Difração em colisões hadrônicas altamente energéticas

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1 Difração em colisões hadrônicas altamente energéticas
Mairon Melo Machado GFPAE – IF – UFRGS Exame de doutorado realizado sob orientação de Profa. Dra. Maria Beatriz Gay Ducati e co-orientação de Prof. Dr. Magno V. T. Machado 1

2 Sumário Trabalhos realizados em 2 anos e 5 meses
1. Hadroprodução difrativa quarkonium + fóton 2. Produção difrativa de quarks pesados 3. Interação de corrente neutra Próximos passos Exame de doutorado, 31/03/2010

3 Calcular processos difrativos na região de pequeno-x (LHC)
Motivações Calcular processos difrativos na região de pequeno-x (LHC) Pomeron com subestrutura (PDFs) Modelo Ingelman-Schlein Ingelman-Schlein não descreve dados Correções absortivas espalhamento de múltiplos Pomerons Novos resultados para produção de quarkonium e quarks pesados Formalismo de dipolos para interação neutrino-nucleon Estudo exclusivo do processo de corrente neutra (Z0) Base para cálculos a serem realizados Exame de doutorado, 31/03/2010

4 Fóton (eletromagnético)
Introdução Próton (carga +1) Férmions Quarks spin = ½ 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 Léptons Elétron Múon Tau neutrinos Bósons Fóton (eletromagnético) W e Z (eletrofraco) Glúon (força forte) Hádrons Bárions Mésons Altas energias glúons 3 quarks Teoria da interação Cromodinâmica Quântica (QCD) 2 quarks próton / nêutron π, ρ Exame de doutorado, 31/03/2010

5 Obtenção de dados LHC Colisores CERN Tevatron –Fermilab (EUA) Suíça
França Colisão próton-próton à 14 TeV Colisão próton-antipróton à 1.96 TeV Exame de doutorado, 31/03/2010

6 Difração Função de estrutura difrativa
Teoria de Regge troca de um Pomeron com números quânticos do vácuo Natureza do Pomeron e mecanismos de interação não conhecido completamente Uso de espalhamento duro conteúdo de quarks e glúons no Pomeron Observações de Diffractive Deep Inelastic Scattering (DDIS) no HERA (1994) Aumento no conhecimento sobre o Pomeron Distribuições de quarks e glúons no Pomeron Função de estrutura difrativa Exame de doutorado, 31/03/2010

7 Eventos difrativos Lacuna de rapidez
Ausência de energia hadrônica em uma determinada região angular do espaço de fase final Difração simples Pomeron emitido por um dos hádrons Pártons do Pomeron interagem com pártons do outro hádron Lacuna de rapidez Difração simples lacuna Modelo de Ingelman-Schlein 7 Exame de doutorado, 31/03/2010

8 Função de estrutura do Pomeron
Parametrização para o fator de fluxo e função de estrutura H1 Collaboration Parâmetro normalizado Parâmetro Valor α’IP BIP α(0) mp = massa do próton Normalizado para 8 Exame de doutorado, 31/03/2010

9 Distribuição de glúons
intervalo de < z < 0.8 Mesmo do experimento Neste trabalho, FIT A. z é a fração de momentum do Pomeron Resultados similares com FIT B Fit A (e incertezas) linha colorida central Fit B (e incertezas) linha negra Exame de doutorado, 31/03/2010

10 Probabilidade de sobrevivência da lacuna de rapidez (GSP)
Descrita em termos de correções de absorção Múltiplos Pomeron <|S|2> probabilidade de sobrevivência da lacuna de rapidez (GSP) Gap A(s,b) amplitude do processo difrativo de interesse particular PS(s,b) probabilidade de que não ocorram interações inelásticas entre as partículas remanescentes 10 Exame de doutorado, 31/03/2010

11 Modelos para valor de GSP
Vários modelos na literatura Resultados considerando o modelo KKMR para os valores de Tevatron e LHC (%) Principal incerteza teórico em nossos cálculos seções de choque e razões sensíveis ao valor de GSP considerado 11 Exame de doutorado, 31/03/2010 11

