Transverse target single-spin asymmetry in inclusive electroproduction of charged pions and kaons

Single-spin asymmetries were investigated in inclusive electroproduction of charged pions and kaons from transversely polarized protons at the HERMES experiment. The asymmetries were studied as a function of the azimuthal angle psi about the beam direction between the target-spin direction and the hadron production plane, the transverse hadron momentum P-T relative to the direction of the incident beam, and the Feynman variable x(F). The sin psi* amplitudes are positive for pi(+) and K+ slightly negative for pi(-) and consistent with zero for K-, with particular P-T but weak x(F) dependences. Especially large asymmetries are observed for two small subsamples of events, where also the scattered electron was recorded by the spectrometer. (C) 2013 The Authors. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

eta photoproduction on the proton in a chiral constituent quark approach via a one-gluon-exchange model

A formalism based on a chiral quark model (chi QM) approach complemented with a one-gluon-exchange model, to take into account the breakdown of the SU(6)circle times O(3) symmetry, is presented. The configuration mixing of wave functions for nucleon and resonances are derived. With few adjustable parameters, differential cross-section and polarized-beam asymmetry for the gamma p -> eta p process are calculated and successfully compared with the data in the center-of-mass energy range from threshold to 2 GeV. The known resonances S-11(1535), S-11(1650), P-13(1720), D-13(1520), and F-15(1680), as well as two new S-11 and D-15 resonances, are found to be dominant in the reaction mechanism. Moreover, connections among the scattering amplitudes of the chi QM approach and the helicity amplitudes, as well as decay widths of resonances, are established. Possible contributions from the so-called missing resonances are investigated and found to be negligible.

Fast simulation of the forward tracking detector of HPLUS

The necessity of installing a forward tracking detector stack is discussed for the Hadron Physics LanzhoU Spectrometer(HPLUS). A local tracker is developed to solve the multi-track finding problem. The track candidates are searched iteratively via Hough Transform. The fake tracks are removed by a least square fitting process. With this tracker we have studied the feasibility of pp -> pp + phi(-> K+K-), a typical physical channel proposed on HPLUS. The single track momentum resolution due to the uncertainty of the positioning in FTD is 1.3%. The multiple scattering effect contributes about 20% to the momentum resolution in the FTD coverage. The width and the signal-to-background ratio of the reconstructed phi are 1.51 MeV and 4.36, respectively, taking into account the direct Kaon channel pp -> pp + K+K- as background. The geometry coverage of FTD for phi events is about 85.4%. Based on the current fast simulation and estimation, the geometrical configuration of FTD meets the physical requirement of HPLUS under the current luminosity and multiplicity conditions. The tracker is applicable in the full simulation coming next and is extendable to other tracking component of HPLUS.

GLUON SATURATION AND THE FROISSART BOUND: A SIMPLE APPROACH

At very high energies we expect that the hadronic cross sections satisfy the Froissart bound, which is a well-established property of the strong interactions. In this energy regime we also expect the formation of the Color Glass Condensate, characterized by gluon saturation and a typical momentum scale: the saturation scale Q(s). In this paper we show that if a saturation window exists between the nonperturbative and perturbative regimes of Quantum Chromodynamics (QCD), the total cross sections satisfy the Froissart bound. Furthermore, we show that our approach allows us to described the high energy experimental data on pp/p (p) over bar total cross sections.

Effect of bound nucleon internal structure change on nuclear structure functions

Effect of bound nucleon internal structure change on nuclear structure functions is investigated based on local quark-hadron duality. The bound nucleon structure functions calculated for charged-lepton and (anti)neutrino scattering are all enhanced in symmetric nuclear matter at large Bjorken-x (x greater than or similar to 0.85) relative to those in a free nucleon. This implies that a part of the enhancement observed in the nuclear structure function F-2 (in the resonance region) at large Bjorken-x (the EMC effect) is due to the effect of the bound nucleon internal structure change. However, the x dependence for the charged-lepton and (anti)neutrino scattering is different. The former (latter) is enhanced (quenched) in the region 0.8 less than or similar to x less than or similar to 0.9 (0.7 less than or similar to x less than or similar to 0.85) due to the difference of the contribution from axial vector forrn factor. Because of these differences charge symmetry breaking in parton distributions will be enhanced in nuclei. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Phenomenological tests for the freezing of the QCD running coupling constant

