ZEUS

Abbildung 17: Eine Hälfte des ZEUS-Mikro-Vertex-Detektors. Im Vordergrund sind vierLagen von Vorwärtsmodulen mit Frontend-Hybriden, im Hintergrund die Barrelmodule.

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ZEUS

ZEUS-Experiment

Beteiligte Institute: Univ. und INFN Torino Alessandria, Inst. Phys. Technol. Almaty, NIKHEF und Univ.Amsterdam, ANL Argonne, Andrews Univ. Berrien Springs, Univ. und INFN Bologna, Univ. Bonn, Univ. Bristol,RAL Chilton, Ohio State Univ. Columbus, Univ. della Calabrie und INFN Cosenza, Acad. of Mining and Metallurgy,Inst. of Nucl. Physics und Jagellonian Univ. Cracow, Univ. und INFN Firenze, INFN Frascati, Univ. Freiburg, Univ.Glasgow, DESY und Univ. Hamburg, Univ. of Iowa Iowa City, Columbia Univ. Irvington, FZJ Jülich, ChonnamNat. Univ. Kwangju, Imperial Coll. und Univ. Coll. London, Univ. of Wisconsin Madison, Univ. Autonoma Madrid,McGill Univ. Montreal, Engin. Phys. Inst. und State Univ. Moscow, Yale Univ. New Haven, York Univ. NorthYork, Oxford Univ., Univ. und INFN Padova, Weizmann Inst. Rehovot, Univ. La Sapienza und INFN Roma,Polytech. Univ. Sagamihara, Univ. of California Santa Cruz, Korea Univ. Seoul, Univ.-GH Siegen, KyungpookNat. Univ. Taegu, Tel Aviv Univ., Metropolitan Univ. und Univ. Tokyo, Univ. und INFN Torino, Univ. Toronto,Inst. of Part. and Nucl. Stud. KEK Tsukuba, Pennsylvania State Univ. University Park, Inst. of Nucl. Stud. undUniv. Warsaw, Meiji Gakuin Univ. Yokohama, DESY Zeuthen.

Sprecher: B. Foster, Univ. of Bristol

Die Datennahme der HERA-Detektoren begann imJahr 2000 nach einer etwas verlängerten Weih-nachtsunterbrechung am 18. Januar und endete am24. August, dem Beginn der Umbauperiode für dieHERA-Luminositätserhöhung. Der HERA-Betriebbegann mit 920 GeV Protonen und 27.5 GeV Positro-nen. Nach einem sehr erfolgreichen Start von HERAund ZEUS und der sich abzeichnenden Möglich-keit, eine Rekordluminosität mit Positronen zu lie-fern, wurde im April von HERA und den Experi-menten beschlossen, entgegen den ursprünglichenPlänen bis zum Ende der Datennahmeperiode in2000 den Betrieb mit Positronen fortzusetzen undnicht auf Elektronen umzuschalten. HERA lief dasganze Jahr sehr konstant und mit hoher Lumino-sität. So wurde diese Datennahmeperiode mit einerzur Physik-Analyse nutzbaren, integrierten Lumi-nosität von 48 pb−1 zum bisher erfolgreichsten Jahrfür ZEUS. Insgesamt hat ZEUS jetzt vor dem Um-bau zur Luminositätserhöhung integrierte Lumino-sitäten von 116 pb−1 für Positronen und 17.5 pb−1

für Elektronen zur Physik-Analyse zur Verfügung.

Darüber hinaus wurde im Berichtszeitraum wei-ter intensiv am Bau der neuen Detektorkomponen-

ten gearbeitet, dem Mikro-Vertex-Detektor (MVD)(Abb. 17), dem ,,Straw Tube Tracker“ (STT) undeinem neuen Luminositäts-Monitorsystem, die allewährend des Umbaus zur HERA-Luminositäts-erhöhung eingebaut werden.

Die ZEUS-Kollaboration hat in diesem Jahr neunVeröffentlichungen verfasst. Einige der Physik-Resultate werden kurz vorgestellt.

Datennahme

Das dreistufige ZEUS Triggersystem hatte keineProbleme mit der hohen Luminosität. Bei HERA-Designluminosiät von 1.6×1031 cm−2s−1 betrug dieTotzeit etwa 2% bei Datenraten von typischerweise300 Hz in der ersten Stufe und 15 Hz am Ausgang derdritten Stufe.

Das zentrale Datenerfassungs- und Überwachungssys-tem wurde weiter modernisiert und im Hinblick aufStabilität und Wartbarkeit verbessert. Hierzu gehörteder Einsatz von objekt-orientierten Methoden und mo-dernen Programmiersprachen bei der Weiterentwick-lung bestehender Systeme. Die vermehrte Nutzung von

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ZEUS

WWW-Browsern oder WAP-Handies erleichert die Be-obachtung des Experimentbetriebs und die Fehlerdia-gnose von den beteiligten Instituten aus. Durch dieverbesserten Überwachungsmöglichkeiten konnte dieSchichtbesatzung von drei auf zwei Personen reduziertwerden.

Für das ZEUS Protonspektrometer (LPS) war die ver-gangene Datennahmeperiode die letzte, da sein Platznach dem HERA-Umbau von Strahlführungsmagne-ten eingenommen wird. Es wurde deshalb besondereMühe darauf verwendet, den Untergrund von HERAso zu optimieren, dass die empfindlichen Spektrome-terdetektoren möglichst häufig an den Strahl gefah-ren werden konnten. Dadurch ist es gelungen, bei über70% der von ZEUS aufgezeichneten Luminosität dasSpektrometer zu betreiben.

