Die Struktur des Photons
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Die Struktur des Photons Siegen, 29. Juli 2004 Richard Nisius (MPI München) [email protected] Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 2 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Das Photon und seine Geschichte Name Ladung Masse Spin Parität Lebensdauer Geschwindigkeit Kopplungsstärke Natur γ 0 0 JPC = 1−− ∞ c α Welle / Teilchen 8.11.1895 − Röntgen entdeckt die X-Strahlen, erster Nobelpreis für Physik 1901. 1900 − Planck interpretiert Licht durch ’Energiequanten’, E = h ν, mit h = 1.05 · 10−16 eVs. 1905 − Einstein erklärt den Photoeffekt durch ’Photonen’. 1922 − Entdeckung der Comptonstreuung eγ → e0 γ 0 . 1927 − Heisenberg formuliert die Unbestimmtheitsrelation, z.B. ∆p∆x ≥ ~. 1930 − Erster Versuch der Messung der Photon-Photon Streuung von Hughes et al. 1936 − Erste Berechnung der Photon-Photon Streuung durch Euler und Kockel. 1965 − Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung durch Penzias and Wilson. 1981 − Erste Messung der hadronischen Photonstrukturfunktion durch PLUTO. Das Photon hat eine lange, bewegte Geschichte, sowohl als Welle, als auch als Teilchen. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 3 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Die Bestimmung der Ladungsobergrenze Pulsar − Pulsare sind weit von der Erde entfernte Quellen von Photonen. − Falls Photonen eine Ladung haben, so wirkt auf sie die Lorentzkraft und ihre Bahnen im Magnetfeld sind gekrümmt. − Daraus resultiert eine energieabhängige Lauf- Erde zeitvariation von ∆t t = Q2 B2 l 2 . 6E 2 − Aus der beobachteten Dispersion der Photonpulse des Pulsars PSR 1937+21 ergibt sich eine Ladungsobergrenze von Q < 5 · 10−30 Qe , G. Raffelt, Phys. Rev. D50 (1994) 7792. − Das Studium der Plasmabewegungen im Sonnenwind liefert eine Massenobergrenze von mγ < 1.2 · 10−22 me , D.D. Ryutov, Plasma Phys. Control. Fusion 39 (1997) A73. Ein gutes Zusammenspiel von Teilchen und Astroteilchenphysik. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 4 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Das Photon in unserer Welt Beobachtung Photonenergie Kosmische Hintergrundstrahlung meV Molekülrotationen eV Urlaubssonne Atomspektren des Wasserstoffs keV Röntgenstrahlung MeV e+ e− Paarerzeugung GeV ⇒ ⇐ Bremsstrahlung bei LEP TeV Bremsstrahlung bei TESLA Kosmische Strahlung Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 5 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Das Photon im Standardmodell Eichtheorie u c t Kräfte Reaktionen e e stark g γ d s b q q γ e νe νµ ντ µ γ schwach W± Z e γ e e elektrom. Eichbosonen Leptonen Quarks Materie τ Das Photon ist das Eichboson der elektromagnetischen Wechselwirkung. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 6 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Photon-Photon Streuung - anno 1930 und heute e nn t e r So otfil R ⇒ λin = 550 − 30000 nm − Durch Nutzung monochromatischer Laser hoher Leistung sowie der Nachweismöglichkeit weniger Photonen wurde die Sensitivität extrem verbessert. Es wurde kein Signal gesehen, also: Lampe KA θ- @ R @ e nn ter So otfil R σ < 10−13 pb Beobachter 6 Grünfilter λout < 520 nm 0 0 − γ1 (λin )γ2 (λin ) → γ1 (λout )γ2 (λout ) − λout = λin (1 + cos θ) − Es wurde kein Licht beobachtet, also: σ < 3 · 108 pb. Die Struktur des Photons Siegen − Euler & Kockel (1936): Für Eγ = hν me c 2 “ ”6 gilt: σγγ→γγ = 7.3 · 10−30 · hν pb. eV Damit folgt für λ = 400 − 800 nm σγγ→γγ = (1 − 64) · 10−28 pb Es fehlen immer noch 15 Größenordnungen. 