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Physics at HERA Katja Krüger Kirchhoff-Institut für Physik H1 Collaboration email: [email protected] Summer Student Lectures 20 -22 August 2007

Physics at HERA - DESY · 2007. 8. 22. · Physics at HERA Katja Krüger KirchhoffInstitut für Physik H1 Collaboration email: [email protected] Summer Student Lectures 20 22

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  • Physics at HERA

    Katja Krüger KirchhoffInstitut für Physik

    H1 Collaborationemail: [email protected]

    Summer Student Lectures20 22 August 2007

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 2

    Overview Part 2

    ● Reminder● Parton Density Fits ● High Q2 and Electroweak Physics

    – Neutral Current

    – Charged Current

    ● Exotics– Model Dependent Searches

    – Model Independent Searches

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 3

    Reminder: Deep Inelastic Scattering●                                          fourmomentum transfer  

    ●                                          inelasticity                         

    ●                                          parton momentum fraction 

    Q2=−q2=−k−k '2

    y=q⋅Pk⋅P

    kk'

    P

    xP

    q

    F 2 x ,Q2=x∑ eq2 q x q x

    d 2dx dQ2

    =42

    Q41x [1−y y

    2

    2 F2 x ,Q

    2]

    x=Q2

    2 q⋅P=

    Q2

    ys

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 4

    DGLAP Evolution Equations

    ● Q2 dependence of quark densities q(x,Q2)  and gluon density g(x,Q2) is predicted

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 5

    Parton Density FitsDGLAP predicts only Q2 dependence➔ assume parametrisation of the parton density functions 

    (PDFs) as a function of x at a starting scale Q02 (typically 

    around 47 GeV2):                                                                   

    ➔ evolve the PDFs to all measured Q2, calculate F2, and fit 

    the parameters to match the data

    some freedom in the procedure!– how many parameters, which Q0

    2 ?

    – how to combine quark and antiquark densities?

    x q x ,Q02=a x b1−x c [1d x ]

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 6

    Parton Density Fitsquark and antiquark densities:● most general:                        

                             

    ● distinguish valence and sea quarks:                        (some assumptions on decomposition of sea needed)

    ● distinguish uptype and downtype quarks:

    u ,u , d , d ,s ,s ,c ,c ,b ,b

    uv , d v , sea

    U=uc , D=ds b U=uc , D=ds buv=U−U , d v=D−D

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 7

    H1 & ZEUS Parton Densities

    differences:● H1:

    – 10 free parameters

    ● ZEUS:–

    – 11 free parameters

    U ,U , D , D , gx U = a xb 1−x c

    [1d x f x3 ]

    uv , d v , sea , g

    x uv = a xb 1−x c [1d x ]

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 8

    High Q2 & Electroweak Physics

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 9

    More Structure Functions

    d 2NC±

    dx dQ2=

    22

    Q41x

    Y [F 2 x ,Q2 − y2Y F L x ,Q2 ∓ Y−Y x F3 x ,Q2]

    /Z 0

    FL = F

    2 – 2xF

    1  = 0  in the QPM

    F3 :−Z0−interference

    ● FL relevant only at large y

    ● F3 relevant only at large Q2,   

    different sign for e+ and e–

    e e

    p

    Y± = 1±1−y2

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 10

    High Q2 Neutral Current

    ● difference between e+p and e–p only at large                    

    ➔  

    Q2≈M Z2

    −Z 0−interference

    M Z2

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 11

    High Q2 Neutral Current

    =x Q4

    221

    Y

    d 2NC±

    dx dQ2

    e– positive interference

    e+ negative interference

    x F 3∝ x∑ eq2 q−q

    direct handle on valence quark distribution!

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 12

    Charged Current Interactions

    e

    pq

    q'

    e

    neutrino not visiblein detector

             imbalance in transverse plane

    W

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 13

    Charged Current Cross Section

    ● W  bosons couple differently to up and downtype quarks

    ● in the QPM:

    d2CC±

    dx dQ2=

    GF2

    4 x M W2M W2 Q2 2

    Y[W 2± − y2Y W L± ∓ Y−Y x W 3±]

    W 2=xUD , xW 3

    =x D−U

    W 2−=x UD , x W 3

    −=x U−D

    W L±=0

    CC− ∝ x [U 1− y2 D ]

    CC ∝ x [U 1−y2 D ]

    e+

    e–

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 14

    Comparison NC vs. CC● at low Q2: different 

    dependences because of photon in NC

    ● at high Q2: „electroweak unification“                 but:

    ∝1

    Q4

    ∝1

    M W2 Q22

    d2CC±

    dx dQ2≈

    GF2

    4 x⋅ MW2M W2 Q2

    2

    ⋅YW 2±

    d2NC±

    dx dQ2≈

    22

    x⋅

    1Q4

    ⋅Y F 2

    GF≈4

    2 M W2similar because

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 15

    Electroweak Parameters: W  Mass

    ● G = GF              determined by normalization of the CC cross section

    ● Mprop = MW         determined by the Q2  dependence of the CC cross section

    82.87±1.82exp 0.30−0.16model GeV

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 16

    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⋅ MW2M W2 Q2

    2

    ⋅YW 2±

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 17

    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 18

    Polarization @ HERA

    spin rotator

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 19

    eP1 0.5 0 0.5 1

     (p

    b)

    CC

    σ

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120p Scattering±Charged Current e

    Xν→p e

    Xν→p +e

    2 > 400 GeV2Q

      y 

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 20

    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 21

    Exotics orBeyond the Standard Modell

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 22

    New Particles

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

    – every Standard Model particles 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 23

    Leptoquarks

    ● 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

    q q

    LQk

    xP

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 24

    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 25

    SUSY● R parity violation: 

    single SUSY particle can be produced

    ● limits depend on many parameters (masses, couplings)

    ● example: stop 

    ZEUS

    102

    101

    1

    100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300Mstop (GeV)

    λ'13

    1

    Exclud

    ed at 9

    5% CL

    ZEUS (prel.) 9900 e+p

    100 GeV Λ M2 Λ 300 GeV

    300 GeV Λµ Λ 300 GeV

    tanβ=6

    Excluded in part of SUSY parameters

    λ`        131      (APV)

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 26

    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 27

    General Searches

    every channel in reasonable agreement with the standard model

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 28

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

     [GeV]12M0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

    Eve

    nts

    110

    1

    10

    210

    310

     [GeV]12M0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

    Eve

    nts

    110

    1

    10

    210

    310SM

    SM Signal

    Data (prelim.)

    )1p, 0.94 fb±Dielectrons, HERA I+II (e

    HE

    RA

     Exo

    tics 

    Wo

    rkin

    g G

    roup

    2e H1+ZEUS (common phase space)

     [GeV]12M0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

    Eve

    nts

    110

    1

    10

    210

    310

     [GeV]12M0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

    Eve

    nts

    110

    1

    10

    210

    310

    SM

    SM Signal

    Data (prelim.)

    )1p, 0.94 fb±Trielectrons, HERA I+II (e

    HE

    RA

     Exo

    tics 

    Wo

    rkin

    g G

    roup

    3e H1+ZEUS (common phase space)

    HERA2 data show no significant excess

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 29

    Isolated Leptons and Missing PT

    ● spectacular events 

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

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 30

    Isolated Leptons and Missing PT

    ● no excess in e–  data● what about e+?

  • Katja Krüger                                                     Physics @ HERA 31

    Isolated Leptons and Missing PT

    ● H1+ZEUS combined: 1.8     excess● H1 alone: 2.9     excess   

    ?