Processos eletrofracos de corrente carregada em altas energias (*) Mairon Melo Machado Orientadora: Maria Beatriz Gay Ducati Co-orientador: Magno V. T. Machado (UNIPAMPA) IF – UFRGS www.if.ufrgs.br/gfpae 04/05/2007 Dissertação de Mestrado (*) CNPq

Tópicos Produção difrativa Funções de estrutura Espalhamento difrativo Processos eletrofracos de corrente carregada (interação através do W e produção de W) Funções de estrutura Produção difrativa Espalhamento difrativo Modelo de Ingelman-Schlein Correções de múltiplos Pomerons (GSP) (DGM e KMR) Resultados Espalhamento profundamente inelástico Cromodinâmica quântica Modelo de dipolos Resultados Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS -04/05/2007

FUNÇÕES DE ESTRUTURA Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Motivações Espalhamento neutrino-nucleon Estudar as funções de estrutura, as quais determinam as distribuições de quarks de mar, valência e glúons nos nucleons Comparação entre dados e fenomenologia investiga a universalidade das distribuições partônicas Importante papel nos estudos de raios cósmicos de altas energias em astropartículas Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Espalhamento Profundamente Inelástico (DIS) Cinemática Energia do fóton virtual Massa invariante total Variável de Bjorken Virtualidade Inelasticidade Energia de centro de momentum Variáveis de Mandelstam Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007 Mairon Machado

Cromodinâmica Quântica (QCD) Dinâmica de quarks e glúons (interações fortes) Carga de cor Quarks spin = ½ 0 Sabor Massa GeV/c2 Carga u up 0.003 2/3 d down 0.006 -1/3 c charm 1.3 s strange 0.1 t top 175 b bottom 4.8 Glúons Quarks Tensor intensidade Índice de cor indicando o número de glúons, fabc são as constantes de estrutura e Nc é o número de cores Confinamento em baixas energias Liberdade assintótica em altas energias Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Pártons Nucleons são compostos por pártons Nucleons compostos por três quarks chamados quarks de valência Resultados experimentais mostram que parte do momentum total do nucleon é portada pelos quarks Momentum faltante atribuído aos glúons Responsáveis pela ligação dos quarks Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Distribuições de quarks Glúons emitem um par quark-antiquark, alterando o conteúdo de quarks no nucleon Quarks gerados por esta emissão são chamados quarks de mar Conteúdo de quarks é determinada pela soma de quarks de valência e quarks de mar Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Saturação Partônica Limite de Froissart Distribuições partônicas apresentam crescimento na região de altas energias (pequeno x) Escala de saturação Qs depende da função de distribuição de glúons xG (x,q2) Efeitos de recombinação devem ser considerados (GLR, AGL) Saturação partônica Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Interações do neutrino Z0 Corrente Neutra (NC); W+, W- Corrente Carregada (CC) ( + ) para spin e momentum linear paralelos e mesmo sentido (R) ( - ) para spin e momentum linear paralelos e sentido oposto (L) helicidade 1) Termo dominante na reação NC é a fusão Z0-glúon enquanto em espalhamento CC é a fusão W+, W- -glúon 2) Altas energias produção de quarks pesados (charm e strange) 3) Possível de ser calculado pelo formalismo de dipolos Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Espalhamento neutrino-nucleon Seção de choque em termos das funções de distribuição é a constante de Fermi, mN é a massa do nucleon, Ev é a energia do neutrino e y é a energia transferida Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Dipolos em interação neutrino-próton  sendo a função de onda do estado quark-antiquark z é a fração do momentum do quark e (1-z) a fração de momentum do antiquark 1 e 2 são as helicidades dos quarks (1/2 ou -1/2) r é o tamanho transverso do dipolo dip é parametrizada pelos experimentos . Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Funções de estrutura Função de estrutura para bósons W+(W-) polarizados transversalmente ou longitudinalmente K0,1 são as funções de McDonald mq (mq) são as massas dos quarks (antiquarks) Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Seção de choque de dipolos Modelos fenomenológicos descrevendo dados de DESY-HERA Golec-Biernat-Wusthoff (GBW) Iancu-Itakura-Munier (IIM) Parâmetros ajustados através de uma comparação com os dados , 0 = 23 mb,  ~ 0.288, x0 ~ 3.10-4 m, mf = 0.14 GeV , s = 0.63 dimensão anômala, a e b são constantes Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Função de estrutura F2N M. M.Machado, M. B. Gay Ducati, M. V. T. Machado PLB 644 (2007) 340 Consistente descrição para x < 0.0175 sem ajuste aos parâmetros do modelo Contribuição de quarks de mar. Quarks de valência não estão incluídos * Dados da Colaboração CCFR (PRL 79 - 1213 - 1997) Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Função de estrutura xF3N PLB 644 (2007) 340 Em termos de L e R Extração de dados considera nucleon isoescalar (somente distribuição de valência é medida) Total = valência + mar Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Função de estrutura 2xF1N * Dados da Colaboração CCFR (PRL 86 – 251802 - 1997) Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

