Studien zur Quantenchromodynamik und Messung der starken Kopplungskonstanten Alpha s bei s = 14 - 44 GeV mit dem JADE-Detektor

Movilla Fernandez, Pedro Antonio; Bethke, Siegfried

doi:24687

Studien zur Quantenchromodynamik und Messung der starken Kopplungskonstanten Alpha s bei s = 14 - 44 GeV mit dem JADE-Detektor

Movilla Fernandez, Pedro Antonio (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Pedro A. Movilla Fernández

ImpressumAachen : Physikal. Inst. RWTH Aachen 2003

UmfangIV, 217 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Bethke, Siegfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-11-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-4836
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/57197/files/Movilla_Fernandez_Pedro.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; JADE (frei) ; Quantenchromodynamik (frei) ; starke Kopplungskonstante (frei) ; Potenzkorrekturen (frei) ; Topologische Observablen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit behandelt die Reanalyse von hadronischen Endzuständen in Daten der e+e- - Annihilation gemessen mit dem JADE-Detektor am Speicherring PETRA (1979-1986). Im Mittelpunkt stehen perturbative und nichtperturbative Aspekte der Quantenchromodynamik (QCD), insbesondere die Messung der Kopplungskonstanten alpha_S der starken Wechselwirkung und die experimentelle Untersuchung von Energiepotenzkorrekturen in Ereignistopologien. Hierzu musste ein Großteil der originalen Detektorsimulation und Offline-Rekonstruktionsanalyse-Software des JADE-Experiments auf heute gängige Rechnerplattformen übertragen und reaktiviert werden. Mit der erfolgreichen Adaption der Programme, die in diversen Tests ihre gute Funktionalität bewiesen haben, ist eine sinnvolle Messung von topologischen Observablen bei allen PETRA-Energien möglich. Es wurden die differenziellen Wirkungsquerschnitte der Variablen Thrust T, Jetmasse M_H, der Jetbreiten B_T und B_W, des C-Parameters und der differenziellen 2-Jet-Rate nach dem Durham-Schema bei Schwerpunktsenergien zwischen sqrt{s}= 14-44GeV bestimmt. Beim Vergleich mit entsprechenden Vorhersagen von diversen phänomenologischen Hadronisierungsmodellen, die mit LEP-Daten an der Z0-Massenskala sqrt{S}=M_Z abgestimmt worden sind, erweist sich das in PYTHIA/JETSET implementierte Partonschauer- und Stringfragmentationsmodell als besonders tauglich zur Beschreibung hadronischer Ereignistopologien bis hinab zu sqrt{S}=14GeV. Hingegen ist die Qualität der Modelle ARIADNE (Farbdipolformalismus) und HERWIG (Clusterfragmentation) moderater, und COJETS (unabhängige Fragmentation) beschreibt die Daten nicht. Offensichtlich ist bei diesen ein Nachjustieren der Modellparameter für kleine Schwerpunktsenergien erforderlich. Aus den Ereignistopologien wurde alpha_S durch Anpassung der bisher vollständigsten perturbativen Rechnungen für die differenziellen Verteilungen der Observablen, eine Kombination von O(alpha_S**2)- mit resummierten Rechnungen vom Typ NLLA, an die Daten extrahiert. Die mit den Hadronisierungsmodellen gefalteten Vorhersagen stimmen größtenteils gut mit den Messverteilungen überein und erlauben ferner eine konsistente Bestimmung von alpha_S bei allen PETRA-Energien. Die Endergebnisse mit Gesamtfehlern, alpha_S(14.0 GeV)= 0.1704+0.0206-0.0171, alpha_S(22.0 GeV)= 0.1513+0.0144-0.0121, alpha_S(34.8 GeV)= 0.1431+0.0118-0.0096, alpha_S(38.3 GeV)= 0.1397+0.0108-0.0087, und alpha_S(43.8 GeV)= 0.1306+0.0096-0.0080, sind erheblich genauer als die früheren PETRA-Messungen und stehen in gutem Einklang mit der theoretischen Vorhersage für alpha_S(sqrt{s}) basierend auf dem derzeitigen Weltmittelwert für alpha_S{M_Z}. Zu den Fehlern tragen Renormierungsskalen- und Hadronisierungsunsicherheiten dominant bei. Mit Hilfe der neuen PETRA-Ergebnisse und der entsprechenden LEP-Resultate bei sqrt{S}>=M_Z kann die QCD-Erwartung für die Energieevolution von alpha_S über einen großen Teil des experimentell erschlossenen e+e--Kontinuums auf Basis einer homogenen Analysetechnik signifikanter als bisher verifiziert werden. Potenzartige Korrekturen 1/sqrt{s} nach einem analytischen Ansatz von Dokshitzer, Marchesini und Webber (DMW) wurden als viel versprechende Alternative zur Beschreibung von nichtperturbativen Einflüssen auf die Ereignistopologie untersucht, da hierbei neben alpha_S nur ein einziger zusätzlicher freier Parameter auftritt, das nullte Moment alpha_0(muI) der physikalischen starken Kopplungskonstanten alpha_S(mu) in der Energieregion mu=0...muI um den Landaupol. Für experimentelle Tests wurden neben den JADE-Daten auch die Messungen anderer Experimente bis sqrt{S}= 189 GeV zurate gezogen. Abgesehen von vereinzelten Defiziten, die bei den weniger inklusiven Variablen (B_W und M_H) insbesondere für kleine Schwerpunktsenergien beobachtet werden, gelingt in der Regel eine respektable Reproduktion des Großteils des Datenspektrums topologischer Observablen. In globalen Anpassungen der Vorhersagen an Verteilungen und Mittelwerte wurden alpha_S und alpha_0 simultan bestimmt und jeweils zu Endresultaten mit Gesamtunsicherheiten, alpha_S(M_Z)= 0.1126+0.0058-0.0048, alpha_0(2 GeV)= 0.542+0.090-0.068 (Verteilungen), alpha_S(M_Z)= 0.1187+0.0031-0.0021, alpha_0(2 GeV)= 0.485+0.066-0.045 (Mittelwerte). kombiniert. Auch die für das DMW-Modell essenzielle Universalität des Parameters alpha_0 ist im Rahmen der systematischen Unsicherheiten experimentell bestätigt worden.

