QCD Phenomenology of Heavy Particle Dynamics

Abstract

In this thesis the phenomenology of Quantum Chromo Dynamics (QCD) is studied in a variety of circumstances from both perturbative and non-perturbative perspectives. The main emphasis is on the production and hadronization of heavy particles, specifically heavy quarks, gauge bosons, leptoquarks and supersymmetric particles.



In the hadroproduction of long-lived heavy quarks (i.e. charm and bottom) in the context of string fragmentation, the pull of a beam remnant at the other end of a string may give a heavy hadron more energy than the perturbatively produced quark. The collapse of a low-mass string to a single hadron is the extreme case of this effect, and gives rise to asymmetries between hadron and anti-hadron spectra. The Lund string fragmentation model is studied and improved by considering fixed-target data and the model is then used to predict the outcome of future experiments.



The describtion of QCD radiation off heavy quarks and supersymmetric coloured particles is improved by using matrix element corrections to the massless parton shower in the event generator PYTHIA.



In the process e+e- -> W+W- -> q qbar q' qbar', the colour flow can be ambiguous and a transverse momentum based measure of the colour flow is investigated as a tool to determine string topologies. The method is used to study different models of colour reconnection.



QCD aspects of leptoquark production at HERA are discussed with focus on initial- and final-state QCD radiation. By taking into account corrections to this in mass reconstructions of a leptoquark, a narrower mass peak and a better average mass value is obtained.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Teorin för den starka kraften, kvantkromodynamik eller QCD, behandlas här med både perturbativa och icke-perturbativa metoder. Speciellt produktions- och hadroniseringsdynamiken hos tunga partiklar studeras. Dessa partiklar innefattar tunga kvarkar (charm, botten och top), gaugebosoner, leptokvarkar och supersymmetriska partiklar.



När tunga långlivade kvarkar (d.v.s. charm och botten) produceras vid en hadronkolliderare, kan de producerade kvarkarna växelverka med de kolliderande hadronernas strålrester. Inom strängfragmenteringsmodellen sker denna växelverkan genom att ett färgfält, även kallad en sträng, spänns mellan kvarken och strålresten. När strängen fragmenteras, d.v.s. när hadroner produceras från energin i fältet, kan hadronen som innehåller den tunga kvarken få en större energi (i kollisionens mass-centrum) än den perturbativt producerade tunga kvarken hade. I extrema fall kan en enda hadron ta hela strängens energi, varvid en asymmetri uppstår mellan hadroner som delar en kvarksort med de kolliderande partiklarna, och de som inte gör det. Lunds strängfragmenteringsmodell studeras och förbättras genom att använda information från experiment vid låga energier. Den modifierade modellen används sedan för att förutsäga utgången av experiment vid högre energier.



När färgade partiklar (kvarkar och gluoner, som tillsammans kallas partoner) produceras vid en högenergetisk partikelkollision kommer dessa att utsöndra QCD-strålning. I en partonkaskadsmodell för detta fenomen sker successiv uppsplittring av de ursprungliga, högst virtuella, partonerna till partoner med lägre virtualitet. Denna uppsplittring upprepas tills partonerna är nästan reella, varvid en hadroniseringsmodell tar vid. En speciell implementering av partonkaskaden förbättras genom att matriselement beräknas och används för att korrigera varje uppsplittring i kaskaden. Den nya algoritmen ger en bättre beskrivning av mass-effekter och inför ett process-beroende. Några fenomenologiska studier utförs, som botten- och topkvarkproduktion vid en elektron-positronkolliderare. Strålning från färgade supersymmetriska partiklar införs också och några enkla studier genomförs.



I processen e+e- -> W+W- -> q qbar q' qbar' är färgflödet, och därmed strängtopologin, inte entydig. En metod presenteras och studeras för att fastställa vilket färgflöde som har realiserats i en händelse. Metoden baserar sig på antagandet att den transversa rörelsemängden hos en partikel är som minst i vilosystemet för den sträng som producerade den. Metoden används sedan för att studera färgomkopplingar; ett fenomen som skulle kunna påverka massbestämningen av W-bosonen.



För några år sedan observerades några oväntade händelser vid positron-protonkollideraren HERA, där positroner spreds till höga vinklar (stora Q^2). En möjlig förklaring var produktion av en leptokvark, d.v.s. en partikel med både lepton- och kvarkegenskaper som växelverkar direkt med fermionerna i standardmodellen. Här studeras effekterna av QED- och QCD-sstrålning samt hadronisering på en sådan produktionsprocess. Genom att införa korrektioner till dessa effekter skulle en bättre massbestämning av leptokvarken kunna göras. I efterföljande experiment, men nu med elektroner istället för positroner, observerades ingen motsvarande effekt. Endera var den tidigare signalen en statistisk fluktuation, eller så har leptokvarkar med fermiontal 2 andra egenskaper än sådana med fermiontal 0.

• author: Norrbin, Emanuel
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Laenen, Eric, NIKHEF Amsterdam
• organization: Theoretical Particle Physics - Undergoing reorganization
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: High energy interactions, heavy quarks, QCD, charm asymmetry, hadronization, string fragmentation, colour reconnection, leptoquarks, parton shower, cosmic rays, Kosmisk strålning, högenergi, Fysicumarkivet A:2000:Norrbin
• pages: 224 pages
• defense location: Sal F, Theoretical Physics, Sölvegatan 14A, Lund
• defense date: 2000-11-17 10:15:00
• ISBN: 91-7874-051-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c189d731-690c-43a4-9c94-6477e320fdf3 (old id 40946)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:02:59
• date last changed: 2018-11-21 21:08:43