Изучение структуры протонов в ер столкновениях на коллайдере HERA 28 ноября 2007 Секция ядерной физики Отделения физических наук Российской Академии Наук 2007 А. Ростовцев (ИТЭФ)

H1 ZEUS e±e± p DESY Гамбург (e: 27.5 GeV) × (p: 920 GeV)

Лоренц-инвариантные переменные -виртуальность фотона (рассматриваемый масштаб) -1 - доля импульса нуклона, переносимая кварком, взаимодействующим с фотоном 2 независимые измеряемые переменные: угол и энергия рассеянного е

Кинематическая область x

Сечение ep-взаимодействия Поток фотонов Полное сечение p-взаимодействия: Фоторождение Q2 0 (реальный ) DIS Q2 > 1 GeV (виртуальный ) Два режима gp-взаимодействия:

DIS and related data global partons predictions at LHC Djouadi and Ferrag F 2 (x,Q 2 ) Q2Q2 x MHMH

DGLAP Higgs

Рост сечения p-взаимодействия F2F2 - параметризация для х < 0.01 Рост сечения с энергией Regge: (аналогично поведению сечений рассеяния адронов!)

Геометрический скэйлинг в области малых х В области х < 0.01 сечение глубоко-неупругого взаимо- действия зависит только от одной безразмерной переменной τ = Q 2 R(x) 2 x < 0.01 Регулярность свойств развития кварк-глюонного каскада КХД

Проблемы п-КХД при малых Q 2 ZEUS hep-ex/

Fractal structure of the protons Scaling, self-similarity and power-law behavior are F 2 properties, which also characterize fractal objects Serpinsky carpet.... z = x = D = Proton: 2 scales 1/x, (Q + Q )/Q 222 oo Generalized expression for unintegrated structure function:

For x < 0.01 и 0.35 < Q < 120 GeV 2 : /ndf = 0.82 !!! Фрактальная модель с 4-мя свободными параметрами!

Protons 40% Рождение барионов с большим продольным импульсом B e p/n Значительная часть глубоко-неупругих событий имеют лидирующий протон. Виртуальный фотон взаимодействует с бесцветными объектами в протоне в области малых х. X L = P P /(920 GeV)

X L = P B /(920 GeV) X L > 0.2; P T 2 < 0.04 GeV 2 n p p n + + p пионный обмен: Протонов в 2 раза больше, чем нейтронов обмен частицами с I = 0 Рождение барионов с большим продольным импульсом

Измерение дифракционного рассеяния А) Прямое измерение рассеянной частицы B) Выделение событий, в которых наблюдается экспоненциально не подавленный интервал быстрот без частиц. non-diffractive event p Отсутствие частиц p diffractive event рассеянная частица

Diffractive PDFsDiffractive x-sections. Extraction of Diffractive Parton Densities at HERA Assuming a factorization one could define and measure parton densities inside an object (Pomeron) exchanged in the diffractive reaction

pp γ*p CDF Tevatron data: At Tevatron HERA PDFs do not work….???? Dijet cross section factor 5-10 lower than the QCD calculation using HERA PDFs ? Breakdown of factorisation! Exporting PDFs from HERA to the Tevatron

First reliable estimates for exclusive Higgs production hep-ph/ Missing mass method and proton tagging for Higgs hep-ph/ pp p + H + p p p roman pots dipole H gap -jet p p Missing mass with proton tagging: σ LHC ~ 3 fb p + H + p papers

Central exclusive production at CDF Search for exclusive GeV and | |

Diffractive Vector Meson Production Vector Meson (VM) = ρ 0, ω, φ, Ψ, Υ No extra em supression : σ ρ ~ 10σ DVCS VMs have larger signal to background ratio than DVCS VM wave function involved : theoretically not that clean as DVCS e + p e + p + VM Scale : Q2Q2 Q 2 + M 2 DVCS

(W) ~ W ( *+p V+p). Energy dependence. Photoproduction (Q 2 0) Cross section rises with energy. the exponent is Q 2 +M 2 scale dependent ln(Q 2 +M 2 ) process becomes hard as Q 2 +M 2 -scale becomes larger.

