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Hadron muoproduction at the COMPASS experiment [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jean-François Rajotte

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Hadron muoproduction at theCOMPASS experimentJean-Fran¸cois RajotteMu¨nchen 2010Hadron muoproduction at theCOMPASS experimentJean-Fran¸cois RajotteDissertationan der Fakult¨at fu¨r Physikder Ludwig–Maximilians–Universit¨atMu¨nchenvorgelegt vonJean-Franc¸ois Rajotteaus Sherbrooke, KanadaMu¨nchen, den 4. August 2010Erstgutachter: Prof. Dr. M. FaesslerZweitgutachter: Prof. Dr. O. BiebelTag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 30. September 2010`A ma familleviContentsList of Figures ixList of Tables xiiiSummary xvii1 Introduction 12 The COMPASS experiment 52.1 Physics goals of COMPASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.1 Physics with the muon beam. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Physics with the hadron beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.3 Future physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Experimental setup 113.1 Spectrometer overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1.1 Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1.2 Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.3 Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.1.4 Tracking detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.1.5 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.1.6 Muon walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Published 01 January 2010
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Language English
Document size 6 MB

Hadron muoproduction at the
COMPASS experiment
Jean-Fran¸cois Rajotte
Mu¨nchen 2010Hadron muoproduction at the
COMPASS experiment
Jean-Fran¸cois Rajotte
Dissertation
an der Fakult¨at fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at
Mu¨nchen
vorgelegt von
Jean-Franc¸ois Rajotte
aus Sherbrooke, Kanada
Mu¨nchen, den 4. August 2010Erstgutachter: Prof. Dr. M. Faessler
Zweitgutachter: Prof. Dr. O. Biebel
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 30. September 2010`A ma familleviContents
List of Figures ix
List of Tables xiii
Summary xvii
1 Introduction 1
2 The COMPASS experiment 5
2.1 Physics goals of COMPASS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Physics with the muon beam. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Physics with the hadron beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Future physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Experimental setup 11
3.1 Spectrometer overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.2 Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.3 Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.4 Tracking detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.5 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.6 Muon walls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.7 RICH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.8 Trigger system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.9 Data acquisition system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.10 Data reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 The straw drift chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.1 General concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.3 The front-end cooling system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.4 Drift time calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29viii CONTENTS
4 Theoretical framework 33
4.1 Deep inelastic scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 Basic variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2 Elastic scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.3 Muon-hadron scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.4 Cross sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.5 QED radiative effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1.6 The Quark Parton Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.7 Polarized deep inelastic scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Semi-inclusive deep inelastic scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.1 Intrinsic transverse momentum of partons . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2 Gaussian ansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 Correction for acceptance 55
5.1 Monte Carlo simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.1 The LEPTO Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.2 Spectrometer simulation with COMGEANT . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Correction method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3 Reproduction of the simulated distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4 Direct and tabulated acceptance comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6 Determination of the inclusive differential cross section 75
6.1 Luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2 Data sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.3 Measured data and Monte Carlo comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4 Cross section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.5 Structure function F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892
6.6 Radiative correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.7 F comparison with SMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932
7 Semi-inclusive differential cross section hadron production 95
7.1 The data samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.2 Real data and Monte Carlo comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.3 Comparison with EMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
27.4 Energy dependence ofhp i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103T
7.5 Fit of the cross sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
27.5.1 Dependence ofhp i on the hadron energy fractionz . . . . . . . . . 121T
27.5.2 Dependence ofhk i on inclusive variables. . . . . . . . . . . . . . . 121⊥
8 Conclusion and outlook 131
A F comparison period by period 1332
B Information about the inclusive cross section 141Table of Contents ix
C Fit tables 145
D Acronyms and Abbreviations 157
Bibliography 159
Danksagung 164x Table of Contents