Oliver Zaudtke Oliver Zaudtke für die -Kollaboration Erste A LL -Messung in der 0 -Produktion in...

Oliver Zaudtke

Oliver Zaudtke

für die -Kollaboration

Erste ALL-Messung in der 0-Produktion in polarisierten p+p-Kollisionen bei

√s=200 GeV am RHIC

DPG-Frühjahrstagung BerlinMärz 2005

gefördert durchdas bmb+f

Oliver Zaudtke

Motivation

● Wie setzt sich der Spin des Protons zusammen?

→ Quarks, Antiquarks• DIS 10 ~ 30%

→ Gluonen ?

→ Bahndrehimpulse ??

21

21 =LΔGΔΣ g,q

Olli

DSigma: Dquark + Dantiquark ->Valenz- und Seequarks!Phys. Rev. D 45 (11) 1992 Vogelsang et al.Beitrag durch polarisierte Seequarks!DIS-Messungen: Quarks tragen nur etwa 25% zum Proton-Spin bei.DSigma ist die polarisierte Gluonenverteilung (Differenz der Gluonenverteilung mit paralleler und antiparalleler Helizität relativ zum Protonspin oder einfach: DSigma zählt die Anzahl der Gluonen mit gleicher Helizität wie das Nukleon minus der Anzahl der Gluonen mit entgegengesetzter Helizität).

Oliver Zaudtke

Messung am Collider

● Warum Messung von G am Collider?

● Hohe Schwerpunktsenergie in

polarisierten p+p-Kollisionen:– hoher Impulsübertrag

→ Gluonen nehmen direkt an der WW teil

– pQCD anwendbargg gq

Olli

Aus den DIS Experimenten läßt sich die Summe der Beiträge von Quarks und Antiquarks ableiten. Also der Beitrag von Valenz- und Seequarks. Wie groß die einzelnen Beiträge sind, läßt sich nicht sagen.

Oliver Zaudtke

● Doppelt longitudinale Spin-Asymmetrie ALL

– Messgröße:

– ALL in pQCD direkt sensitiv auf G

Messgröße

)qgqg(aGG

qqA llLL

dd

dd

ddA

LL

DIS pQCD

Oliver Zaudtke

● Kanal:

0 Produktion: ALL(gq, qq → 0 + X)

● Messgrößen

ALL im Experiment

● Polarisation

● Luminosität

● 0 Yield

LL

Rmit

LN

tLuminositäint.Yieldσ

RNN

RNN

PPA

YBLL

1

dddd

ddA

LL

Oliver Zaudtke

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)

Design (p+p):Lmax = 2 x 1032 s-1 cm-2

70% Polarisation50 GeV < √s < 500 GeV2 x 1011 Pol. Protons / Bunch

BRAHMS & PP2PP

STAR

PHENIX

AGS

LINAC BOOSTER

Pol. Proton Source500 A, 300 s

Spin Rotators

Partial Siberian Snake

Siberian Snakes

200 MeV Polarimeter

AGS InternalPolarimeterRf Dipoles

RHIC pC Polarimeters

PHOBOS

Siberian Snakes

Olli

Wichtige Punkte:1. Polarisation der einzelnen Bunches in der Quelle.2. Energie der Strahlen bei der Injektion in den Collider: 24 GeV3. Stabile Spin-Richtung im Collider: vertikal - Spin wird durch die sogenannten Siberian Snakes aufrecht erhalten. Ohne die Siberian Snakes nimmt die Ausrichtung der Proton-Spins aufgrund des anomalen magnetischen Moments langsam ab.4. Messung der Polarisation in RHIC: pC-Polarimeter: Messung der inelastischen Streuung von Protonen an Kohlenstoff im Bereich der Coulomb-Nuklearen-Interferenz. Der Fehler auf die Polarisation ist 32%. Dieser führt zu einem Skalierungsfehler (systematischer Fehler?) von 65% in der Asymmetrie.5. Longitudinale Polarisation im Experiment durch Spin Rotatoren vor und nach dem Experiment.6. Messung der longitudinalen Polarisation am Experiment durch Messung der transversalen Asymmetrie in der Neutronen-Produktion in p+p-Kollisionen: Bei transversaler Polarisation existiert eine links-rechts Asymmetrie in der Produktion von Neutronen in Vorwärtsrichtung. Bei longitudinaler Ausrichtung verschwindet diese Asymmetrie (ZDC).