We discuss phenomenological tests for the frozen infrared behavior of the running coupling constant and gluon propagators found in some solutions of Schwinger-Dyson equations of the gluonic sector of QCD. We verify that several observables can be used in order to select the different expressions of αs found in the literature. We test the effect of the nonperturbative coupling in the τ-lepton decay rate into nonstrange hadrons, in the ρ vector meson helicity density matrix that are produced in the χc2 → ρρ decay, in the photon to pion transition form factor, and compute the cross-sections for elastic proton-proton scattering and exclusive ρ production in deep inelastic scattering. These quantities depend on the infrared behavior of the coupling constant at different levels, we discuss the reasons for this dependence and argue that the existent and future data can be used to test the approximations performed to solve the Schwinger-Dyson equations and they already seem to select one specific infrared behavior of the coupling.

The interaction of D mesons and nucleons at finite density

We present results on the the influence of changes in the masses and sizes of D mesons and nucleons on elastic DN scattering cross sections and phase shifts in a hadronic medium composed of confined quarks in nucleons. We evaluate the changes of the hadronic masses due to changes of the light constituent quarks at finite baryon density using a chiral quark model based on Coulomb gauge QCD. The model contains a confining Coulomb potential and a transverse hyperfine interaction consistent with a finite gluon propagator in the infrared. We present results for the total cross section and the s-wave phase shift at low energies for isospin I=1-for I=0 and other partial waves the results are similar.

Limite de acoplamento forte da QCD e a interação méson-méson

Pós-graduação em Física - IFT

Measurement of the proton-air cross section at root s=57 TeV with the Pierre Auger Observatory

We report a measurement of the proton-air cross section for particle production at the center-of-mass energy per nucleon of 57 TeV. This is derived from the distribution of the depths of shower maxima observed with the Pierre Auger Observatory: systematic uncertainties are studied in detail. Analyzing the tail of the distribution of the shower maxima, a proton-air cross section of [505 +/- 22(stat)(-36)(+28)(syst)] mb is found.

Stopping power and depth dose profile of H+ and He+ ion beams in hydroxyapatite thin films.

Hadron therapy is a promising technique to treat deep-seated tumors. For an accurate treatment planning, the energy deposition in the soft and hard human tissue must be well known. Water has been usually employed as a phantom of soft tissues, but other biomaterials, such as hydroxyapatite (HAp), used as bone substitute, are also relevant as a phantom for hard tissues. The stopping power of HAp for H+ and He+ beams has been studied experimentally and theoretically. The measurements have been done using the Rutherford backscattering technique in an energy range of 450-2000 keV for H+ and of 400-5000 keV for He+ projectiles. The theoretical calculations are based in the dielectric formulation together with the MELF-GOS (Mermin Energy-Loss Function – Generalized Oscillator Strengths) method [1] to describe the target excitation spectrum. A quite good agreement between the experimental data and the theoretical results has been found. The depth dose profile of H+ and He+ ion beams in HAp has been simulated by the SEICS (Simulation of Energetic Ions and Clusters through Solids) code [2], which incorporates the electronic stopping force due to the energy loss by collisions with the target electrons, including fluctuations due to the energy-loss straggling, the multiple elastic scattering with the target nuclei, with their corresponding nuclear energy loss, and the dynamical charge-exchange processes in the projectile charge state. The energy deposition by H+ and He+ as a function of the depth are compared, at several projectile energies, for HAp and liquid water, showing important differences.