12 Trabalhos realizados em 2 anos e 5 meses
Hadroprodução difrativa quarkonium + fóton* Produção difrativa de quarks pesados Interação de corrente neutra Próximos passos * M. B. Gay Ducati, MMM, M. V. T. Machado Diffractive quarkonium production in association with a photon at the LHC. Phys. Lett. B, v. 683, p. 150, 2010 Exame de doutorado, 31/03/2010

13 Tópicos Motivação Hadroprodução de quarkonium Fatorização NRQCD
Elementos de matriz Seção de choque difrativa Resultados Conclusões Exame de doutorado, 31/03/2010

14 Motivação Processos difrativos na região de pequeno-x estudo experimental intenso Vários mecanismos para a produção de quarkonium em colisores hadrônicos Color singlet model Color octet model Color evaporation model Seção de choque para a produção de quarkonium densidades do glúon Produção de quarkonium pesado assinatura limpa decaimento leptônico Calcular taxa difrativa de produção de quarkonium com nova PDF e inclusão de GSP ao modelo de Ingelman-Schlein Exame de doutorado, 31/03/2010

15 Hadroprodução quarkonium+fóton
Interesse nos seguintes processos de difração simples Quarkonium méson formado por um par quark-antiquark Razões difrativas como função do momento transverso pT do quarkonium Quarkonia produzido com grande pT fácil detecção Contribuição singleto Contribuições octeto Grande contribuição para alto pT Exame de doutorado, 31/03/2010

16 Produção de J/ψ+γ Considerando a Cromodinâmica Quântica Não-Relativística (NRQCD) Fusão de glúons domina sobre aniquilação de quarks Seção de choque em ordem dominante convolução das seções de choque partônicas com PDF MRST 2001 LO sem diferença significativa usando MRST 2002 LO e MRST 2003 LO Aspectos não-perturbativos da produção de quarkonium Expansão em potências de v v é a velocidade relativa dos quarks no quarkonium Exame de doutorado, 31/03/2010

17 Fatorização NRQCD Contribuição desprezível para aniquilação de quarks em altas energias rapidez do J/ψ 9.2 GeV2 É a energia de centro de massa (LHC = 14 TeV ) Exame de doutorado, 31/03/2010

18 ( ) é a fração de momento do próton portada pelo glúon
Fatorização NRQCD ( ) é a fração de momento do próton portada pelo glúon massa invariante do sistema J/+ Seção de choque escrita como Coeficientes calculados em teoria de perturbação Elementos de matriz dos operadores da NRQCD Exame de doutorado, 31/03/2010

19 Elementos de matriz Campo de quarks que cria o par
Estado do quarkonium αs variável Exame de doutorado, 31/03/2010

20 Elementos de matriz (GeV3)
1.16 10.9 1.19 x 10-2 0.02 0.01 0.136 GeV 0.01 x m2c GeV/c2 Exame de doutorado, 31/03/2010

21 Seção de choque difrativa
Fração de momento portada pelo Pomeron Quadrado do quadri-momento transferido do próton Fator de fluxo do Pomeron PDF do Pomeron probabilidade de encontrar um glúon Trajetória do Pomeron Exame de doutorado, 31/03/2010

22 Variáveis para DDIS Cortes para a integração em xIP Escalas
Exame de doutorado, 31/03/2010

23 Resultados para J/+ no LHC
B = Valor da seção de choque inclusiva fortemente dependente Seções de choque difrativas (DCS) sem GSP Comparação entre dois diferentes conjuntos de distribuições de glúons difrativas (H1) B = é a fração de ramificação em elétrons Massa do quark Elementos de matriz Escala de fatorização Exame de doutorado, 31/03/2010

24 Resultados para Υ+ no LHC
B = Valor da seção de choque inclusiva fortemente dependente Seção de choque difrativa (DCS) sem GSP (<|S|2>) Comparação entre dois diferentes conjuntos para a distribuição de glúons (H1) B = é a fração de ramificação em elétrons Massa do quark Elementos de matriz Escala de fatorização Exame de doutorado, 31/03/2010