Einige Zeit nach Beginn der Datennahme häuften sichHochspannungsabschaltungen in der zentralen Drift-kammer (CTD) wegen zu hoher Ströme in den äu-ßeren Lagen, die nicht durch Untergrund vom Strahlhervorgerufen wurden. Daraufhin wurde im Juni dieGasmischung leicht geändert und etwas Wasserdampfhinzugefügt. Seither arbeitete die CTD störungsfrei.

Im Offline-Bereich wurde trotz der RekordluminositätHERAs eine zeitnahe Rekonstruktion der gerade auf-gezeichneten Daten erreicht, wobei bis zu 450 000 Er-eignisse pro Tag prozessiert wurden. Zur Analyse derDaten wurde das bestehende ZARAH-System durcheine PC-Farm ergänzt, womit man eine Verdopplungder verfügbaren Rechenkapazität erreichte. Die Plat-tenkapazität zur Speicherung der Ereignisdaten wurdevon 3 auf 6 TB erweitert. Für das ZEUS Compu-ting der Jahre 2001–2005 wurden Konzepte und Pla-nungsmodelle entwickelt, die den Herausforderungendurch die HERA-Luminositätserhöhung und die neuenZEUS-Detektorkomponenten Rechnung tragen.

ZEUS Umbau

Die Luminositätserhöhung von HERA erfordert denEinbau neuer Quadrupolbrücken und supraleiten-der Magnete (GO und GG) innerhalb des ZEUS-Detektors. Um Platz zu schaffen, wurden das rückwär-tige Strahlrohrkalorimeter (BPC) sowie das Vorwärts-Plug-Kalorimeter (FPC) endgültig entfernt. Die neuen

Quadrupolbrücken wurden im Dezember eingebaut.Das Aufstellungssystem der Magnete auf den Qua-drupolbrücken wurde entwickelt und installiert. Diedem Wechselwirkungspunkt zugewandten Enden derMagnete werden an den ZEUS Speichenplatten aufge-hängt. Die Aufhängung ist mit einer Steuerung verse-hen, die es während des Luminositätsbetriebes erlaubt,die Magnete innerhalb von etwa 0.3 mm zu verschie-ben. Die Steuerung dazu wird in Zusammenarbeit mitder Gruppe MDI entwickelt und gebaut.

Um ZEUS an die neuen Maschinenkomponenten an-schließen zu können, musste das ZEUS-Unterjoch um10 mm zur Ringaußenseite verschoben werden.

Neben den Vorbereitungen für die Luminositätser-höhung fanden Reparaturen am Kalorimeter, demVorwärtsdetektor, den Vorwärts- und Barrel-Myon-Kammern, dem Backing Kalorimeter und dem Hadron-Elektron Separator statt.

In Verbindung mit der Erhöhung der Luminositätvon HERA sind mehrere Verbesserungen des ZEUS-Detektors geplant. Es sind dies der Bau eines Mikro-Vertex-Detektors (MVD) aus Siliziumstreifenzählernund gleichzeitig eines neuen Stahlrohres, das Erset-zen der Übergangsstrahlungskammern im Vorwärts-spurendetektor durch Straw Tubes sowie der Neubauund die Erweiterung des Luminositäts-Messsystems.Diese neuen Detektorkomponenten werden im Frühjahr2001 eingebaut.

Neue Detektorkomponenten

Mikro-Vertex-Detektor

Nach dem Umbau zur HERA-Luminositätserhöhungwird ZEUS ein Mikro-Vertex-Detektor (MVD) für dieallgemeine Verbesserung der Spurvermessung und imBesonderen zur Erkennung von Sekundärvertizes zurVerfügung stehen. Der Detektor besteht aus 712 Silizi-umdioden mit zusammen etwa 210 000 Auslesekanä-len. Abbildung 17 zeigt eine Hälfte des Mikro-Vertex-Detektors mit den Vorwärtsmodulen im Vordergrund.

Das Jahr 2000 stand für den MVD im Zeichen dervollen Produktionsrate für alle Komponenten bei allen

54

ZEUS

Abbildung 18: Ein Halbmodul des Barrels des Mikro-Vertex-Detektors, bestehend aus zwei Dioden, Kapton-folien und Hybrid.

beteiligten Instituten. NIKHEF ist verantwortlich fürdie Präzisionsmechanik, den Bau der Leitern, den Zu-sammenbau des Gesamtdetektors und für das Kühlsys-tem, Oxford für die interne Laser-Vermessung und dieKabelverbindungen, UCL für die Kontroll- und Clock-signalverteilung, Padova für die Auslese-Hybride, To-rino für die Niedervolt-Spannungsversorgung und KEKfür die ADCs.

In Zusammenarbeit mit dem II. Institut für Experimen-talphysik der Universität Hamburg fand bei DESY inHamburg und Zeuthen die Produktion der eigentlichenSiliziumdetektormodule statt.

Für den Barrelteil wurden jeweils zwei Dioden zu soge-nannten Halbmodulen (Abb. 18) präzise verklebt, fürden Vorwärtsteil (Abb. 19) wurden Kunstoffteile zurspäteren Befestigung an die Dioden geklebt. Für dieelektrischen Verbindungen wurden dünne Kaptonfolienmit aufgalvanisierten Kupferbahnen auf die Dioden ge-klebt und an die Dioden gebondet. Dabei wurden fasteine Million Bonds in Al-Dünndraht-Technik gesetzt.Darüber hinaus waren DESY und die Universität Bonnfür die Beschaffung der Spannungsversorgung für dieVerarmungsspannung verantwortlich.