Oliver Zaudtke

● polarisierte p+p-Kollisionen mit

● mittlere Polarisation

● integrierte Luminosität: 0.22 pb-1

GeVs 200

Spin-Muster++++

+ + ++

%27PPYB

Run3 (2003):

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)

Olli

Wichtige Punkte:1. Polarisation der einzelnen Bunches in der Quelle.2. Energie der Strahlen bei der Injektion in den Collider: 24 GeV3. Stabile Spin-Richtung im Collider: vertikal - Spin wird durch die sogenannten Siberian Snakes aufrecht erhalten. Ohne die Siberian Snakes nimmt die Ausrichtung der Proton-Spins aufgrund des anomalen magnetischen Moments langsam ab.4. Messung der Polarisation in RHIC: pC-Polarimeter: Messung der inelastischen Streuung von Protonen an Kohlenstoff im Bereich der Coulomb-Nuklearen-Interferenz. Der Fehler auf die Polarisation ist 32%. Dieser führt zu einem Skalierungsfehler (systematischer Fehler?) von 65% in der Asymmetrie.5. Longitudinale Polarisation im Experiment durch Spin Rotatoren vor und nach dem Experiment.6. Messung der longitudinalen Polarisation am Experiment durch Messung der transversalen Asymmetrie in der Neutronen-Produktion in p+p-Kollisionen: Bei transversaler Polarisation existiert eine links-rechts Asymmetrie in der Produktion von Neutronen in Vorwärtsrichtung. Bei longitudinaler Ausrichtung verschwindet diese Asymmetrie (ZDC).Mittlere Polarisation:geometrisches Mittel wird verwendet. Beim geometrischen Mittel ist der Mittelwert 0, wenn einer der beiden Werte Null ist!

Oliver Zaudtke

PHENIX

● BBC– Luminosität– Vertex– MinBias Trigger

● ZDC– Luminosität

Seitenansicht

≈ 3m

≈ 36m

Olli

1) Globale Detektoren2) BBC: je 64 Cherenkov-Zähler. Abstand vom nominellen Vertex ist +/- 1.44m. Der BBC detektiert geladene Teilchen im Pseudorapiditäts-Bereich von 3.1 bis 3.9. Er wird verwendet, um die Luminosität zu bestimmen. Inelastische Kollisionen in PHENIX werden durch die Koinzidenz zweier Signale in den BBCs definiert (Minimum-Bias Bedingung). Außerdem wird mit Hilfe der BBC der Kollisions-Vertex bestimmt.3) ZDC: Die Zero Degree Calorimeters sind Hadronen-Kalorimeter, die sich im Abstand von +/- 18.25m vom nominellen Vertex befinden. Hauptsächlich werden Neutronen detektiert. Die ZDC wird zur Kontrollmessung der Luminosität verwendet, um einen eventuellen Bias in der Luminositätsmessung mit der BBC zu bestimmen. Der Feher der relativen Luminosität wird mir 2.5e-4 angegeben. Das übersetzt sich zu einem Fehler in ALL (mit P=27%) von 1.8e-3 (absolute Fehler). Die ZDC wird außerdem verwendet, um die transversale Asymmetrie in der Neutronenproduktion in p+p-Kollsionen zu messen (Messung der longitudinalen Polarisation am Kollisionspunkt in PHENIX).

Oliver Zaudtke

PHENIX

● EmCal (PbGl, PbSc)– Photonennachweis– High pT Trigger– || < 0.35– = 180°– × ≈ 0.01 × 0.01

– 6 Sektoren Blei-Szintillator● Sandwich Kalorimeter

– 2 Sektoren Bleiglas● Cherenkov Kalorimeter

in Strahlrichtung

≈ 10m

Olli

PbGl: Hochenergetische Photonen wechselwirken im PbGl durch Paarbildung (Photoeffekt und Compton-Streuung sind in diesem Energiebereich vernachlässigbar). Die Elektronen und Positronen verlieren im weiteren Verlauf ihre Energie durch Bremsstrahlung (im elektrischen Feld der Atomkerne). Die Bremsstrahlungsphotonen erzeugen wiederum Elektron-Positron-Paare. Auf diese Weise bildet sich ein elektromagnetischer Schauer aus. Der Schauer wird gestoppt, wenn die Energie der Elektronen und Positronen unter die Schwelle fällt, bei der der Energieverlust durch Ionisation anfängt zu dominieren. Geladene Teilchen emittieren Cherenkov-Photonen, wenn ihre Geschwindigkeit in dem Medium größer ist, als die Lichtgeschwindigkeit im Medium. Die Anzahl der emittierten Cherenkov-Photonen pro Wegstrecke ist konstant. Da die totale Wegstrecke aller Elektronen und Positronen im Schauer proportional zur deponierten Energie des Primärteilchens ist, ist auch die Anzahl der emittierten Cherenkov-Photonen proportional zur deponierten Energie. Verliert das Primärteilchen seine gesamte Energie im PbGl, so ist die Anzahl der gemessenen Cherenkov-Photonen also proportional zur Energie des Primärteilchens.PbSc: Der PbSc besteht aus Zellen, die aus einem Blei-Absorber (0.15cm) und einem Szintillator (0.4cm) aufgebaut sind. Ein Tower besteht aus 66 Zellen. Einfallende Photonen erzeugen Szinitllationslicht, das proportional zur deponierten Energie ist.