29. Juli 2004 Richard Nisius 7 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Warum wir von Photonstruktur sprechen − Die Struktur des Photon ist ein rein quantenmechanischer Effekt. eµτ q eµτ q γ= ρωφ − Wegen der Heisenbergschen Unschärferelation kann das Photon für einen kurzen Zeitraum in einen leptonischen oder hadronischen Zustand (vereinbar mit seinen Quantenzahlen) fluktuieren. − Die typische Lebensdauer ∆ t = 1/∆E dieser Fluktuationen steigt mit der Photonenergie und fällt mit der Photonvirtualität. Messungen zur Photonstruktur bevorzugen quasi-reele, hochenergetische Photonen. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 8 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Tief-inelastische Elektron Photon Streuung e Q 2 = −q 2 0 ⇒ dieses Elektron ist im Detektor sichtbar. e(k) γ ?(q) f xp γ(p) x = Q2 , Q 2 +W 2 y = pq pk f e P 2 = −p 2 ≈ 0 ⇒ dieses Elektron bleibt im Strahlrohr. e − Der differentielle WQS: d2 σ dx dQ 2 ≈ k (x, y, Q 2 )·F2γ (x, Q 2 , P 2 ) γ Die Strukturfunktion F2 parametrisiert die Struktur des Photons. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 9 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Der Large Electron Positron Collider (1989 - 2000): E = 90 − 209 GeV Hadron calorimeters and return yoke Electromagnetic calorimeters Muon detectors Jet chamber Vertex chamber Microvertex detector y e− e+ θ Z chambers ϕ z ? 6 x Presampler Forward detector Silicon tungsten luminometer Solenoid and pressure vessel Time of flight detector Datenstatistik: 160/pb mit E ≈ 90 GeV 700/pb mit E > 160 GeV Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 10 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Zwei Ereignisse Run : even t 5198 : 229277 Da t e 940625 T ime 211645 Ct r k (N= 2 Sump= 7 . 3 ) Eca l (N= 3 SumE= 1 . 4 ) Hca l (N= 4 SumE= 3 . 3 ) Ebeam 45 . 62 Ev i s 10 . 5 Emi ss 80 . 7 V t x ( - 0 . 02 , 0 . 04 , 0 . 47 ) Muon (N= 2 ) Sec V t x (N= 0 ) Fde t (N= 0 SumE= 0 . 0 ) Bz=4 . 029 Bunch l e t 1 / 1 Th r us t =0 . 8469 Ap l an=0 . 0012 Ob l a t =0 . 4878 Sphe r =0 . 4109 Ev en t Run : even t 6422 : 47694 Da t e 950817 T ime 155240 Ct r k (N= 8 Sump= 12 . 4 ) Eca l (N= 19 SumE= 46 . 8 ) Hca l (N= 6 SumE= 3 . 4 ) Ebeam 45 . 64 Ev i s 58 . 0 Emi ss 33 . 3 V t x ( - 0 . 05 , 0 . 11 , 1 . 11 ) Muon (N= 0 ) Sec V t x (N= 0 ) Fde t (N= 0 SumE= 0 . 0 ) Bz=4 . 028 Bunch l e t 3 / 3 Th r us t =0 . 7845 Ap l an=0 . 0006 Ob l a t =0 . 4769 Sphe r =0 . 0370 t y pe b i t s Ev en t 4 Low mu l t p r e s e l 12 Tagged t wo pho t 22 S pho t muon v e t o 32 " Ph y s 1 " s e l e c t i on 1 Z0 t y pe ph y s i c s 4 8 12 13 24 25 26 27 28 30 31 32 1 µ e t y pe b i t s Low mu l t p r e s e l S i ng l pho t p r e s e l Tagged t wo pho t H i gg s h i gh mu l t S pho t EM a s s TOF S pho t EM and TOF S pho t I n - t i me TOF S pho t EM c l u s S pho t H i gh pT t r k S pho t no H+MU v e t l ong - l i v ed de c a y s " Ph y s 1 " s e l e c t i on Z0 t y pe ph y s i c s ? Hadronen - ? e µ e γ → e µ+ µ− 200 . cm. Cen t r e o f s c r een i s ( 0 . 