Nachdem im Juli 2000 alle 300 Halbmodule mit Ersatz-teilen bei NIKHEF angeliefert worden waren, konnte

Abbildung 19: Ein Ring mit Vorwärtsmodulen. UmPlatz für das elliptische Strahlrohr zu haben, sind eini-ge Module verkürzt.

dort die Produktion aller Leitern, der Haltestruktur fürjeweils fünf Module, bis zum September abgeschlossenwerden. Danach begann dort die Montage und Vermes-sung der Leitern im Tragezylinder. Parallel dazu lief inHamburg die Produktion der Vorwärtsmodule, die nachMontage, Einjustierung und Vermessung auf den Tra-geringen mit der Lieferung von vier bestückten Ringennach NIKHEF im November abgeschlossen wurde. Am12. Dezember wurde die vollständig bestückte obereHälfte des MVD in Hamburg angeliefert. Erste Testszeigten, dass alle Module den Transport gut überstan-den hatten und voll funktionsfähig waren. Mit der in-ternen Laser-Vermessung wurde verifiziert, dass auchdie Mechanik sich nicht verändert hatte.

Das System und die Software zur Datenauslese, Steue-rung und Überwachung des Detektors sind vorhandenund werden zur Zeit intensiv erprobt und optimiert.Die Rechner zur Realisierung des Spurtriggers wur-den von der Yale University bereitgestellt. Sie sind beiDESY eingetroffen und werden zur Zeit konfiguriert.Die Entwicklung der Software ist weit fortgeschritten.

An der zur Datenauswertung benötigten Software wirdintensiv gearbeitet. Es wurden große Fortschritte bei

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ZEUS

der Entwicklung der Programme zur Spurerkennungund zum Spurfit gemacht, mit dem Ziel, am Endeeinen gemeinsamen Spurfit aller inneren Spurdetek-toren zur Verfügung zu haben. Darüber hinaus wurdeeine auf GEANT beruhende Simulation des Detektorsentwickelt.

Seit September wurde in der JADE-Halle ein Testge-biet vorbereitet, in dem der MVD in seiner endgültigenForm aufgebaut und erste Erfahrungen mit dem Ge-samtsystemgesammelt werdensollen.Fast alleKompo-nenten der Ausleseelektronik sind bis zum Jahresendegeliefert worden. Seit November stand auch das Was-serkühlungssystem für die Auslese-Hybride zur Verfü-gung. Damit konnten zum ersten Mal größere Teile derAuslese gleichzeitig betrieben werden.

Mitte Februar 2001 wird die untere Hälfte des MVDfertig sein, zusammen mit den noch fehlenden Kontroll-einheiten. Damit kann ab Ende Februar mit dem Aus-testen des vollständigen MVD begonnen werden. DerEinbau in ZEUS ist für die zweite Märzhälfte vorge-sehen.

Im Laufe des Berichtsjahres wurden weiterhin im Test-strahl Messungen an Prototyp-Modulen durchgeführt.Dabei stand neben der Erprobung der technischenLösungen ein stabiler Rekonstruktions-Algorithmusim Vordergrund. Es hatte sich gezeigt, dass mitden üblichen Rekonstruktionsverfahren die Auflösungvom Auftreffort des Teilchens auf dem Siliziumde-tektor abhängt. Der Hauptgrund für diese Ortsab-hängigkeit der Auflösung sind die Extra-Kapazitätender Bondpads auf den Detektoren. Diese Ergeb-nisse werden in der Entwicklung der Analysesoftwareberücksichtigt.

Straw Tube Tracker

Der ZEUS ,,Straw Tube Tracker“ (STT) wird gebaut,um die Spurrekonstruktion geladener Teilchen in Vor-wärtsrichtung (Protonrichtung) zu verbessern. Er wirdim Shutdown 2000/2001 im Rahmen des Umbaus vonZEUS für die HERA-Luminositätserhöhung eingebaut.

Eine Straw Tube (Strohhalm) besteht aus einem Rohraus dünner Kaptonfolie (120 µm Wandstärke und7.47 mm Durchmesser) mit einem Draht in der Mitte, an

den Hochspannung angelegt wird. Dieses Detektorkon-zept wurde von MEPhI in Moskau für LHC entwickeltund zeichnet sich durch gute Ortsauflösung und gerin-ge Hit-Multiplizität selbst bei hohem Untergrund aus.

Um Platz für den neuen Detektor zu schaffen, wird derzur Zeit im Vorwärtsdetektor eingebaute Übergangs-strahlungsdetektor (TRD) entfernt. In zwei Schlitze von20.8 cm Breite entlang des Strahls werden 48 Sekto-ren in zwei unterschiedlichen Größen eingesetzt. Je-der Sektor besteht aus 194 bzw. 266 Straw Tubes von20 cm bis 102 cm Länge, die in drei Lagen angeord-net sind. Der Bau des Detektors wurde im Juli 1998genehmigt. Nachdem ein Prototyp gebaut und erfolg-reich getestet worden war, wurden die Röhren herge-stellt und zu Sektoren zusammengeklebt. Ende 1999wurde mit dem Einbau der Signaldrähte in Moskau(MEPhI), Toronto (York University), Freiburg (Uni-versität Freiburg) und Hamburg (DESY, UniversitätenBonn und Hamburg) begonnen. Die Universität Siegenhat die Hochspannungsverteilungen gebaut.

Im Jahr 2000 wurden alle 50 Sektoren verdrahtet, mitHochspannungs- und Gasanschlüssen versehen und miteiner 55Fe-Quelle getestet. Danach wurden die Sekto-ren zur Erhöhung der mechanischen Stabilität in dünneKästen aus Kohlefaser geklebt. Während der Produk-tion stellten sich die Gewährleistung der Gasdichtigkeitder Sektoren sowie die Montage der übrigen Anbau-teile als langwieriger heraus als geplant. Die Montageder Signaldrähte dagegen erwies sich als schneller undeinfacher als gedacht.