Die Messung der Gluonpolarisation durch die Produktion von Hadronpaaren mit großen Transversalimpulsen in tiefinelastischer Myonstreuung am Nukleon

Am COMPASS-Experiment am CERN-SPS wird die Spinsstruktur des Nukleons mit Hilfe der Streuung von polarisierten Myonen an polarisierten Nukleonen untersucht. Der in der inklusiven tiefinelastischen Streuung gemessene Beitrag der Quarks zum Nukleonspin reicht nicht aus, um den Spin des Nukleons zu erklären. Daher soll geklärt werden, wie die Gluonpolarisation und die Bahndrehimpulse von Quarks und Gluonen zum Gesamtspin des Nukleons beitragen. Da sich die Gluonpolarisation aus der $Q^{2}$-Abhängigkeit der Asymmetrien in der inklusiven Streuung nur abschätzen lässt, wird eine direkte Messung der Gluonpolarisation benötigt. Die COMPASS-Kollaboration bestimmt daher die Wirkungsquerschnittsasymmetrien für Photon-Gluon-Fusionprozesse, indem sie zum einen die offene Charmproduktion und zum anderen die Produktion von Hadronpaaren mit großen Transversalimpulsen verwendet. In dieser Arbeit wird die Messung der Gluonpolarisation mit den COMPASS-Daten der Jahre 2003 und 2004 vorgestellt. Für die Analyse werden die Ereignisse mit großem Impulsübertrag ($Q^{2}>1$ $GeV^{2}/c^{2}$) und mit Hadronpaaren mit großem Transversalimpuls ($p_{perp}>0.7$ $GeV/c$) verwendet. Die Photon-Nukleon-Asymmetrie wurde aus dem gewichteten Doppelverhältnis der selektierten Ereignisse bestimmt. Der Schnitt auf $p_{perp}>0.7$rn$GeV/c$ unterdrückt die Prozesse führender Ordnung und QCD-Compton Prozesse, so dass die Asymmetrie direkt mit der Gluonpolarisation über die Analysierstärke verknüpft ist. Der gemessene Wert ist sehr klein und verträglich mit einer verschwindenden Gluonpolarisation. Zur Vermeidung von falschen Asymmetrien aufgrund der Änderung der Detektorakzeptanz wurden Doppelverhältnisse untersucht, bei denen sich der Wirkungsquerschnitt aufhebt und nur die Detektorasymmetrien übrig bleiben. Es konnte gezeigt werden, dass das COMPASS-Spektrometer keine signifikante Zeitabhängigkeit aufweist. Für die Berechnung der Analysierstärke wurden Monte Carlo Ereignisse mit Hilfe des LEPTO-Generators und des COMGeant Software Paketes erzeugt. Dabei ist eine gute Beschreibung der Daten durch das Monte Carlo sehr wichtig. Dafür wurden zur Verbesserung der Beschreibung JETSET Parameter optimiert. Es ergab sich ein Wert von rn$frac{Delta G}{G}=0.054pm0.145_{(stat)}pm0.131_{(sys)}pm0.04_{(MC)}$ bei einem mittleren Impulsbruchteil von $langle x_{gluon}rangle=0.1$ und $langle Q^{2}rangle=1.9$ $GeV^{2}/c^{2}$. Dieses Ergebnis deutet auf eine sehr kleine Gluonpolarisation hin und steht im Einklang mit den Ergebnissen anderer Methoden, wie offene Charmproduktion und mit den Ergebnissen, die am doppelt polarisierten RHIC Collider am BNL erzielt wurden.

Untergrundstudien zur Messung der Strangeness-Vektorformfaktoren des Protons durch paritätsverletzende Elektronenstreuung unter Rückwärtswinkeln