0000 , 0 . 0000 , e γ → e qq̄ 200 . cm. 510 20 50 GeV 0 . 0000 ) Cen t r e o f s c r een i s ( − Eine klare Topologie mit guter Massenauflösung. 0 . 0000 , 0 . 0000 , 510 20 50 GeV 0 . 0000 ) − Das gestreute Elektron ist klar sichtbar. − Der hadronische Endzustand kann teilweise entlang der Strahlachse verschwinden. Der hadronische Endzustand ist wesentlich schwerer zu messen. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 11 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Die Struktur virtueller Photonen ist unterdrückt − Die Messung der Reaktion e γ → e µ+ µ− liefert: µ * γ µ γ µ γ @ µ γ µ @ R @ γ µ γ γ − Für P 2 = 0 ist das Photon reel und F2,QED ist maximal. − Die Vorhersage des Standardmodells ist P 2 = 0.05 GeV2 . γ − Für P 2 0 ist das Photon virtuell und F2,QED ist reduziert. Die Vorhersage wird von den Daten quantitativ bestätigt. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 12 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung F2γ ,udsc / α Die beiden Beiträge zur hadronischen Strukturfunktion F2γ γ − Die partonische Interpretation von F2 Pn γ γ γ F2 (x, Q 2 ) = x kf=1 e2qk (qk + q̄k ) F2γ ,had 1.2 F2γ ,pl 2 2 2 2 2 Q = 0.25, 0.25 GeV 10 GeV 10, 100 GeV 100, 1000 GeV 1 GRV 0.8 0.6 ρωφ 0.4 0.2 0 ? q 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 hadronartig nicht–perturbativ e.g. VMD(ρ, ω, φ) kleines-x q punktartig perturbativ großes-x x Man versucht die zwei Komponenten experimentell zu separieren. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 13 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Die Anpasung der Monte Carlo Modelle 2 HERWIG corrected low Q2 data PHOJET corrected low Q data dσ/dWres dσ/dN [pb/GeV] trk [pb] 25 25 combined data combined data HERWIG+kt PHOJET HERWIG default HERWIG+kt(dyn) 20 20 15 15 − Die Beschreibung des hadronischen Endzustands ist nicht perfekt. − Die LEP Daten liefern konsistente Abweichungen für mehrere Observablen. 10 10 5 5 Ntrk 0 0 2 0 dσ/dWres dσ/dN [pb/GeV] trk [pb] 10 4 5 6 8 10 10 12 14 15 16 20 2 10 10 Phojet 1 1 Wres 18 20 25 Ntrk − Kombination der LEP Daten in LEP WG zur Verringerung der Fehler, z.B.: 1) geladene Multiplizität Ntrk 2) invariante Masse Wres − Adjustieren von Modellparametern in Zusammenarbeit mit den Autoren der Monte Carlo Programme. -1 10 -1 10 -2 10 -2 10 2 0 4 5 6 Die Struktur des Photons 8 10 10 Siegen 12 14 15 16 18 20 20 25 Ntrk Wres [GeV] 29. Juli 2004 Richard Nisius Erfolgreiche Modelloptimierung durch kombinierte LEP Daten. 14 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Die Entfaltung von F2γ aus den Daten Die Aufgabe − Finde die zugrunde liegende Funktion f(x) aus der beobachteten Verteilung: R g det (xvis ) = A(xvis , x) f (x) dx + U(xvis ) Die Lösung − Monte Carlo (MC) Simulation vieler Ereignisse und Entfaltung der Verteilung. − Simulation vieler MC Signalereignisse ⇒ A(xvis , x). − Simulation vieler MC Untergrundereignisse ⇒ U(xvis ). − Integral → Matrixgleichung, löse numerisch (mit Regularisierung), i.e. Anpassung von g̃ det (xvis ,MC) an die Datenverteilung g det (xvis ,Da) durch Variation von f̃ (x) = f (x)·c(x). Das Ergebnis − Die