25 Razão difrativa [σ] = pb Considerando FIT A Razão difrativa suavemente maior em comparação com C. S. Kim et. al (Phys. Rev. D55 – 1997, 5429) Este trabalho C. S. Kim et. al <|S|2>=0.06 Fluxo do Pomeron renormalizado Evolução de Q2 na densidade do glúon Sem evolução em Q2 Poderia explicar a dependência em pT em nossos resultados Exame de doutorado, 31/03/2010

26 Conclusões R(J/ψ)SD = 0,8 – 0,5 % R(Υ)SD = 0,6 – 0,4 %
Predições teóricas para seções de choque inclusiva e difrativa para a produção de quarkonium + fóton em energias de LHC para colisões pp Estimativas para seções de choque diferencial como função do momento transverso do quarkonium Razão difrativa calculada usando modelo de Ingelman-Schlein e correções de absorção Razões são fracamente dependentes do mecanismo de produção do quarkonium Sensíveis ao valor absoluto das correções de absorção Distribuição em R(J/ψ)SD = 0,8 – 0,5 % R(Υ)SD = 0,6 – 0,4 % Exame de doutorado, 31/03/2010

27 Produção difrativa de quarks pesados* Interação de corrente neutra
Próximos passos Trabalhos realizados em 2 anos e 5 meses Hadroprodução quarkonium + fóton * M. B. Gay Ducati, MMM, M. V. T. Machado A ser submetido Exame de doutorado, 31/03/2010

28 Tópicos Hadroprodução de quarks pesados
Produção em ordem dominante (LO) e seguinte à dominante (NLO) Hadroprodução difrativa de quarks pesados Produção nuclear de quarks pesados Processo coerente e incoerente Resultados Conclusões Exame de doutorado, 31/03/2010

29 Motivação Seção de choque para produção de quarks pesados (HQ) densidades gluônicas Uso de PDFs e equações em ordem seguinte à dominante (NLO) Probabilidade de sobrevivência da lacuna de rapidez para colisões nucleares Processo coerente altas energias (saturação gluônica) Processo incoerente flutuações do campo de cor nuclear HQ sinais importantes para nova física sinal background Estimar taxa difrativa para produção de quarks pesados em colisões nucleares para o LHC em NLO 29 Exame de doutorado, 31/03/2010 29

30 Hadroprodução de quarks pesados
Estudo dos processos de difração simples Razões difrativas em função da energia de centro-de-massa ECM Diagramas contribuindo para seção de choque em ordem dominante (LO) 30 Exame de doutorado, 31/03/2010

31 x1,2 são as frações de momentum dos pártons
Hadroprodução LO Seção de choque total x1,2 são as frações de momentum dos pártons s distribuições de pártons dentro do hádron i=1 e j=2 Seção de choque partônica Escala de fatorização (renormalização) constante de acoplamento 31 Exame de doutorado, 31/03/2010

32 Seção de choque partônica
m é a massa do quark pesado N = 3 (4) para charm (bottom) 32 Exame de doutorado, 31/03/2010

33 Produção NLO Constante de acoplamento n1f = 3 (4) charm (bottom) 33
Exame de doutorado, 31/03/2010

34 Funções NLO Usando um ajuste com os dados ao invés do resultado numérico integrado a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 Erro de menos de 1% 34 Exame de doutorado, 31/03/2010

35 Funções NLO Funções auxiliares 35 Exame de doutorado, 31/03/2010

36 Seção de choque difrativa
Fator de fluxo do Pomeron Função de estrutura do Pomeron (H1) Modelo KKMR <|S|2> = 0.06 para eventos de difração simples no LHC 36 Exame de doutorado, 31/03/2010

37 Produção nuclear de quarks pesados
Caso inclusivo ACa = 40 (6.3 TeV) APb = 208 (5.5 TeV) Caso difrativo Processo incoerente um dos nucleons no núcleo emite um Pomeron Processo coerente núcleo emite um Pomeron Dependência na energia e no número atômico 37 Exame de doutorado, 31/03/2010

38 qq vs. gg Seção de choque inclusiva e difrativa
Hadroprodução charm-anticharm Contribuição da aniquilação qq não importante para altas energias Seção de choque difrativa sem GSP Mc = 1.5 GeV Colisões pp 38 Exame de doutorado, 31/03/2010