Alle Sektoren sind mittlerweile fertig gebaut und beiDESY eingetroffen. Bei DESY werden die Sekto-ren zunächst in 17 µm dicke Kupferfolie eingepackt,um sie von Störsignalen abzuschirmen. Die Frontend-Ausleseelektronik wird dann direkt an die Sektorenmontiert. Sie besteht aus zwei Boards. Das Multiplex-Board befindet sich unmittelbar am Ende der StrawTubes, das Treiber-Board am Rand des Detektors. Ab-bildung 20 zeigt einen vollständigen STT Sektor mitmontierter Frontend-Elektronik.

Die Elektronik ist so ausgelegt, dass mit ihr die 11 000Straw Tubes des Detektors mit den 2000 Kanälen desAnalog-Digital-Wandler-Systems des ursprünglichenTRD ausgelesen werden können. Das Design der Elek-tronik wurde im Berichtsjahr fertiggestellt und ausführ-lich getestet. Dazu wurde die Elektronik auch auf ei-

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ZEUS

Abbildung 20: Ein STT Sektor mit montierter Frontend-Elektronik.

nem Prototyp-Sektor montiert und im DESY-Teststrahlgetestet. Die Produktion aller Komponenten ist mittler-weile beendet und die Lieferung der letzten Boards istfür Ende Februar vorgesehen. Am Entwurf und Bau derElektronik waren das Argonne National Laboratory, dieTel Aviv University und die Universität Siegen beteiligt.

Das Gestell zur Montage der Sektoren im Vorwärts-detektor wurde in den Universitäten Bonn und Freiburgkonstruiert und gebaut. Im Oktober 2000 wurde der Vor-wärtsdetektor aus ZEUS ausgebaut, der TRD entferntund der restliche Vorwärtsdetektor für den Einbau desSTT vorbereitet.

Große Fortschritte wurden bei den Programmen zurRekonstruktion der Hits und der Spurfindung gemacht.Auch die Monte Carlo-Simulation wurde verbessert.Für die kommende Datennahmeperiode wird ZEUSmit dem STT einen Detektor haben, der zuverlässigPunkte zur Spurrekonstruktion im Vorwärtsbereich lie-fert, die mit den gemessenen Koordinaten der anderenSpurdetektoren kombiniert werden können.

Luminositätsmonitor

Zur Messung der HERA-Luminosität wird der Bethe-Heitler Prozess e p→ e pγ verwendet. Die erzeugtenPhotonen werden mit einem elektromagnetischen Ka-lorimeter nachgewiesen, das sich im HERA-Tunnel in107 m Abstand von der ZEUS Wechselwirkungszonebefindet. Bisher wurde eine Genauigkeit der Lumi-nositätsmessung von etwa 1.5% erreicht. Die gleichePräzision wird auch nach der Luminositätserhöhungverlangt.

Die Luminositätsmessung wird nach der HERA-Luminositätserhöhung aus mehreren Gründen wesent-lich erschwert. Die stärkere Ablenkung des Elektro-nenstrahls in der Wechselwirkungszone führt zu ei-ner Erhöhung der charakteristischen Energie der Syn-chrotronstrahlung und zu einer Erhöhung der Anzahlder Synchrotronstrahlungs-Photonen um einen Fak-tor sieben. Gleichzeitig wird sich die Anzahl vonBremsstrahlungs-Photonen (Bethe-Heitler Prozess) umdas Fünffache erhöhen. Die erhöhte Photonrate erhöht

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ZEUS

die Wahrscheinlichkeit, dass bei einer Kollision derElektronen- und Protonenstrahlen mehrere Photonenabgestrahlt werden und gleichzeitig im Photonkalori-meter nachgewiesen werden und so zu einer Verfäl-schung der Luminositätsmessung führen. Ohne eineAbschirmung von mehreren Strahlungslängen Dickewürde das jetzige Photonkalorimeter innerhalb kur-zer Zeit durch Strahlung beschädigt werden. Eine di-ckere Abschirmung verschlechtert aber die Energie-auflösung des Kalorimeters und macht eine präziseLuminositätsmessung unmöglich.

Der neue Luminositätsmonitor muss auch unter denerschwerten Bedingungen eine präzise Messung derLuminosität ermöglichen. Außerdem ist es sinnvoll,zwei voneinander unabhängige Messmethoden mit un-terschiedlichen systematischen Fehlern zu verwenden.

Das bisherige Photonkalorimeter wird durch ein neuesKalorimeter (Szintillator-Blei Sandwich) mit strah-lungshartem Szintillator ersetzt. Zur Reduzierung desSynchrotronstrahlungsuntergrundes befindet sich un-mittelbar vor dem Kalorimeter ein so genannter aktiverFilter aus Kohlenstoff mit vier Strahlungslängen Dicke.Der Filter ist in zwei Teile unterteilt, hinter denen sichjeweils ein Cherenkov Detektor aus Aerogel befindet.Die niederenergetischen Photonen der Synchrotron-strahlung werden in den Cherenkov Detektoren nichtnachgewiesen. Der erste Teil des elektromagnetischenSchauers der hochenergetischen Bethe-Heitler Photo-nen wird dagegen im Filter gemessen und zur Korrekturder Energiemessung im Kalorimeter verwendet.

Das neue Kalorimeter und die beiden Cherenkov Detek-toren sind inzwischen gefertigt und im DESY-Teststrahluntersucht worden. Die Ergebnisse der Teststrahlmes-sungen zeigen, in sehr guter Übereinstimmung mitMonte Carlo Studien, dass die Energieauflösung desPhotonkalorimeters mit aktivem Filter entscheidendverbessert wird.

