Authors:	Du Fresne von Hohenesche, Nicolas
Title:	Measurement of hadron multiplicities in deep inelastic muon-nucleon scattering
Online publication date:	29-Jun-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	In deep-inelastic muon-nucleon scattering, a single quark can be ejected out of the nucleon by the absorption of a high-energy photon. Such a free isolated quark has never been observed in nature. In quantum chromodynamics (QCD), coloured objects, such as a single quark, create additional quark anti-quark pairs out of the colour field and the final state comprises a jet of hadrons. The hadronisation process can be described by fragmentation functions $D^{h}_{q}$, the probability that a quark with the flavour $q$ turns into a hadron of the type $h$. Similar to the parton distribution function, the fragmentation functions are fundamental, universal and process-independent quantities. The fragmentation functions are measured with the COMPASS spectrometer in muon-nucleon scattering. The observables are the hadron multiplicities $M^{text{h}}$. The COMPASS experiment consists of a two-stage magnetic spectrometer located at the M2 beam line of the Super Proton Synchrotron at CERN and uses a polarised muon beam on a nuclear fixed target. The scattered muon and the final-state hadrons are measured with a large number of tracking detectors. The identification of the hadrons is done using a ring imaging Cherenkov detector. An essential part of the spectrometer is the trigger system. It mainly consists of scintillator hodoscopes and triggers on scattered muons coming from the target. The trigger acceptance was increased towards larger four-momentum transfers $Q^2$ with the implementation of a new pair of hodoscopes, triggering on larger scattering angles. The trigger system is also used to determine spectrometer specific quantities such as efficiencies and luminosities. In a fixed target experiment, the luminosity is given to the incident particle flux and the target density. The flux is measured with two methods, by counting beam tracks using a true random trigger and by counting the hits in a plane of the beam telescope. For the determination of the fragmentation functions, a measurement taken in 2006 with a 160,GeV/c muon beam impinging on an isoscalar lithium-deuterid target is used. The scattered muon and additional hadrons are measured. The hadron multiplicities $M^{text{h}}$ are the average number of hadrons per deep inelastic scattering event and are determined in a three-dimensional binning in the Bjorken scaling variable $x$, the relative virtual photon energy $y$ and the hadron energy fraction $z$ for pions, kaons and unidentified hadrons. The DIS events are selected by requiring an invariant mass $W$ larger than 5,GeV/c$^2$, thus excluding events coming from nucleon resonances. The charged hadron multiplicities are corrected for the particle identification efficiency using real data. Further corrections, eg{} the spectrometer acceptance and electron/positron contamination, are determined using Monte Carlo simulations. The fragmentation functions are extracted in two ways. The first method is the direct extraction point-by-point. The second method uses a simultaneous leading-order perturbative QCD fit on $pi^+$ and $pi^-$ multiplicities. The results are compared to existing parametrisations. In der tiefinelastischen Streuung kann ein einzelnes Quark durch die Absorption eines hochenergetischen virtuellen Photons aus einem Nukleon herausgeschlagen werden. Ein freies, isoliertes Quark wurde in der Natur aber nicht beobachtet. In der Quantenchromodynamik (QCD) erzeugen farbladungstragende Objekte, so wie ein isoliertes Quark, Quark-Antiquark-paare aus dem Farbfeld und erzeugen einen Teilchenschauer. Der Hadronisierungprozess kann durch die Fragmentationfunktionen $D^{text{h}}_{text{q}}$ beschrieben werden. Diese geben an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Quark der Sorte q in ein Hadron des Typs h uuu{}bergeht. "{A}hnlich wie die Partonverteilungsfunktionen $q(x)$ sind die Fragmentationsfunktionen grundlegende, allgemeinguuu{}ltige, prozessunabhaaa{}nige Grooo{}ss{}en. Die Fragmentationsfunktionen werden mit dem COMPASS-Spektrometer in tiefinelastischer Myon-Nukleon-Streuung gemessen. Die Observable ist die geladene Hadronenmultiplizitaaa{}t $M^{text{h}}$. Das COMPASS-Experiment ist ein zweistufiges Spektrometer an der M2-Strahlfuuu{}hrung am CERN und verwendet einen polarisierten Myonstrahl und ein sogenanntes Fixed-Target. Die gestreuten Myonen und der hadronische Endzustand werden mit einer gross{}en Zahl an Spurdetektoren nachgewiesen. Der ringabbildende Cherenkov-Detektor RICH sorgt fuuu{}r die Identifikation der Hadronen. Ein wichtiger Bestandteil des Spektrometers ist das Triggersystem. Es besteht hauptsaaa{}chlich aus Szintillatorhodoskopen und startet die Datennahme nach der Messung eines gestreuten Myons aus dem Target. Die Akzeptanz des Triggersystems wurde durch das Hinzufuuu{}gen eines neuen Triggerhodoskoppaares, welches auf gross{}e Myonstreuwinkel triggert, erweitert. Des Weiteren kann das Triggersystem dazu verwendet werden, um spektrometerspezifische Grooo{}ss{}en, wie zum Beispiel Effizienzen und Luminositaaa{}ten, zu bestimmen. Die Luminositaaa{}t in einem Fixed-Target-Experiment ist gleich dem Produkt aus einlaufenden Teilchenfluss und der Massenbelegung des Target-Materials. Der Teilchenfluss wird mit zwei Methoden bestimmt: einmal durch das Zaaa{}hlen von Strahltrajektorien, die durch einen Zufallstrigger ausgew"ahlt werden oder durch das Z"ahlen der Treffer in einer Ebene im Strahlteleskop des Experiments. Die fuuu{}r diese Arbeit verwendeten Daten wurden 2006 mit einem 160,GeV Myonstrahl an einem isoskalaren Lithiumdeuteridtarget aufgenommen. Dabei wird das gestreute Myon sowie mindestens ein Hadron nachgewiesen. Die Hadronmultiplizitaaa{}t $M^{text{h}}$ ist die mittlere Anzahl von Hadronen pro tiefinelastischem Streuereignis. Sie wurden in Abhaaa{}ngigkeit von den drei kinematischen Variablen, der Bjorken'schen Skalenvariable $x$, der relativen Photonenenergie $y$ und der relativen Hadronenenergie $z$, fuuu{}r identifizierte Pionen, Kaonen und nichtidentifzierte Hadronen gemessen. Die tiefinelastischen Ereignisse werden durch einen Schnitt auf die invariante Masse $W$ > 5,GeV/c$^2$ selektiert. Dadurch werden Ereignisse, die aus Nukleonresonanzen kommen, verworfen. Die gemessen Multiplizitaaa{}ten fuuu{}r geladene Hadronen werden auf die Identifzierungseffizienz des RICH korrigiert. Weitere Korrekturen, unter anderem fuuu{}r die Spektrometerakzeptanz und die Kontamination durch Elektronen und Positronen, werden durch Monte-Carlo-Simulationen abgeschaaa{}tzt. Die Fragmentationfunktionen werden durch zwei Methoden bestimmt. Erstens, durch eine direkten Extraktion und zweitens, aus einem perturbativen QCD-Fit in fuuu{}hrender Ordnung an die $pi^+$ und $pi^-$ Multiplizit"aten. Die Ergebnisse werden mit existierenden Parametrisierungen verglichen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4074
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005525
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	vii, 185 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen