Die Struktur des Photons

Werbung
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
Herunterladen