A study of QCD processes at low momentum transfer in hadron-hadron collisions

Tano, Valeria; Bethke, Siegfried

doi:253

A study of QCD processes at low momentum transfer in hadron-hadron collisions

Tano, Valeria

2001

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Valeria Tano

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2001

Umfang145 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2001

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bethke, Siegfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2001-11-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2539
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56790/files/Tano_Valeria.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Quantenchromodynamik (frei) ; Hadron-Hadron-Streuung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Dissertation beinhaltet das Studium von weichen Prozessen der Quantenchromodynamik (QCD) (d.h. bei kleinem Impulsübertrag) in hadronischen Beschleunigern. QCD ist die Theorie, die die starke Wechselwirkung von Quarks und Gluonen beschreibt. Protonen bestehen aus Quarks und Gluonen, deshalb kann eine Kollision zwischen ihnen mit einer Kollision zwischen ihren Bestandteilen (Partonen), die nur einen Bruchteil der Energie der ursprünglichen Hadronen tragen, erklärt werden. Meistens finden die Kollisionen bei kleinem Impulsübertrag statt (weiche Streuung), aber nur die seltener auftretenden harten Streuungen (hoher Impulsübertrag) können durch perturbative QCD beschrieben werden. Normalerweise wechselwirken die übriggebliebenen Partonen aus den Hadronen, oder die Partonen können Gluonen abstrahlen, bevor sie kollidieren („Initial State Radiation”). Alle in einer Hadron-Kollision ablaufenden Prozesse außer der harten Wechselwirkung setzen das sogenannte „underlying event” zusammen und müssen subtrahiert werden, um die Vorhersagen der perturbativen QCD prüfen zu können. Prozesse, die für das „underlying event” verantwortlich sind, geschehen normalerweise bei kleinem Impulsübertrag, deshalb können perturbative Rechnungen nicht verwendet werden, und sie müssen durch Modelle ersetzt werden. Zur Zeit ist die Subtraktion des „underlying events” der dominierende Beitrag zum systematischen Fehler der Messung des inklusiven Jet-Wirkungsquerschnitts bei kleinem Impulsübertrag. Die heutige Annahme ist, daß der Energiebeitrag des „underlying events” ähnlich zu der von sogenannten „Minimum-Bias-Ereignissen” ist. Wir haben Daten des CDF-Experiments am Tevatron-Beschleuniger analysiert, die bei zwei verschiedenen Schwerpunktsenergien (1800 und 630 GeV) aufgezeichnet wurden, mit dem Ziel einer Extrapolation zu LHC-Energien. Im LHC („Large Hadron Collider”) kollidieren Protonen mit Protonen bei einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV. Daten vom Kalorimeter und von der Spurkammer wurden analysiert und mit Simulationen von zwei Monte-Carlo-Programmen verglichen. Um das „underlying event” in Jet-Ereignissen zu analysieren, betrachteten wir die Transversalenergie und den Transversalimpuls der Teilchen innerhalb zweier Kegel im Detektor, die vom dem führenden Jet weit entfernt sind. Der Kegel mit der größeren Energie wird Maximum-Kegel, der andere Minimum-Kegel genannt. Der Maximum-Kegel sollte sowohl auf perturbative Korrekturen höherer Ordnung zur harten Streuung als auch auf das „underlying event” sensitiv sein, während der Minimum-Kegel nur auf den „underlying event”-Beitrag sensitiv ist. In Minimum-Bias-Ereignissen benutzen wir einen Zufallskegel im zentralen Teil des Detektors, dessen Energie zur „underlying event”-Energie in Jet-Ereignissen ähnlich sein sollte. Wir beobachten, daß das „underlying event” in einer harten Streuung aktiver als in einer weichen Streuung ist. Normalerweise ist die Energie in einem Kegel in Minimum-Bias-Ereignissen niedriger als die Energie im Minimum-Kegel in Jet-Ereignissen. CDF-Daten und die Simulation haben ein ähnliches Verhalten für die Transversalenergie und für den Transversalimpuls: Die Energie innerhalb des Minimum-Kegels bleibt ungefähr konstant, während die Energie im Maximum-Kegel als Funktion der Transversalenergie des führenden Jets zunimmt. Keines der überprüften Monte-Carlo-Programme reproduziert mit seinen Standardparametern die Daten vom Tevatron in jeder Hinsicht. Schließlich wurden die Messungen zu LHC-Energien hin erweitert. Ein Vergleich der schnellen mit der vollen Simulation des ATLAS-Detektors, eines der Detektoren an LHC, bestätigte die Zuverlässigkeit der schnellen Simulation, die wir daher fuer die folgenden Untersuchungen verwendeten. Wir fanden, daß sich die Impulsverteilung der geladen Teilchen in Minimum-Bias-Ereignissen bei CDF (1800 GeV) und bei ATLAS (14 TeV) nicht wesentlich ändert. Herwig findet ungefähr 70% mehr Energie im Minimum-Kegel als in einem Zufallskegel in Minimum-Bias-Ereignissen. In diesem Fall wird die Entscheidung, ob man die „underlying event”-Energie aus Minimum-Bias- oder aus Jet-Ereignissen extrahiert, bedeutend. Monte-Carlo-Programme sind ein wichtiges Hilfsmittel zum Verstehen der Physik am LHC. Ein gutes Verständnis der Dynamik weicher Streuprozesse ist von extremem Wert, weil am LHC zusätzlich zu jeder interessanten harten Kollision viele weiche Kollisionen überlagert sind.