DVCS : n 1.5 VM : n 2.5 DVCS Total * + p V + p cross section as function of Q 2 The cross sections were scaled by factors, according to the quark charge content of the vector meson Approximated with extra (Q 2 +M 2 ) -1 from the Vm wave function Fit to whole Q 2 range gives bad 2 /dof striking universality in vector meson production. The Q2 dependence of ( *p ρp) cannot be described by a simple propagator term. Details:

d dt( *+p V+p). Regge trajectory Regge-type anzatz: with a trajectory slope intercept Regge trajectories (0) and are fundamental parameters represent basic features of strong interactions and hadron spectroscopy. a(0) determines the energy dependence of total and diffractive cross sections determines the growth with energy of the transverse extension of the scattering system and characterizes the confinement forces in QCD Access to only in diffraction pp, ISR Interplay t and W coded in GPDs

a(0)(γp) α(0)(pp) Effective Pomeron Trajectory γp Vp pp, ISR Elastic 0 photoproduction (Q 2 +M 2 ) = 0.6 GeV 2 α (γp) ½ α (pp) But…. Two different soft Pomeron trajectories? ' reflects the diffusion of partons in impact parameter, b_t, plane during the evolution in rapidity ~ln(s) Size of 2 proton system in pp scattering grows twice faster with s than a single proton in p-scattering?

HERA: 1992 – 2007 HERA остановлена, но работа с данными продолжается! Успешная экспериментальная программа!! Более 1,000 физиков Около 800 Ph.D.s 350 публикаций HERMES ZEUS H1 HERA-b

? p p p p p p ep ee pp e e Форм-факторы p и

A class of reactions with non- exponentially suppressed large rapidity gaps is operationally termed diffractive reactions (Bjorken 1994) Diffractive dissociation processes SD DD SD: one of colliding particle dissociates DD: t- measurement is not possible What is the diffraction pattern? y Rapidity Gap DPE

Rapidity Gap Survival Probability S 2 - probablity that rapidity gaps survive against population by secondary hadrons from soft rescattering (responsible for non-factorization). M Central production of high Mass or di-jets : incl (M) T 2 S 2 = excl (M) T 2 – suppression of strong bremsstrahlung when two colour charged gluons annihilate into a heavy object (Sudakov form factor) For higher M the suppression T 2 is higher (calculated in pQCD) For higher collision energy the suppression S 2 is higher (soft process, large uncertainty) LHC: for M 100 GeV;

Неупругое дифракционное pp-рассеяние

Упругое p-рассеяние Траектория Regge : p t - обмен 0 (0)0.6 Т. Regge(1960):

r o v c r r o E mc 2 2 k dr 1 v 2 /c 2 0 r o kr o k = плотность энергии Линейный потенциал: V = kr Угловой момент: энергия: J 2 hc 2 kvr dr 1 v 2 /c 2 0 r o kr o 2 2hc k 1 GeV/fermi или примерно кг Траектории Regge J ~ M 2 J (0) 0.6 (0) 0.0 pn - -

gpgp Полное сечение p- и pp-взаимодействия Оптическая теорема :

Нуклонный формфактор Кинематически запрещённая область 0 < q 2 < 4M N 2 ? ep ee pp Резонансная структура в запрещённой области Мезонное облако? p p

-мезонный формфактор e e

Нарушение скейлинга (a) (b) (c) s s s Взаимодействие кварков с глюонами приводит к нарушению скейлинга Q1Q1 Q 2 > Q 1 Потеря импульса кварка (перемещение в область с меньшим х) и рост плотности кварков и глюонов в области с малыми х. Уравнение эволюции: 1)Предсказание F 2 (Q 2 ) 2)Извлечение плотности глюонов G 3)Независимое измерение s (Q 2 ) х.2 скейлинг

Измерение плотности глюонов Нарушение скейлинга Скейлинг Точность измерений ~2% Уравнения эволюции описывают данные в широкой области < x < 0.5 ; 1 < Q 2 < 10 5 [GeV 2 ] S (M Z ) = ± 0.004

Exclusive Higgs boson production at LHC missing mass method high mass resolution (2÷4 Gev) suppression of bb-pair production high S/B ratio b, W H Rapidity gap suppression Low cross section How large is the rapidity gap suppression? This is tested at TEVATRON: exclusive c production ( p + p p + c + p ) exclusive di-jet production ( p + p p + jet-jet + p ) exclusive production ( p + p p + + p ) c

Померон Траектория : Померанчук Исаак Яковлевич ( ) Универсальный рост сечения с энергией (s): pp, p, Kp, p Описывает упругое и пол- ное сечения при