Title: Study of azimuthal asymmetries in COMPASS Drell-Yan data Author: Bc. Markéta Pešková Department / Institute: Department of Low Temperature Physics Supervisor of the master thesis: M.Sc. Michael Finger, CSc. Abstract: Drell-Yan (DY) process, i.e. a lepton pair production in hadron-hadron interaction, is one of the unique tools to study structure of hadrons. In this thesis we present its theoretical background and its link to description of the nucleon spin structure. The corresponding formalism of the Parton Distribution Functions (PDF) and the Transverse Momentum Dependent Parton Distribution Functions (TMD PDF) is explained in some detail. The fundamental theoretical prediction of a sign change of the T-odd TMDs in the DY and Semi- inclusive DIS (SIDIS) is described. In the following a concise description of the COMPASS apparatus is given with the emphasis on the setup modification needed and implemented for the Drell-Yan measurement performed in 2014 and 2015 with 190 GeV/c2 beam of negative pions and the proton target (polarised in 2015). In the final chapter we present our independent analysis of the DY data taken in 2015. Three azimuthal asymmetries giving access to the different TMD PDF were extracted using the dimuon events from a mass region of 4.3 to 8.5 GeV/c2 . Our results are in agreement...

O principal tema desenvolvido nesta tese é o estudo de efeitos nucleares na produção de diléptons por meio do processo Drell–Yan para energias compatíveis com as de RHIC e de LHC. Dois modelos são usados: o formalismo de dipolos de cor e o modelo de pártons com momentum transversal intrínseco. No primeiro capítulo, uma breve introdução histórica e a motivação para o estudo são apresentadas. No Cap. 2, o espalhamento profundamente inelástico (EPI) no modelo de pártons é revisado e são discutidas as distribuições partônicas de prótons (CTEQ) e de nucleons (EKS, EPS08 e EPS09). O EPI no formalismo de dipolos também é discutido. O Cap. 3 é dedicado ao embasamento teórico do formalismo de dipolos e ao estudo das seção de choque de dipolos. As principais equações que governam a evolução de dipolos são expostas, seguidas pelas parametrizações fenomenológicas GBW, DHJ, BUWe ABGS. Um novo modelo é proposto: a parametrização AGBS com flutuações. Quando ajustada aos dados de HERA, a nova parametrização não difere da antiga AGBS, indicando que flutuações não são necessárias para descrever os dados de EPI nas presentes energias. No Cap. 4, é apresentado o modelo de pártons no processo Drell–Yan. O formalismo é discutido em ordem dominante, em ordem seguinte à dominante (OSD) e em OSD com momentum transversal intrínseco, já que apenas na última possibilidade o momentum transversal do dilépton pode ser gerado de maneira consistente com os experimentos. Posteriormente, o formalismo de dipolos aplicado ao mesmo processo é debatido, que em ordem dominante possui distribuição em momentum transversal consistente com os experimentos. Os resultados são cálculos para o fator de modificação nuclear (RpA) para rapidezes negativas como função de rapidez e momentum transversal. A aplicação para rapidezes negativas do formalismo de dipolos é uma contribuição original, bem como a comparação deste formalismo com o modelo de pártons com momentum transversal intrínseco. Efeitos de grande (efeito EMC e anti-sombreamento) e de pequeno x (sombreamento) são observados. Mostra-se que o momentum transversal intrínseco é particularmente importante, alterando o fator de modificação nuclear em torno de 10%. Quando as diferentes parametrizações da seção de choque de dipolos são comparadas, a produção de diléptons não apresenta variações significativas, indicando que ela não é sensível aos detalhes das parametrizações, como a possível violação de escalamento geométrico presente na parametrização DHJ. Adicionalmente, os resultados do modelo de pártons são estendidos para rapidezes positivas e comparados com resultados do condensado de vidros de cor. Para energias de RHIC, os formalismos concordam, enquanto que para LHC, a menos que a parametrização nuclear tenha um sombreamento muito forte (caso da EPS08), os formalismos discordam, devido aos comportamentos distintos do sombreamento de glúons e do sombreamento de quarks. Como perspectiva, é discutido o modelo unidimensional, que é uma simplificação drástica da evolução de dipolos sem deixar de incluir os efeitos de flutuações. Em particular, as possibilidades de escalamento geométrico e escalamento difusivo nas seções de choque são discutidas. / The main topic of this thesis is the study of nuclear effects in Drell–Yan dilepton production at RHIC and LHC energies. Two approaches are employed: the color dipole approach and the parton model with intrinsic transverse momentum. In the first chapter, a brief introduction and the motivation to the study are presented. Chapt. 2 reviews the deep inelastic scattering (DIS) in the parton model and the parton distribution functions of protons (CTEQ) and of nucleons (EKS, EPS08 e EPS09) are examinated. The DIS in the dipole frame is also discussed. Chapt. 3 reviews the theoretical foundations of the color dipole approach and the dipole cross section. The main equations that drive the dipole evolution are shown, followed by the phenomenological parameterizations GBW, DHJ, BUW, and ABGS. A new model is proposed: the AGBS parameterization with fluctuations. When fitted to HERA data, the new parameterization does not differ from the old AGBS, indicating that fluctuations are not needed to reproduce DIS data at current energies. Chapt. 