Eine zweite, unabhängige Luminositätsmessung wirdmit einem Elektron-Positron Paarspektrometer durch-geführt. Als Konversionstarget der Bethe-Heitler Pho-tonen dient das Austrittsfenster in 92 m Abstandvom Wechselwirkungspunkt. Die erzeugten Elektron-Positronpaare werden durch einen Dipolmagneten ab-gelenkt und mit zwei kleinen Kalorimetern, die un-mittelbar vor dem Photonkalorimeter angeordnet sind,gemessen. Als Detektoren werden die beiden Module

des bisherigen Strahlrohr-Kalorimeters mit geringenModifikationen wieder verwendet. Der Vorteil dieserMessmethode besteht in einer entsprechend geringe-ren Anzahl von Photonen im Spektrometerdetektor auf-grund der geringen Konversionswahrscheinlichkeit, dasheißt es gibt keine Mehrfachphotonen, Synchrotron-strahlungsuntergrund und Strahlungsschäden.

Zur Bestimmung der Akzeptanz und der Eichung desPhotonkalorimeters und des Spektrometers wird einkleines elektromagnetisches Kalorimeter verwendet,der sogenannte ,,6 m-Tagger“, mit dem das gestreuteElektron in Koinzidenz mit dem Photon gemessen wer-

ZEUS NC 1996−99

0

0.2

0.4 Q2=3000GeV2xF3

Q2=5000GeV2

0

0.2

0.4 Q2=8000GeV2

10-1

Q2=12000GeV2

x

0

0.2

0.4

10-1

Q2=30000GeV2

x

PRELIMINARY DATA

CTEQ4D NLOMRST (99)

y2FL QCD

Contribution x 10

Abbildung 21: Die Messung der Proton-Strukturfunk-tion xF3, die aus dem Vergleich vom e+ p-Streuquer-schnitt mit dem e− p-Streuquerschnitt bestimmt wurde.Die Abhängigkeit von der Bjorken-x-Variablen beifesten Q2-Werten zwischen 3×103 GeV 2 und 3×104 GeV 2 wird gezeigt. Eine gute Übereinstimmungmit NLO-QCD-Berechnungen (,,Next to Leading Or-der“), die die CTEQ4D-Partondichtefunktionen ver-wendet haben, wird beobachtet. Die gelben Regionenzeigen den Beitrag von der in der Quantenchromody-namik berechneten longitudinalen Strukturfunktion FL,skaliert um einen Faktor 10.

58

ZEUS

10-2

10-1

1

150 200 250

10-2

10-1

1

150 200 250

ZEUS 1994-97

D0(

B=1

.0)

D0(

B=0

.5)

ZEUS

LEP

SL1/2 (e

+u)SR

1/2

S~ L1/2 (e

+d)

a)

mLQ(GeV)

λ

λ√B(L

Q→

eq)

ZEUS

LEP

VL0

VR0(e+d)

V~ R

0(e+u)VL

1

b)

mLQ(GeV)

λ

λ√B(L

Q→

eq)

Abbildung 22: Empfindlichkeitsgrenzen auf die Leptoquark-Kopplungstärke für LQ mita) Spin 0 und b) Spin 1, als Funktion der angenommenen LQ-Masse. Die ausgeschlossenenBereiche liegen oberhalb der LEP- und ZEUS-Kurven und links von den Tevatron-Grenzen(D0), die von der Annahme über das LQ→ eq Verzweigungsverhältnis B direkt abhängen.

den kann. Ein Prototyp dieses Taggers ist im DESY-Teststrahl untersucht worden. Der Bau des Taggers istzur Zeit in Vorbereitung.

Physikalische Ergebnisse

Eine Auswahl von im Zeitraum dieses Jahresberichtesveröffentlichten physikalischen Ergebnissen wird imFolgenden vorgestellt.

Messung der Proton-Strukturfunktion xF3

Die im Standard-Modell der Teilchenphysik vorausge-setzte und experimentell beobachtete Vereinigung derelektromagnetischen und schwachen Naturkräfte hatals Folge einen Beitrag zum e p-Wirkungsquerschnitt,

der die Spiegelsymmetrie verletzt. Dieser paritäts-verletzende Anteil drückt sich durch die Proton-Strukturfunktion xF3(x,Q2) aus, die sowohl durchdie Mischung der Amplituden für Photon- undZ-Boson-Austausch als auch durch die Amplitude fürZ-Boson-Austausch allein entsteht. Die Daten ent-sprechend einer integrierten Luminosität von 16 pb−1,die ZEUS 1998–1999 mit Elektronenstrahl aufge-zeichnet hat, ermöglichten eine präzise Messung dese−p-Streuquerschnittes, der mit einer Messung dese+p-Streuquerschnittes verglichen wurde, um aus derDifferenz den paritätsverletzenden Anteil zur Proton-Strukturfunktion zu ermitteln. Abbildung 21 zeigt dasResultat zusammen mit der Vorhersage des Standard-Modells, bei der aktuelle Parametrisierungen der Par-tondichtefunktionen zur Berechnung von xF3 verwen-det wurden. Die beobachtete Übereinstimmung lieferteinen weiteren überzeugenden Beleg für das Standard-Modell im kinematischen Bereich der elektroschwa-chen Vereinigung.

59

ZEUS

Suche nach einer Resonanz in denEndzuständen e++Jet und ν +Jet

Die Suche nach Phänomenen jenseits des Standard-Modells ist ein wesentlicher Bestandteil des Physik-programms bei HERA, da die hohe Energie der Strah-len einen Blick in bisher unerforschte kinematischeBereiche erlaubt.