39 Seções de choque difrativa para hadroprodução
Comparação difrativa Seções de choque difrativa para hadroprodução bottom-antibottom Contribuição relevante do valor de GSP aplicado na seção de choque total <|S|2> = 0.06 Mb = 4.7 GeV Colisões pp 39 Exame de doutorado, 31/03/2010

40 Comparação LO e NLO Predições para seções de choque inclusiva em colisões pp Seção de choque NLO 1.5 > seção de choque LO em altas energias 40 Exame de doutorado, 31/03/2010

41 Resultados para produção de quarks pesados no LHC
Seções de choque em NLO para hadroprodução de quarks pesados Valor da GSP diminui a razão difrativa <|S|2> = 0.06 Seções de choque nuclear inclusiva em NLO ACa = 40 (6.3 TeV) APb = 208 (5.5 TeV) 41 Exame de doutorado, 31/03/2010

42 Resultados incoerente
Não existe valores de <|S|2> para eventos de difração simples em colisões AA Estimativas para produção central de Higgs <|S|2> ~ 8 x 10-7 Valores da seção de choque difrativa em região possível de ser verificada experimentalmente 42 Exame de doutorado, 31/03/2010

43 Resultados coerente Predições para seção de choque em uma região possível de ser verificada experimentalmente Razão difrativa muito pequena 43 Exame de doutorado, 31/03/2010

44 Conclusões Predições teóricas para produção inclusiva e de difração simples para a produção de quarks pesados nas energias do LHC em colisões pp e AA Estimativas para seções de choque em função da energia de centro de massa ECM Razão difrativa calculada usando modelo Ingelman-Schlein e correções de absorção (NLO) Não existe predições para <|S|2> em colisões nucleares Contribuição importante dos valores absolutos das correções absortivas Seção de choque difrativa para colisões AA em região possível de ser verificada experimentalmente Cálculo da probabilidade de sobrevivência da lacuna de rapidez em colisões nucleares é fundamental 44 Exame de doutorado, 31/03/2010

45 Interação de corrente neutra * Próximos passos
Trabalhos realizados em 2 anos e 5 meses Hadroprodução quarkonium + fóton Produção difrativa de quarks pesados * M. B. Gay Ducati, MMM, M. V. T. Machado Neutral current neutrino-nucleus interactions at high energies Phys. Rev. D, v. 79, p , 2009 Exame de doutorado, 31/03/2010

46 Tópicos Colisão neutrino-nucleon Seção de choque neutrino-nucleon
Formalismo de dipolos de cor Funções de estrutura Seções de choque de dipolos Resultados Conclusões Exame de doutorado, 31/03/2010

47 Motivação Conclusão de trabalho realizado no mestrado
Interações neutrino-hádron importantes para testes da QCD e propriedades partônicas Combinações de dados para espalhamentos de neutrino e anti-neutrino funções de estrutura Fenomenologia usando modelos de saturação e aproximação de dipolos de cor para descrever dados em pequeno-x Importante para análises futuras a serem realizadas no doutorado Cálculo de F2, FL e produção de charm para colisões νp de Corrente Neutra (CN) considerando formalismo de dipolos Exame de doutorado, 31/03/2010

48 Colisão neutrino-nucleon CN
Z (q) p’j pi M é a massa do nucleon E é a energia do neutrino p e q são os quadri-momenta do nucleon e do bóson pj pk Exame de doutorado, 31/03/2010

49 Seção de choque neutrino-nucleon
GF é a constante de Fermi x 10-5 GeV-2 MN(Z) é a massa do nucleon (Z0 = 90 GeV) F2 e FL são as funções de estrutura Exame de doutorado, 31/03/2010

50 Fenomenologia de dipolos
’s são as funções de onda para os bósons eletrofracos z (1-z) é a fração de momentum do quark (antiquark) 1 e 2 são as helicidades dos quarks (1/2 ou -1/2) r é o tamanho transverso do dipolo dip é parametrizado e ajustada através do experimento Exame de doutorado, 31/03/2010

51 Funções de estrutura sin 2 θW = 0.23120 Acoplamento Chiral
K0,1 são as funções McDonald Exame de doutorado, 31/03/2010