Oliver Zaudtke

0 Rekonstruktion

• 0-Rekonstruktion– 0 2– inv. Masse

– PID Cuts• Photonenkandidaten→ Schauer-Form→ Flugzeit→ Charge-Veto

)cos1(221

EEminv

1-2 GeV/c2

2-3 GeV/c2

3-4 GeV/c2

4-5 GeV/c2

inv. Masse [GeV/c2]

inv. Masse [GeV/c2]inv. Masse [GeV/c2]

inv. Masse [GeV/c2]

Co

un

tsC

ou

nts

Co

un

tsC

ou

nts

Oliver Zaudtke

N++

inv. Masse [GeV/c2]

ALL Analyse

● Asymmetrien in zwei Massenbreichen bestimmen:

● 0 Peak

● Untergrund

rawLL

A

BGLL

A

BGLLLL

rawLL

ArArA

01

Olli

Warum liegt der pi0 peak nicht bei 135 MeV/c2?Auf Grund des steil abfallenden pi0 Spektrums zusammen mit der Energieverschmierung ist der pi0 peak zu höheren Energien verschoben. Pi0 werden fälsclicherweise in höheren pT Bins gemessen und verfälschen die Messung. Umgekehrt ist der Prozeß vernachlässigbar, weil in niedrigeren Bins deutlich mehr pi0s vorhanden sind.

Oliver Zaudtke

ALL Analyse

● Untergrund-Beitrag

● Untergrund-Korrektur:

NNNr

BG

BG

0

r1ArA=A

BGLL

rawLL

LL0

● und für jeden Fill und 4 pT Bins berechnet.ArawLL ABG

LL

N

inv. Masse [GeV/c2]

Oliver Zaudtke

ALL Analyse

● Beispielhaft für 3 < pT < 4 GeV/c:

● korrigiertes ALL

für die gesamteStrahlzeit

r1ArA=A

BGLL

rawLL

LL0

ArawLL

gemittelt über die Strahlzeit!

konstanter Fit

Fill Nummer

Oliver Zaudtke

Ergebnisse

NLO pQCD (Phys. Rev. D 63, 094005 (2001)):

Vergleich mit den Daten:• C.L. = 16% - 20% (GRSV-std)• C.L. = 0.02% - 5% (GRSV-max)

Phys. Rev. Lett. 93, 202002 (2004)

A0

LL

NLO pQCD GRSV-max

GRSV-std

65% Skalierungsfehlernicht gezeigt

Bereich deckt die Unsicherheit in der Polarisation ab

Olli

Was genau bedeutet der Skalierungsfehler?Der Fehler wirkt sich auf alle Punkte gleich aus, d.h. Verschiebung in die gleiche Richtung.Was bedeuten die Konfidenz-Level? Wahrscheinlichkeit, daß bei gültiger Theorie (GRSV-std oder -max) die gezeigten Daten gemessen werden! Wieso Konfidenz-Intervalle?Die Intervalle berücksichtigen die Unsicherheit der Polarisation!GRSV-std: Gluon-Verteilung stammt aus dem besten Fit an die DIS Daten.GRSV-max: Gluon-Verteilung entspricht der unpolarisierten Verteilung: dg = G (dg = g+ - g-).

Oliver Zaudtke

Interpretation

Phys. Rev. Lett. 93, 202002 (2004)

● gemessenes ALL ist klein

● weiche Prozesse in1 < pT < 2 GeV/c

● ALL vielleicht negativ?

A0

LL

NLO pQCD GRSV-max

GRSV-std

65% Skalierungsfehlernicht gezeigt

Phys. Rev. Lett. 92, 121803 (2004)

derzeitige pQCD-Rechnungen: ALL > -10-3

Olli

Was genau bedeutet der Skalierungsfehler?Der Fehler wirkt sich auf alle Punkte gleich aus, d.h. Verschiebung in die gleiche Richtung.Was bedeuten die Konfidenz-Level? Wahrscheinlichkeit, daß bei gültiger Theorie (GRSV-std oder -max) die gezeigten Daten gemessen werden! Wieso Konfidenz-Intervalle?Die Intervalle berücksichtigen die Unsicherheit der Polarisation!GRSV-std: Gluon-Verteilung stammt aus dem besten Fit an die DIS Daten.GRSV-max: Gluon-Verteilung entspricht der unpolarisierten Verteilung: dg = G (dg = g+ - g-).