Als einziger Speicherring mit hochenergetischenLepton- und Hadronstrahlen ist HERA das am bestengeeignete Labor, nach den postulierten Leptoquarks zusuchen. Diese stellen Zustände dar, die aus den fun-damentalen Quark- und Lepton-Feldern bestehen, unddeshalb bei HERA durch Quark-Lepton-Fusion direktproduziert werden können. Die ZEUS-Kollaborationhat nach solchen Leptoquark-Zuständen gesucht, wo-bei die Ereignisselektion durch die typischen Zerfalls-signaturen bestimmt wurde. Leptoquarks, die in e+p-Wechselwirkungen erzeugt werden, können entwederin e+q oder inνq zerfallen, wobei das Quark als Hadron-Jet im Detektor erscheint. Die Herausforderungen anDetektorleistung und Analysealgorithmen sind in denbeiden Fällen sehr unterschiedlich. Im ersten Fall istein hochenergetisches Positron mit hohem Transver-salimpuls für den Zerfall kennzeichnend. Im anderenFall werden die Ereignisse durch die anscheinend feh-lende Energie-Impuls-Erhaltung erkannt, die durch dasnicht nachweisbare Antineutrino zustande kommt.

Abbildung 22 vergleicht die Empfindlichkeit derZEUS-Messung für den e++Jet-Zustand mit Ergeb-nissen aus e+e−-Wechselwirkungen bei LEP und pp-Kollisionen vom Tevatron für Skalar- und Vektor-Leptoquarks. Maß für diese Sensitivität ist die kleinsteKopplungsstärke λ, die noch zu einem signifikanten Si-gnal führt. Am Tevatron, an dem Leptoquarks nur durchPaarproduktion erzeugt werden können, besteht keineEmpfindlichkeit auf diese Kopplungsstärke, aber dieAussagekraft wird vom unbekannten Verzweigungs-verhältnis LQ → e q wesentlich beeinflusst. Auch indem für das Tevatron günstigsten Fall, in dem die Lepto-quarks zu 100% in e q zerfallen, sind die ZEUS-Grenzenoberhalb einer Leptoquark-Masse von 225 GeV emp-findlicher.

Im Vergleich zu den LEP-Ergebnissen zeigt die ZEUS-Analyse eine höhere Empfindlichkeit bis etwa 280 GeV,wo die Begrenzung durch die e p-Schwerpunktsenergieeinsetzt.

Messung azimutaler Asymmetrienin tiefunelastischer Streuung

Dieselbe hohe statistische Genauigkeit, die die HERA-Experimente H1 und ZEUS in der Messung der Proton-Strukturfunktion F2(x,Q2) erreicht haben, schlägt sichauch in der Präzision, mit der die Eigenschaften des ha-dronischen Endzustands in der tiefunelastischen Streu-ung studiert werden können, nieder. So konnten das Mo-ment 〈cos φ〉 und zum ersten Mal das Moment 〈cos 2φ〉,bei dem φ der Winkel zwischen der Elektronstreuebeneund der Produktionsebene für Hadronen im hadroni-schen Schwerpunktssystem ist, präzise gemessen wer-den. Abbildung 23 zeigt Beispiele der Winkelvertei-lungen, aus denen die Asymmetrien ermittelt wurden.Das Moment 〈cos 2φ〉 ist besonders interessant, weil die

φ (rad.)−π −π/2 0 π/2 π

φ (rad.)−π −π/2 0 π/2 π

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1 0.07

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

00.035

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

0

p 2 GeV=cp 1.5 GeV=c

p 1 GeV=cp 0.5 GeV=c

ZEUS bin-by-bin

ZEUS fit

ZEUS 1996–97

1/N

dn/

d(r

ad.

)φ

–11/

N d

n/d

(rad

.)

φ–1

0

Abbildung 23: Verteilungen des azimutalen Winkelsφ im hadronischen Schwerpunktssystem zwischen derElektronstreuebene und der Produktionsebene von Ha-dronen in der tiefunelastischen Streuung. Die Vertei-lungen sind über den Transversalimpuls der Hadronenab dem Mindestwert pc integriert.

60

ZEUS

ZEUS 1995

10–3

10–1

10

10 15 20 250

20

–1 0 1 2

10–4

10–2

1

10 15 20 250

0.5

1

1.5

–1 0 1 2

0

0.05

0.1

10 15 200

0.05

0.1

–1 0 1 2

RAPGAP/PYTHIARAPGAP/HERWIG MI

(e)

Ejet

T (GeV)

Rat

io

RAPGAPData (c)

Ejet

T (GeV)

Ejet

T (GeV)

DataPYTHIAHERWIG MI

(a)

RAPGAP/PYTHIARAPGAP/HERWIG MI

(f)

RAPGAPData (d)

DataPYTHIAHERWIG MI

(b)

Tagg

edIn

clus

ive

d/d

(nb)

ση

jet

Eje

t

Td

/d(n

b/G

eV)

σ

η jet

η jet

η jet

Abbildung 24: Die differentiellen Wirkungsquerschnitte in E jetT und η jet für inklusive Pho-

toproduktionsprozesse (a) (b) und für Prozesse, in denen ein Neutron n in Vorwärtsrichtungnachgewiesen wurde (c) (d), zusammen mit den daraus ermittelten Verhältnissen (e) (f). Derkinematische Bereich dieser Messungen ist durch E jet

T > 6 GeV, |η jet|< 2, Q2 < 4 GeV 2,0.2< y< 0.8, En > 400 GeV und θn < 0.8 mrad gegeben. Die schattierten Bereiche zeigendie systematische Unsicherheit, die durch die Ungewissheit in der Energieskala des zen-tralen Kalorimeters zustande kommt. Das hier verwendete Simulationsprogramm RAPGAPbeinhaltet ein Pion-Austauschmodell, das auf Faktorisierung des Pionflusses und dessenPartondichten basiert.

störungstheoretisch berechenbaren Beiträge dominie-ren. Die ZEUS-Messungen zeigen, dass dieses Momentmit dem Transversalimpuls des erzeugten Hadrons an-steigt, wie es von störungstheoretischen Rechnungender Quantenchromodynamik vorhergesagt wird. Da-mit wurde gezeigt, dass die beobachteten azimutalenAsymmetrien einen mit perturbativer Quantenchromo-dynamik beschreibbaren Anteil haben.