Verteilungen g̃ det (xvis ,MC) und g det (xvis ,Da) sind im Rahmen ihrer Fehler identisch. Die Strukturfunktion ist: Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 γ γ F2 (x, Da)=c(x)·F2 (x, MC) Richard Nisius 15 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung 2 0.4 γ F2 (x,Q ) / α Die Messungen von F2γ bei kleinem x und Q 2 0.3 OPAL L3 0.2 0.1 0 GRV (HO) GRV (LO) QPM Q2 = 1.9 GeV2 10 -3 10 -2 10 -1 1 x γ − Die LEP Daten bestimmen F2 mit etwa 5-20% Genauigkeit. γ − Der vorhergesagte Anstieg von F2 ist sehr moderat. − Das QPM ist viel zu niedrig. − Die QCD Vorhersagen von GRV beschreiben die Messungen. Der kinematische Bereich ist zu klein, um den Anstieg bei kleinem x zu testen. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 16 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung F2γ / α + N*0.6 Die Skalenverletzung der hadronischen Struktur des Photons 7 OPAL L3 DELPHI ALEPH 6 5 JADE PLUTO TASSO AMY TOPAZ TPC − Das Proton ist ein Hadron. GRV (LO) Fit Fit ± σ Q23 < Q22 < Q23 d γ(Q23) u ū u N <x> Die Struktur ist Q 2 abhängig. d Ein Proton 7 0.90 4 3 − Das Photon hat eine hadronartige 6 0.70 5 0.50 ≡ Proton 4 0.35 2 ρωφ 3 0.25 und eine punktartige 2 0.15 1 0 q 1 0.055 6= Proton 0 0.0055 10 -1 1 10 10 2 10 3 Q2 [GeV2] 2003/07/09 Wegen der punktartigen Komponente steigt Die Struktur des Photons q Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius Komponente. γ F2 mit Q 2 für alle Werte von x. 17 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung F2γ (x,Q2)/α Der αs Wert aus Messungen von F2γ 1 0.8 0.6 2 The Full Photon Structure Function at Small Q 12.812 2 2 OPAL/L3 Q = 1.9 GeV NLO DIS __ γ NLO MS LO 2 2 PLUTO Q = 2.4 GeV w/o LEP Data Hadronic Pointlike 2 Average OPAL Q = 3.7 GeV PDG 04 Hadronic Jets e+e- rates 0.4 Photo-production 0.2 0 2 2 2 PLUTO Q = 4.3 GeV 2 L3/TOPAZ Q = 5.0/5.1 2 GeV 0.8 AMY Q = 6.8 GeV Fragmentation 2 Z width 0.6 ep event shapes 0.4 Polarized DIS 0.2 0 2 2 2 OPAL Q = 8.9/9.0 GeV 2 2 PLUTO Q = 9.2 GeV ALEPH Q = 9.9 GeV Deep Inelastic Scattering (DIS) 2 τ decays 0.8 0.6 Spectroscopy (Lattice) 0.4 Υ decay 0.2 0 2 OPAL/L3 Q0= 10.7/10.8 2 DELPHI Q = 12.0 GeV 2 2 2 OPAL Q = 14.5 GeV 2 0.1 GeV 0.8 0.6 0.12 αs(MZ) γ F2 Daten 0.14 αs (M 2 0 ) = 0.1198 ± 0.0054 Z 0.4 0.2 0 -3 10 c 10 -2 10 -1 10 -3 Die Struktur des Photons 10 -2 10 -1 Siegen 10 -3 10 -2 10 -1 29. Juli 2004 1 x S. Albino et al., Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 122004 Richard Nisius 18 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung 2.5 OPAL (0.1 < x < 0.6) γ F2 / α Die Zukunft der Messung der Evolution von F2γ 2.25 2 1.75 1.5 TOPAZ (0.3 < x < 0.8) AMY (0.3 < x < 0.8) ALEPH (0.1 < x < 0.5/6/7) JADE (0.1 < x < 1.0) L3 (0.3 < x < 0.8) DELPHI (0.3 < x < 0.8) PLUTO (0.3 < x < 0.8) TPC (0.3 < x < 0.6) TASSO (0.2 < x < 0.8) GRV LO (0.2 < x < 0.9) LC1 (0.1 < x < 0.6) beschleuniger kann der Bereich GRV LO (0.3 < x < 0.8) LC2 (0.3 < x < 0.8) in Q 2 um einen Faktor 40 erwei- Die Erweiterung der Messung − An einem zukünftigen Linear- GRV LO (0.1 < x < 0.6) 1.25 tert werden. SaS1D (0.1 < x < 0.6) − Bei höchsten Q 2 ist diese QCD HO (0.1 < x < 0.6) 1 ASYM (0.1 < x < 0.6) Vorhersage am verlässlichsten. 0.75 0.5 LC: θ > 25 mrad E > 50 GeV -1 Lint = 20 fb 0.25 0 1 10 10 2 10 10 Der Linearbeschleuniger wird diese QCD Vorhersage sehr genau testen. 4 Q [GeV ] 2 2003/07/09 Die Struktur des Photons 3 Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 2 19 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Zusammenfassung − Das Photon spielt bei vielen Phänomenen in der Natur eine wichtige Rolle. − Unsere Kenntnis über die Eigenschaften des Photons stammen sowohl aus der Astroteilchenphysik als auch der Teilchenphysik. − Die Struktur des Photons entspringt aus Quantenfluktuation und wurde am LEP Beschleuniger im Detail untersucht. − Wie von der Heisenbergschen Unschärferelation vorhergesagt, ist die Struktur virtueller Photonen unterdrückt. − Die punktartige Komponente der hadronischen Struktur des Photons führt (anders als im Fall des Protons) zu einer mit Q 2 ansteigenden Struktur für alle Werte von x. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius 20 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung γ Die Messung des Charm Anteils - F2,c γ Die Messung des Charm Anteils - F2,c hängt von ab, dominiert bei kleinem-x. punktartig: γ fg hadronartig: pQCD Vorhersage, dominiert bei großem-x. 0.3 @ @ Q = 20 GeV @ GRS-LO point-like @ 2 2 R @ γ 2 F2,c(x,Q ) / α @ 0.4 größeres γ fg ? 0.2 OPAL NLO (Laenen et al.) NLO hadron-like LO ³ - ? ³³³ ) ³ 0.1 0 -3 10 10 -2 10 -1 NLO = f(αs ,mc ) perfekte Beschreibung 1 x Auch hier sind noch nicht die Daten aller LEP Experimente ausgewertet. Die Struktur des Photons Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius TitleLocationPage 1 21 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Bestimmung von αs aus F2γ Daten γ How to get αs from F2 Treatment of experimental data: Assumptions made for the fits: • Use correlation matrix if exists • Fixed flavour scheme, uds as active flavours • Treat sys. errors as uncorrelated • Bethe-Heitler charm mc = 1.5 ± 0.1GeV • Neglect • Perform DISγ and MS fits P2 effect and rad. cor. • Symmetrise asymmetric errors • Abandon TPC/2γ data ²¯ 1 Point-like fit: ²¯ 1 p.l.: Q20 = Λ2 , hadron-like ≡ 0 2 full: uds(Q20 ) = N xα (1 − x)β , g(Q20 ) = 0 ±° ²¯ ±° Use data with (x > 0.45, Q2 > 59 GeV2 ) and fit αs ±° αs (M 20 ) = 0.1183 ± 0.0050 (exp.) − 0.0028 (theor.) Z ²¯ Use all data, 5 parameter fit for (N, α, β, αs , Q20 ) 2 Full fit: ±° Die Struktur des Photons + 0.0029 + 0.0034 αs (M 20 ) = 0.1198 ± 0.0028 (exp.) − 0.0046 (theo.) Z Siegen 29. Juli 2004 Richard Nisius TitleLocationPage 1 22 Einleitung QED Struktur Hadronische Struktur Zusammenfassung Comparison of fg/γ from F2γ with the HERA result γ Comparison of fg/γ from F2 with the HERA result The Gluon Density in the Photon 10 2 2 H1 Dijets Q = 74 GeV Consistency check NLO DISγ __ NLO MS γ • Gluon from fit to F2 data is at the LO low end of the H1 result 1 w/o LEP Data • Both the point-like and the hadron-like Hadronic components from the full fit are needed x fg/γ (x,Q2) / α Pointlike to describe the data • The pure point-like result shows the 10 -1 interplay between a longer evolution and non-vanishing PDFs at the starting scale Pure Pointlike 10 -2 0 0.1 0.2 Die Struktur des Photons 0.3 0.4 Siegen 0.5 x 0.6 29. Juli 2004 0.7 0.8 0.9 Richard Nisius 1 Include HERA data in the fit TitleLocationPage 1 23