Im Rahmen des A4-Experiments werden die Beiträge des Strange-Quarks zu den elektromagnetischen Formfaktoren des Protons gemessen. Solche Seequarkeffekte bei Niederenergieobservablen sind für das Verständnis der Hadronenstruktur wichtig, denn sie stellen eine direkte Manifestation der QCD-Freiheitsgrade im nichtperturbativen Bereich dar.rnrnLinearkombinationen der Strangeness-Vektorformfaktoren des Protons $G_E^s$ und $G_M^s$ sind experimentell über die Messung der paritätsverletzenden Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung longitudinal polarisierter Elektronen an unpolarisierten Nukleonen zugänglich. Vor dieser Arbeit hatte die A4-Kollaboration zwei solche Messungen unter Vorwärtsstreuwinkeln bei den Viererimpulsübertägen $Q^2$ von jeweils 0.23 und 0.10 (GeV/c)$^2$ veröffentlicht. Um die Separation von $G_E^s$ und $G_M^s$ beim höheren $Q^2$-Wert zu erhalten, wurde eine Messung unter Rückwärtswinkeln mit der Strahlenergie von 315 MeV durchgeführt.rnrnIm A4-Experiment werden die an einem Flüssigwasserstoff-Target gestreuten Elektronen eines longitudinal polarisierten Strahls mit einem Cherenkov-Kalorimeter einzeln gezählt. Durch die kalorimetrische Energiemessung erfolgt die Trennung der elastischen von den inelastischen Ereignissen. Bei Rückwärtswinkeln wurde dieses Apparat mit einem Szintillator als Elektronentagger erweitert, um den $\gamma$-Untergrund aus dem $\pi^0$-Zerfall zu unterdrücken.rnrnUm die Auswertung dieser Messung zu ermöglichen, wurden im Rahmen dieser Arbeit die gemessenen Energiespektren anhand von ausführlichen Simulationen der Streuprozesse und des Antwortverhaltens der Detektoren untersucht, und eine Methode zur Behandlung des restlichen Untergrunds aus der $\gamma$-Konversionrnvor dem Szintillator entwickelt. Die Simulationergebnisse sind auf dem 5%-Niveau mit den Messungen verträglich, und es wurde bewiesen, dass die Methode der Untergrundbehandlung anwendbar ist.rnrnDie Asymmetriemessung bei Rückwärtswinkeln, die man nach Anwendung der hier erarbeiteten Untergrundbehandlung erhält, wurde für die Separation von $G_E^s$ und $G_M^s$ bei $Q^2$=0.22 (GeV/c)^2 mit der Vorwärtswinkelmessung beim selbenrn$Q^2$ kombiniert. Es ergeben sich die Werte:rnrn$G_M^s$= -0.14 ± 0.11_{exp} ± 0.11_{theo} undrn$G_E^s$= 0.050 ± 0.038_{exp} ± 0.019_{theo}, rnrnwobei die systematische Unsicherheit wegen der Untergrundbehandlung im experimentellen Fehler enthalten ist. Am Ende der Arbeit werden die aus diesen Resultaten folgenden Rückschlüsse auf den Einfluss der Strangeness auf die statischen elektromagnetischen Eigenschaften des Protons diskutiert.rn

Efficient calculation of gluon amplitudes with n legs and an implementation of parton showers using the dipole formalism

The conventional way to calculate hard scattering processes in perturbation theory using Feynman diagrams is not efficient enough to calculate all necessary processes - for example for the Large Hadron Collider - to a sufficient precision. Two alternatives to order-by-order calculations are studied in this thesis.rnrnIn the first part we compare the numerical implementations of four different recursive methods for the efficient computation of Born gluon amplitudes: Berends-Giele recurrence relations and recursive calculations with scalar diagrams, with maximal helicity violating vertices and with shifted momenta. From the four methods considered, the Berends-Giele method performs best, if the number of external partons is eight or bigger. However, for less than eight external partons, the recursion relation with shifted momenta offers the best performance. When investigating the numerical stability and accuracy, we found that all methods give satisfactory results.rnrnIn the second part of this thesis we present an implementation of a parton shower algorithm based on the dipole formalism. The formalism treats initial- and final-state partons on the same footing. The shower algorithm can be used for hadron colliders and electron-positron colliders. Also massive partons in the final state were included in the shower algorithm. Finally, we studied numerical results for an electron-positron collider, the Tevatron and the Large Hadron Collider.