Photoproduktion von Dijets miteinem Neutron in Vorwärtsrichtung

Die bei HERA gewonnenen Messergebnisse haben sichvon Anfang an als besonders zum Studium von Phäno-menen der diffraktiven Physik geeignet erwiesen. DasVorwärts-Neutronkalorimeter bei ZEUS hat Untersu-

61

ZEUS

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

α(t

)

α(t

)

t(GeV²)

γ → ρp p0 γ → φp p

α = +(t) 1.08 0.25 t

α = ± + ±(t) (1.096 0.021) (0.125 0.038) t α = ± + ±(t) (1.081 0.010) (0.158 0.028) t

α = +(t) 1.08 0.25 t

DL DL

t(GeV²)

ZEUS

Abbildung 25: Messung der Pomeron-Trajektorie aus den Reaktionen γp→ ρ0 p undγp→ φp. Die Gerade zeigt das Ergebnis eines linearen Fits. Zum Vergleich zeigt diegestrichelte Linie die Pomeron-Trajektorie, die in der Hadron-Hadron-Streuung gemessenwurde.

chungen von Ladungsaustauschprozessen ermöglicht,insbesondere solcher, in denen zwei Hadron-Jets beihohem Transversalimpuls von quasi-reellen Photonenerzeugt werden.

Abbildung 24 vergleicht die differentiellen Wirkungs-querschnitte in Ejet

T und ηjet für inklusive Photoproduk-tions-Prozesse mit solchen, in denen ein Neutron inVorwärtsrichtung beobachtet wird.

Die Ergebnisse dieser Studie weisen darauf hin, dass dieDaten mit einer Faktorisierungshypothese über Pion-Austausch konsistent sind.

Photoproduktion von Vektormesonenmit hohem Transversalimpuls

Die ZEUS-Kollaboration führt ein Messprogramm zurUntersuchung der Erzeugungsmechanismen von Vek-tormesonen durch mit dem Ziel, die Gültigkeit vonstörungstheoretischen Berechnungen der Quantenchro-modynamik für exklusive und semi-exklusive Prozessezu prüfen. Die für derartige Rechnungen benötigte harteSkala kann entweder durch die Photonvirtualität Q2,den an das Proton übertragenen Viererimpuls t oderdie Vektormeson-Masse MV gegeben sein.

62

ZEUS

Beim ZEUS-Experiment wird ein Kleinwinkel-Elek-tron-Kalorimeter verwendet, um die Photonvirtualitätauf Q2 < 0.02 GeV2 zu begrenzen. Auf diese Weise istes möglich, den Impulstransfer t und die Masse MV alsharte Skalen zu testen.

In der Impulstransfer-Region 0.5< |t|< 3 GeV2 konn-ten die Mechanismen der elastischen Photoproduktionund der proton-dissoziativen Photoproduktion, bei derdie invariante Masse des dissoziierten Protonsystemsbegrenzt ist auf MN < 7 GeV, verglichen und so Infor-mationen über den Formfaktor des Protons erzielt wer-den. Der differentielle Wirkungsquerschnitt dσ/dt fürelastische ρ0-Erzeugung zeigt in diesem t-Bereich einedeutliche Abweichung von der bei niedrigerem |t|beob-achteten exponentiellen Abhängigkeit. Während dieseErgebnisse keine eindeutige Gültigkeit des Impuls-transfers t als störungstheoretisch relevante Skala zei-gen, konnte die relevante Pomeron-Trajektorie αIP(t)aus der Energieabhängigkeit des elastischen Produk-tionsquerschnittes als Funktion von t gemessen wer-den. Die in Abbildung 25 dargestellten Ergebnisse ausden ρ0- und φ-Daten weisen auf eine deutlich schwä-chere t-Abhängigkeit der Trajektorie hin als jene, diein der Hadron-Hadron-Streuung gemessen wurde.

Messung von exklusiver Elektro-produktion des ω-Mesons

Einen weiteren Beitrag zum Messprogram der Vektor-meson-Erzeugung leistete die Studie zur Elektropro-duktion von ω-Mesonen. Diese erste Untersuchung beihoher γ∗p-Schwerpunktsenergie setzte Identifikations-algorithmen von π0-Mesonen im Urankalorimeter vor-aus. Im π+π−π0-Massenspektrum wurden deutlicheSignale sowohl für ω- als auch für φ-Zerfälle gefunden.

