまでのQ2 と xの領域を 2桁拡張した。
陽子の方向の超前方の（バリオン）スペクトルが測定できている。
単純なHard Process MCでは（当然）記述できていない。
Pomeron/Reggeon Exchange 等で大体説明できる。 （E – 依存性等が本当に正し
くて、UHECRまで拡張できるかは、（実験屋としては）自身がない。 HERA-Tevatron-LHC
の比較が重要
•
F2
–
–
–
–
測定と PDFの決定
Low-xでF2が急激に大きくなっていくことがわかった
pQCD (DGLAP)はHERAのデータを非常によくFitできる。（ Q2= 1 ~ 10000 GeV2 ）
陽子内のGluon分布がよく求まった。
PDFの理解の深化： エラーバンドつきPDF, αs依存性つきPDF
とはいえ、Global Fitから求めたPDFにはパラメータ依存性もあることには注意。フレー
バー毎のPDFは、まだまだ実験のConstraintは足りない。 （今後のフレーバー依存性
のある測定（LHC, など）に期待。
UHE-CR領域は未知数。HERAのデータからは（High-Q2) Low-xではSaturationが起
こっていないとしてConsistent。どこかでSaturationが起こるはずであるが、誰にもわ
からない。UHE-CRが最初の証拠を示せるかもしれない。
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