Oliver Zaudtke

Zusammenfassung

RHIC erster Collider polarisierter Protonen mit bis zu √s=500 GeV ermöglicht Untersuchung der Spin-Struktur des Protons.

Erste Messung der doppelten Spin-Asymmetrie ALL in der 0-Produktion mit dem PHENIX-Detektor.

Ergebnisse favorisieren kleine Gluon-Polarisation (GRSV-std).

Weitere Messungen mit höherer Polarisation und Luminosität geplant.

Oliver Zaudtke

Oliver Zaudtke

Backup-Folien

Oliver Zaudtke

● Run4 (2004)– polarisierte p+p-Kollisionen

mit

– Polarisation:

– int. Luminosität: 0.075 pb-1

Ergebnisse

GeV200s

%40PPYB

NLO pQCD GRSV-max

GRSV-std

A0

LL

65% Skalierungsfehlernicht gezeigt Preliminary

Oliver Zaudtke

Messung der Polarisation in PHENIX

Asymmetrie normalisiert mit der Polarisation

Spin Rotators ON Spin Rotators OFF

Olli

Messung der longitudinalen Polarisation in PHENIX:Idee: Für einen vertikal polarisierten Strahl wird eine Links-Rechts-Asymmetrie in der Produktion von Neutronen in Vorwärtsrichtung beobachtet.Messung von Neutronen mit E > 20 GeV werden mit den ZDCs gemessen. Der azimuthale Produktionswinkel wird gemessen. Die tranversale Asymmetrie versus den azimuthalen Winkel wird bestimmt. Wenn die Spin-Rotatoren aus sind, wird eine Links-Rechts-Asymmetrie beobachtet (durchgezogene Linie). Wenn die Rotatoren an sind, verschwindet die Asymmetrie -> Longitudinale Asymmetrie.

Oliver Zaudtke

Beiträge der Parton-WW

NLO pQCD (Vogelsang)

p+p 0+X, s = 200 GeV, =0

0 10 20 30

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

pT,(GeV/c)

frac

tion

Oliver Zaudtke

● Bunch-Shuffling:– Helizitäten werden zufällig

zugeordnet durchschnittliche Polarisation 0

– und werden für alle Fills neu berechnet

– 1000 „neue“ Messungen2/NDF

stat. Verteilungfür NDF = 46

rawLL

A BGLL

A

Systematische Checks

● Bunch Shuffling zeigt:

– Fehler sind sinnvoll

– systematische Fehler sind vernachlässigbar

rawLLA

Oliver Zaudtke

● ParitätsverletzendeAsymmetrien– – –

Systematische Checks

● Weitere Checks:– Variation der Integrationsfenster– Variation der PID-Kriterien

σσ

σσ=A

L

σvsσ .

σvsσ . ≈ 0

keine syst. Effekte

AL

Oliver Zaudtke

ALL Analyse

pT [GeV/c] PbGl PbSc Total1 - 2 803k (27.7%) 1185k (40.0%) 2132k (35.4%)2 - 3 266k (10.8%) 802k (12.4%) 1089k (12.0%)3 - 4 46k (5.2%) 166k (5.8%) 213k (5.7%)4 - 5 8.8k (3.7%) 32k (4.3%) 41k (4.3%)

pT [GeV/c] PbGl PbSc Total1 - 2 365k 842k 1329k2 - 3 50k 181k 239k3 - 4 4.2k 17k 22k4 - 5 0.6k 2.5k 3.2k

0+BG ( ):

BG ( and ):

Statistik

2inv c/MeV165,110m

2inv c/MeV95,40m 2

inv c/MeV235,180m

Oliver Zaudtke

ALL Analyse

● Statistischer Fehler– mehr als ein 0 pro event

möglich

– N0 nicht Poisson-verteilt

● k-Faktor

mit

N00

N

Nk 00 enhanceN

kk=k

2enhance

Oliver Zaudtke

ALL Analyse

pT [GeV/c] PbSc PbGl1- 2 1.15 (1.24) 1.10 (1.16)2- 3 1.05 (1.11) 1.04 (1.10)3- 4 1.02 (1.07) 1.01 (1.07)4- 5 1.01 (1.05) 1.01 (1.05)

● k-Faktoren ( )2enhance )k(

N BG0 N0

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