A reanalysis of hadronic final states of e+e- annihilation data collected with the JADE detector at the PETRA storage ring (1979-1986) is presented. This thesis focuses on perturbative and non-perturbative aspects of Quantum Chromodynamics (QCD), in particular measurements of the coupling constant alpha_S of the strong interaction and the experimental investigation of power corrections to event shapes. Major parts of the original detector simulation and offline event reconstruction software (which are partially older than 20 years) were successfully adapted and reactivated on current computer platforms. Due to the good performance of the programs, reasonable measurements of event shape observables are now possible at all PETRA energies. The differential cross sections of the variables thrust T, heavy jet mass M_H, the wide and total jet broadening B_W and B_T, respectively, the C parameter and the differential 2-jet rate in the Durham scheme were determined at centre-of-mass energies sqrt{S}= 14-44GeV. The distributions were compared with the predictions of corresponding phenomenological hadronisation models previously tuned to LEP data at the Z0 mass scale, sqrt{S}=M_Z. The parton shower and string fragmentation model implemented in PYTHIA/JETSET is found to be well capable of describing event shapes of hadronic final states down to sqrt{S}= 14 GeV. The performance of the models ARIADNE (colour dipole scheme) and HERWIG (cluster fragmentation), however, is more moderate, and COJETS (independent fragmentation) is clearly disfavoured by the data. Obviously the model parameters of these generators need a retune at lower centre-of-mass energies. From the measured event shapes, the strong coupling constant alpha_S was extracted by fits of the most complete perturbative calculations for the differential distributions available so far, namely a combination of O(alpha_S**2) and resummed NLLA calculations. The predictions which were folded with the hadronisation models agree well with the data in most cases and allow consistent determinations of alpha_S at all PETRA energies. The final results with total errors, alpha_S(14.0 GeV)= 0.1704+0.0206-0.0171, alpha_S(22.0 GeV)= 0.1513+0.0144-0.0121, alpha_S(34.8 GeV)= 0.1431+0.0118-0.0096, alpha_S(38.3 GeV)= 0.1397+0.0108-0.0087, and alpha_S(43.8 GeV)= 0.1306+0.0096-0.0080, are substantially more precise than former PETRA measurements and are also in good agreement with the theoretical prediction for alpha_S(sqrt{s}) based on the world average value for alpha_S{M_Z}. The errors are dominated by renormalisation scale and hadronisation uncertainties. Using the new PETRA values and corresponding LEP results at sqrt{S}>=M_Z, the QCD expectation for the energy evolution of alpha_S can be verified more significantly on the basis of a homogeneous analysis technique within a wide energy range of the e+e- continuum. Power corrections proportional to 1/sqrt{s} based on an analytical ansatz by Dokshitzer, Marchesini and Webber (DMW) were investigated as a promising alternative approach to describe non-perturbative effects in event shapes. Besides alpha_S, the model depends only on one additional free parameter, the 0'th moment alpha_0(muI) of the physical strong coupling constant alpha_S(mu) in the energy region mu=0...muI around the Landau pole. In addition to the JADE data, also measurements of other experiments up to sqrt{S}= 189 GeV were considered for experimental tests. Except for some discrepancies observed for the less inclusive quantities (B_W and M_H) in particular at lower centre-of-mass energies, the major parts of the overall event shape spectra are reproduced well. From global fits to differential distributions and mean values, the free parameters alpha_S and alpha_0 were simultaneously determined. The combined results (with total errors) are alpha_S(M_Z)= 0.1126+0.0058-0.0048, alpha_0(2 GeV)= 0.542+0.090-0.068 (distributions), alpha_S(M_Z)= 0.1187+0.0031-0.0021, alpha_0(2 GeV)= 0.485+0.066-0.045 (means). Moreover, the predicted universality of alpha_0 which is an essential ingredient of the DMW model has been established experimentally within the systematic uncertainties.

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