Measurement of the $B^0$ - $\bar{B}^0$ and $B^0_s$ - $\bar{B}^0_s$ production asymmetries in pp collisions at $\sqrt{s}=7$ TeV and $\sqrt{s}=8$ TeV with the LHCb experiment

The production rate of $b$ and $\bar{b}$ hadrons in $pp$ collisions are not expected to be strictly identical, due to imbalance between quarks and anti-quarks in the initial state. This phenomenon can be naively related to the fact that the $\bar{b}$ quark produced in the hard scattering might combine with a $u$ or $d$ valence quark from the colliding protons, whereas the same cannot happen for a $b$ quark. This thesis presents the analysis performed to determine the production asymmetries of $B^0$ and $B^0_s$. The analysis relies on data samples collected by the LHCb detector at the Large Hadron Collider (LHC) during the 2011 and 2012 data takings at two different values of the centre of mass energy $\sqrt{s}=7$ TeV and at $\sqrt{s}=8$ TeV, corresponding respectively to an integrated luminosity of 1 fb$^{-1}$ and of 2 fb$^{-1}$. The production asymmetry is one of the key ingredients to perform measurements of $CP$ violation in b-hadron decays at the LHC, since $CP$ asymmetries must be disentangled from other sources. The measurements of the production asymmetries are performed in bins of $p_\mathrm{T}$ and $\eta$ of the $B$-meson. The values of the production asymmetries, integrated in the ranges $4 < p_\mathrm{T} < 30$ GeV/c and $2.5<\eta<4.5$, are determined to be: \begin{equation} A_\mathrm{P}(\B^0)= (-1.00\pm0.48\pm0.29)\%,\nonumber \end{equation} \begin{equation} A_\mathrm{P}(\B^0_s)= (\phantom{-}1.09\pm2.61\pm0.61)\%,\nonumber \end{equation} where the first uncertainty is statistical and the second is systematic. The measurement of $A_\mathrm{P}(B^0)$ is performed using the full statistics collected by LHCb so far, corresponding to an integrated luminosity of 3 fb$^{-1}$, while the measurement of $A_\mathrm{P}(B^0_s)$ is realized with the first 1 fb$^{-1}$, leaving room for improvement. No clear evidence of dependences on the values of $p_\mathrm{T}$ and $\eta$ is observed. The results presented in this thesis are the most precise measurements available up to date.

Probing quantum chromodynamics with the ATLAS detector : charged-particle event shape variables and the dijet cross-section

Die Quantenchromodynamik ist die zugrundeliegende Theorie der starken Wechselwirkung und kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden. Harte Streuprozesse, wie zum Beispiel die Zwei-Jet-Produktion bei hohen invarianten Massen, können störungstheoretisch behandelt und berechnet werden. Bei Streuprozessen mit niedrigen Impulsüberträgen hingegen ist die Störungstheorie nicht mehr anwendbar und phänemenologische Modelle werden für Vorhersagen benutzt. Das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider am CERN ermöglicht es, QCD Prozesse bei hohen sowie niedrigen Impulsüberträgen zu untersuchen. In dieser Arbeit werden zwei Analysen vorgestellt, die jeweils ihren Schwerpunkt auf einen der beiden Regime der QCD legen:rnDie Messung von Ereignisformvariablen bei inelastischen Proton--Proton Ereignissen bei einer Schwerpunktsenergie von $sqrt{s} = unit{7}{TeV}$ misst den transversalen Energiefluss in hadronischen Ereignissen. rnDie Messung des zweifachdifferentiellen Zwei-Jet-Wirkungsquerschnittes als Funktion der invarianten Masse sowie der Rapiditätsdifferenz der beiden Jets mit den höchsten Transversalimpulsen kann genutzt werden um Theorievorhersagen zu überprüfen. Proton--Proton Kollisionen bei $sqrt{s} = unit{8}{TeV}$, welche während der Datennahme im Jahr 2012 aufgezeichnet wurden, entsprechend einer integrierten Luminosität von $unit{20.3}{fb^{-1}}$, wurden analysiert.rn