52 Seção de choque de dipolos
Golec-Biernat-Wusthoff (GBW) Motyka-Watt (b-CGC) , 0 = 23 mb,  ~ 0.288, x0 ~ m, mf = 0.14 GeV Y=ln(1/x), BCGC = 5.5 GeV-2 Exame de doutorado, 31/03/2010

53 Funções de estrutura (Q2 fixo)
Dependência aproximadamente do tipo potência crescendo com Q2 λ(Q2=1 GeV2) ~ 0.12 λ(Q2=M2Z) ~ 0.224 Comportamento incomum no limite de grande Q2 e grande x Colisão neutrino-próton Modelo b-CGC Exame de doutorado, 31/03/2010

54 Funções de estrutura (Q2 fixo)
Estimar incerteza do ponto de vista teórico Modelo GBW não inclui evolução QCD na seção de choque de dipolos Potência efetiva similar ao modelo b-CGC FL é distinta para Q2=M2Z Comportamento em FL mais forte no modelo b-CGC do que GBW Colisão neutrino-próton Modelo GBW Exame de doutorado, 31/03/2010

55 Funções de estrutura (x fixo)
Dependência na virtualidade para os modelos b-CGC e GBW Pequeno desvio sensível em grande Q2 Quarks (d,s) dominam sobre u (acoplamento eletrofraco) Contribuição de Charm % Colisão neutrino-próton Exame de doutorado, 31/03/2010

56 Resultados para seções de choque (CN)
KWIECINSKI, J. et al. PRD 59 (1999) Interação neutrino-próton Contribuição de quarks de mar domina para altas energias Energia (GeV) σcharme (cm2) σCharme/ σTotal 27 5,4 x 10-40 0,027 154 1,9 x 10-38 0,135 1000 7,1 x 10-37 0,154 10000 3,0 x 10-35 0,193 100000 3,3 x 10-34 0,225 Exame de doutorado, 31/03/2010

57 Resultados para charme
Interação neutrino-próton Energia (GeV) σcharme (cm2) σcharme/ σTotal 27 6,56 x 10-44 3,25 x 10-3 154 2,33 x 10-42 1,04 x 10-2 108 5,8 x 10-33 0,25 109 1,4 x 10-33 0.41 0.23 fb Exame de doutorado, 31/03/2010

58 Conclusões Análises para pequeno-x em colisões neutrino-próton de corrente neutra realizada considerando o formalismo de dipolos de cor Funções de estrutura F2 e FL são investigadas Emprego de duas parametrizações fenomenológicas para a seção de choque de dipolos descrevem os dados em pequeno-x Desvios entre os modelos para os dados em muito pequeno-x Cálculo para o conteúdo de charme para a seção de choque total CN consistente com medidas experimentais recentes Dipolos descreve dados em altas energias Exame de doutorado, 31/03/2010

59 Próximos passos Trabalhos realizados em 2 anos e 5 meses
Hadroprodução quarkonium + fóton Produção difrativa de quarks pesados Interação de corrente neutra Exame de doutorado, 31/03/2010

60 Produção difrativa de bósons pesados
Abordagem de dipolos de cor Transformada de Fourier no espaço de parâmetro de impacto antiquark quark Função de onda do quark (antiquark) Exame de doutorado, 31/03/2010

61 Estados de Fock A campo referente a produção do sistema
B espalhamento do glúon Exame de doutorado, 31/03/2010

62 Produção de bósons pesados no referencial de repouso do alvo
Substituir o termo fotônico pelos termos referentes à Z e W Cálculo das seções de choque difrativa e taxas difrativas Comparação com dados Exame de doutorado, 31/03/2010

63 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

64 Cromodinâmica Quântica (QCD)
Dinâmica de quarks e glúons (interações fortes) Carga de cor 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

65 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

66 Produção Quarkonium + fóton
Subprocessos singleto Sem interações de glúons Interações de glúon , Subprocessos octeto

67 Interação neutrino-núcleo
Seção de choque para bósons polarizados transversalmente ou longitudinalmente é estendida para o caso nuclear usando o formalismo de Glauber-Gribov Função perfil nuclear TA (b) b é o parâmetro de impacto e n(r) é a densidade nuclear normalizada como