A função xF3 Essa diferença determina a densidade de mar PLB 644 (2007) 340 Essa diferença determina a densidade de mar Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Produção difrativa Funções de estrutura Espalhamento profundamente inelástico Cromodinâmica Quântica Modelo de Dipolos Resultados Espalhamento Difrativo Modelo de Ingelman-Schlein Correções de múltiplos Pomeron (GSP) (DGM e KMR) Resultados Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

PROCESSOS DIFRATIVOS Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Motivações Produção difrativa Estudo da trajetória do Pomeron, a qual descreve fenomenologicamente o espalhamento difrativo, caracterizado por uma região sem produção de partículas (lacuna de rapidez) no detector Conceito da função de estrutura do Pomeron (IS) possui taxas preditivas inconsistentes com os valores medidos experimentalmente Aplicação das correções de múltiplos Pomerons em altas energias no modelo de Ingelman-Schlein deve ser necessária Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Processos difrativos Colisor DESY (HERA) descobriu, através das colaborações H1 e ZEUS, DIS onde o elétron e o próton sobreviviam após a interação Produção de uma grande lacuna de energia (rapidez) Distribuições de massa semelhantes as observadas em eventos de difração de ondas Pomeron é a partícula que contém os números quânticos do vácuo pz momentum do próton Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Espalhamento difrativo profundamente inelástico (DDIS) Modelo de Ingelman-Schlein t é o quadrado do quadri-momentum transferido xIP é o momentum do próton carregado pelo Pomeron  é a fração de momentum do quark no interior do Pomeron Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Seção de choque inclusiva (I) p + p p + W ( e v) + X próton Altas energias (mp << E) pseudo –rapidez  ângulo de espalhamento do elétron em relação à direção do feixe do próton u d e+, e- q W+, W- u d ve, ve q antipróton xa e xb são as frações de momentum dos nucleons portada pelos pártons Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Seção de choque inclusiva (II) Energia Total Energia Longitudinal Energia Transversal Váriaveis de Mandelstan para o processo Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Seção de choque inclusiva W- W+ MW = 80 GeV,  = 2.06 GeV, GF = 1.166.10-5 GeV-2, Vab = elemento da matriz CKM Largura de decaimento Constante de Fermi Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Seção de choque difrativa W- fator de fluxo do Pomeron W+ Parametrização experimental para a função de estrutura do Pomeron (H1) Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Probabilidade de Sobrevivência da lacuna de rapidez (GSP) Correções de múltiplos Pomerons em altas energias Regiões angulares do espaço de fase isento de partículas A(s,b) é a amplitude do processo de interesse particular PS(s,b) é a probabilidade de que não ocorra interação inelástica entre os hádrons espalhados <|S|>2 DGM KMR Tevatron 0.276 0.15 LHC 0.182 0.09 Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Resultados (Tevatron – 1.8 TeV) R experimental: 0,0115 + - 0,055 (CDF) 0.0108 + - 0.0021 (D0) Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Predição (LHC – 14 TeV) Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Produção difrativa Funções de estrutura Espalhamento profundamente inelástico Cromodinâmica Quântica Modelo de Dipolos Resultados Espalhamento Difrativo Modelo de Ingelman-Schlein Correções de múltiplos Pomerons (GSP) (DGM e KMR) Resultados Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Conclusões (I) Modelo de dipolos de cor descreve bem os dados para as funções de estrutura do próton Parametrizações para a seção de choque de dipolos permitem calcular as funções de estrutura Teste do limite de validade do formalismo de dipolos para x ~ 0.01 Importante para predições nos novos experimentos MINERA e Neutrino Factory (colisões com neutrinos) Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Conclusões (II) Análise de processos difrativos de produção de W Parametrização para função de estrutura do Pomeron Aplicação dos valores para GSP na seção de choque difrativa obtém bons resultados Uso de novos valores para GSP e de outras parametrizações para a função de estrutura do Pomeron permitirá compreender melhor os processos difrativos Predição para LHC é um significativo aumento na taxa de eventos difrativos Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF – UFRGS – 04/05/2007

Próximos passos Aplicação do modelo de dipolos em outros processos (Z0, fóton, DDIS) Utilização de outras parametrizações para a seção de choque de dipolos Verificação de outros valores para a sobrevivência da lacuna de rapidez Uso de novas parametrizações para a função de estrutura do Pomeron

Teoria Eletrofraca Grupo de Gauge SU(2) x U(1) g é o acoplamento W é o ângulo eletrofraco e = g sen W é a carga elétrica A e B são os campos de fótons T+ T- são os operadores de isospin Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF - UFRGS

Escalamento Geométrico em p Dependência apenas em uma variável Formalismo de dipolos, funções de estrutura CC são descritas pelas mesmas expressões matemáticas Escalamento geométrico deve estar presente no espalhamento de neutrinos com hádrons alvo Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF - UFRGS

Escalamento geométrico M. B. Gay Ducati, M. M.Machado, M. V. T. Machado PLB – 644 (2007) 340 Mairon Machado – Dissertação de Mestrado – GFPAE – IF - UFRGS