This PhD thesis concerns the study of QCD soft processes (i.e. involving low transferred momentum) at hadron colliders. QCD (Quantum Chromodynamics) is the theory that describes the strong interactions of quarks and gluons. Since protons consist of quarks and gluons, a collision between them can be explained in terms of a collision between their constituents (partons), which carry only a fraction of the energy of the original hadrons. Most of the times a hadron collision is soft, involving low transferred momentum, but sometimes partons can interact hardly, at large transferred momentum, and their interaction can be described by perturbative QCD. Usually the remnant partons can also interact, or partons can radiate gluons before they collide (initial state radiation). These contributions, which come from sources different from the partons responsible for the hard interaction, designate the underlying event and should be removed in order to test perturbative QCD. The processes involved in the underlying event usually happen at low transferred momentum, therefore perturbative calculation cannot be applied and they have to be described by models. At the moment the underlying event subtraction is the dominant source of systematic error for the inclusive CDF jet cross section at low transverse momentum. The actual assumption is that the underlying event energy is similar to the energy found in soft events (minimum bias events). We examined both jet and minimum bias events using data from the CDF detector at the Tevatron accelerator, in order to test this assumption. We performed investigations at two center of mass energies: 1800 GeV and 630 GeV with the goal of an extrapolation to LHC energies. The LHC (Large Hadron Collider) will collide protons on protons at a center of mass energy of 14 TeV. Data from both calorimeters and tracking chambers were analyzed and compared to simulations from two Monte Carlo programs. In order to study the underlying event in jet events, we considered the transverse energy and momentum of particles inside two cones in the detector far away from the leading jet. The cone with more energy between the two was called max cone, the one with less energy min cone. The max cone should be sensitive to both NLO perturbative corrections to 2 -> 2 hard scattering and underlying event, while the min cone is sensitive only to the underlying event contribution. In minimum bias events, we picked a random cone in the central rapidity region, the energy of which should be similar to the underlying event energy in jet events. We observed that for the same available energy the underlying event in a hard scattering is considerable more active than in a soft collision. Generally, the energy in a cone in minimum bias events is lower than the energy in the min cone in jet events. CDF data and the simulation exhibit a similar behavior for the transverse energy and momentum inside the max and the min cone; the energy in the min cone remains constant, while the energy in the max cone increases as a function of the transverse energy of the most energetic jet in the event. None of the examined Monte Carlo programs with their default parameters, reproduce the data from the Tevatron in every respect. Finally, results were extended to LHC energies, where we first performed a comparison of the fast and full simulation of the ATLAS detector, one of the detectors at LHC. This proved the reliability of the ATLAS fast detector simulation for an investigation of the underlying event in jet events and minimum bias events at LHC energies. We further employed the fast detector simulation and found that the momentum distribution of charged particles in minimum bias events at CDF center of mass energy (1800 GeV) and ATLAS center of mass energy (14 TeV) does not change significantly. From the Herwig simulation, we found about 70% more energy in the min cone in jet events than in a random cone in minimum bias events. In this case, the decision whether to assume the underlying event energy as the energy found in minimum bias events, or to derive it from jet events, would be significant. Monte Carlo programs are an absolutely essential tool to understand the physics at LHC. Indeed, a good understanding of soft dynamics will be of extreme importance, since a large number of soft interactions is expected to be superimposed on any hard event of interest.

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