Abbildung 26 zeigt die daraus ermittelten Verhält-nisse von ω- zu ρ0- bzw. φ- zu ρ0-Produktionals Funktion der Photonvirtualität. Diese Ergeb-nisse zeigen, dass die SU(4)-Symmetrie im Produk-tionsverhältnis, die schon bei kleinen Werten derPhotonvirtualität in ω-Elektroproduktion beobachtetwurde, auch bei Q2 � 12 GeV2 gilt, im Gegensatzzur φ-Elektroproduktion, wo erst bei Q2 � 4 GeV2

der SU(4)-Symmetrie-Wert erreicht wird. Das Produk-tionsverhältnis von J/ψ zu ρ0 ist, obwohl steil mit Q2

ZEUS 1996–1997

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Q2 (GeV2)

σγ*

p→

Vp/σ

γ*p

→ρp

ZEUS 96–97 ω/ρ0

ZEUS 96–97 φ/ρ0

ω/ρ0

φ /(K K mode) ρ0+ −

(J )//ψ ρ0

8 / 9

2 / 9

1 / 9

Abbildung 26: Die Verhältnisse der gemessenenω- und φ-Elektroproduktionsquerschnitte zu dem fürρ0-Mesonen als Funktion der Photonvirtualität. Dieneuen Messwerte sind durch die vollen Symbole dar-gestellt. Während das Verhältnis der φ/ρ0-Erzeugungden SU(4)-symmetrischen Wert erst bei höheren Q2 er-reicht, bleibt das Erzeugungsverhältnis von ω/ρ0 beidem entsprechenden SU(4)-Wert unabhängig von Q2.Das (J/ψ)/ρ0 Produktionsverhältnis steigt steil mit Q2

an, bleibt aber selbst bei Q2 � 13 GeV 2 noch einenFaktor zwei kleiner als die SU(4)-Vorhersage.

ansteigend, selbst bei Q2 � 13 GeV2 noch um einenFaktor zwei kleiner als die SU(4)-Vorhersage. DieseBeobachtungen deuten auf einen Produktionsmecha-nismus hin, der bei genügend hohem Q2 unabhängigvon der erzeugten Quarksorte wird.

Messung von inklusiver Photo-produktion von D±

s -Mesonen

Im Rahmen der Untersuchung von inklusiven Produk-tionsprozessen schwerer Quarks wurde eine Messung

63

ZEUS

p (GeV)

dE/d

x (m

ip)

π

e

Kp

1 30.3

1

3

0

100

200

300

0.99 1 1.01 1.02 1.03M(K+K−) (GeV)

Com

bina

tions

/ 2

MeV

φ → K+K−

Fit: Breit-Wigner ∗ Gaussian + a(M-2mK)b

0

100

200

300

1.85 1.9 1.95 2 2.05M(K+K−π±) (GeV)

Com

bina

tions

/ 10

MeV

D± → φπ± → (K+K−)π±Ds

Fit: Gaussian + Exponential

Abbildung 27: Normierte Energieverlustverteilungen in der zentralen Driftkammer. Einedeutliche Trennung von π, K und p (oben) ermöglicht die Unterdrückung von kombinato-rischem Untergrund in den invarianten Massenspektren, die zur Identifizierung von φ- undD±s -Mesonen dienten (unten).

64

ZEUS

der Photoproduktion von D±s -Mesonen bei einer γp-Schwerpunktsenergie von 130<W< 280 GeV durch-geführt.

Die kombinatorischen Untergründe in den Massenspek-tren wurden durch Verwendung von dE/dx-Messungenin der zentralen Driftkammer unterdrückt (Abb. 27).Daraus ergibt sich das Verhältnis der Photoprodukti-onsquerschnitte von D±s - zu D∗±-Mesonen zu

0.41±0.07(stat.)+0.03−0.05(syst.)±0.10(br.)

und ein Strangeness-Unterdrückungsparameter imLund-String-Fragmentationsmodell von

γs = 0.27±0.05±0.07(br.) .

Dabei bezeichnet (br.) die Unsicherheit durch das ha-dronische Verzweigungsverhältnis der D±s -Mesonen inden gemessenen Zerfallskanal.

Dieses Ergebnis stimmt mit Messungen desselben Pa-rameters für die Charm-Produktion in e+e−-Anni-hilationen überein. Das deutet darauf hin, dass die nichtperturbativ beschreibbare Hadronisierung der Charm-Quarks aus e+e− und e p Kollisionen nach den gleichenPrinzipien abläuft.

Photoproduktion von B-Mesonen

Die Messung von dE/dx diente auch der Anreiche-rung eines Beauty-Signals, das zu einer Bestimmungdes Wirkungsquerschnitts für die Photoproduktion vonB-Mesonen führte. In Ereignissen mit zwei Jets undeinem Elektron mit hohem Transversalimpuls konnteein Überschuss beobachtet werden, der durch die se-mileptonischen Zerfälle von B-Mesonen verursachtwird. Abbildung 28 zeigt diesen Überschuss als Funk-tion vom Transversalimpuls prel

T des Elektrons be-

ZEUS

10-3

10-2

10-1

0 1 2 3 4pT rel (GeV)

dσ/

dp

T

rel (n

b/G

eV)

ZEUS 96-97

HERWIG: all processes

HERWIG: b → e- (15%)

HERWIG: c– → e- (85%)

Abbildung 28: Der differentielle Wirkungsquerschnittdσ/dprel

T für die Reaktion e+ p→ e++dijet+e−+ X.prel

T ist der Transversalimpuls des Elektrons bezüglichder am nächsten liegenden Jetachse. Die schattierte Re-gionzeigtdieUnsicherheit, diedurchdieUngenauigkeitder Energieskala des Urankalorimeters bei der Mes-sung der Elektronenergie der semileptonischen Zer-fälle von Charm- und Beauty-Mesonen entsteht. DasErgebnis des HERWIG-Simulationsprogramms wurdeum einen Faktor 3.8 skaliert, um diesen Vergleich mitden ZEUS-Daten zu erhalten.

züglich der am nächsten liegenden Jetachse. Die se-mileptonischen Zerfälle von Charm-Teilchen reichenallein nicht aus, um die gemessene Verteilung zu erklä-ren. Der Beauty-Photoproduktionsquerschnitt, der mit-tels dieses Identifikationsalgorithmus bestimmt wer-den konnte, liegt etwas höher als das Resultat einerNLO-QCD-Berechnung, was auch am Tevatron in pp-Wechselwirkungen beobachtet wurde.

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