4 discusses the parton model in the Drell–Yan process. This approach is considered at leading order, at next-to-leading order (NLO), and at NLO with intrinsic transverse momentum, as only in the last case the dilepton transverse momentum distribution can be obtained in agreement with experiments. Afterwards, the color dipole approach applied to the process is examined, giving at leading order a transverse momentum distribution compatible with experiments. The results are calculations to the nuclear modification factor (RpA) at backward rapidities as function of rapidity and transverse momentum. The use of backward rapidities of the color dipole approach is an original contribution, as well as the comparison of this approach with the parton model with intrinsic transverse momentum. Effects of large (EMC effect and antishadowing) and of small x (shadowing) are seen. It is shown that the intrinsic transverse momentum is particularly important, changing the nuclear modification factor of about 10%. When different parameterizations of the dipole cross section are compared, the dilepton production does not show significant discrepancies, suggesting the it is not sensitive to the parametrization details, such as the possibility of geometric scaling breaking present in DHJ parameterization. Furthermore, the parton model results are extended to forward rapidities and compared with results of the color glass condensate. At RHIC energies, the approaches agree, while at LHC energies, unless the nuclear parameterization shows a very strong nuclear shadowing (EPS08 case), the approaches disagree, due to the different behaviors of gluon shadowing and quark shadowing. The unidimensional model, a toy model of the dipole evolution that includes the fluctuation effects is also investigated. Specificaly, the possibilities of geometric scaling and difusive scaling in cross sections are discussed.

O principal tema desenvolvido nesta tese é o estudo de efeitos nucleares na produção de diléptons por meio do processo Drell–Yan para energias compatíveis com as de RHIC e de LHC. Dois modelos são usados: o formalismo de dipolos de cor e o modelo de pártons com momentum transversal intrínseco. No primeiro capítulo, uma breve introdução histórica e a motivação para o estudo são apresentadas. No Cap. 2, o espalhamento profundamente inelástico (EPI) no modelo de pártons é revisado e são discutidas as distribuições partônicas de prótons (CTEQ) e de nucleons (EKS, EPS08 e EPS09). O EPI no formalismo de dipolos também é discutido. O Cap. 3 é dedicado ao embasamento teórico do formalismo de dipolos e ao estudo das seção de choque de dipolos. As principais equações que governam a evolução de dipolos são expostas, seguidas pelas parametrizações fenomenológicas GBW, DHJ, BUWe ABGS. Um novo modelo é proposto: a parametrização AGBS com flutuações. Quando ajustada aos dados de HERA, a nova parametrização não difere da antiga AGBS, indicando que flutuações não são necessárias para descrever os dados de EPI nas presentes energias. No Cap. 4, é apresentado o modelo de pártons no processo Drell–Yan. O formalismo é discutido em ordem dominante, em ordem seguinte à dominante (OSD) e em OSD com momentum transversal intrínseco, já que apenas na última possibilidade o momentum transversal do dilépton pode ser gerado de maneira consistente com os experimentos. Posteriormente, o formalismo de dipolos aplicado ao mesmo processo é debatido, que em ordem dominante possui distribuição em momentum transversal consistente com os experimentos. Os resultados são cálculos para o fator de modificação nuclear (RpA) para rapidezes negativas como função de rapidez e momentum transversal. A aplicação para rapidezes negativas do formalismo de dipolos é uma contribuição original, bem como a comparação deste formalismo com o modelo de pártons com momentum transversal intrínseco. Efeitos de grande (efeito EMC e anti-sombreamento) e de pequeno x (sombreamento) são observados. Mostra-se que o momentum transversal intrínseco é particularmente importante, alterando o fator de modificação nuclear em torno de 10%. Quando as diferentes parametrizações da seção de choque de dipolos são comparadas, a produção de diléptons não apresenta variações significativas, indicando que ela não é sensível aos detalhes das parametrizações, como a possível violação de escalamento geométrico presente na parametrização DHJ. Adicionalmente, os resultados do modelo de pártons são estendidos para rapidezes positivas e comparados com resultados do condensado de vidros de cor. Para energias de RHIC, os formalismos concordam, enquanto que para LHC, a menos que a parametrização nuclear tenha um sombreamento muito forte (caso da EPS08), os formalismos discordam, devido aos comportamentos distintos do sombreamento de glúons e do sombreamento de quarks. Como perspectiva, é discutido o modelo unidimensional, que é uma simplificação drástica da evolução de dipolos sem deixar de incluir os efeitos de flutuações. Em particular, as possibilidades de escalamento geométrico e escalamento difusivo nas seções de choque são discutidas. / The main topic of this thesis is the study of nuclear effects in Drell–Yan dilepton production at RHIC and LHC energies. Two approaches are employed: the color dipole approach and the parton model with intrinsic transverse momentum. In the first chapter, a brief introduction and the motivation to the study are presented. Chapt. 2 reviews the deep inelastic scattering (DIS) in the parton model and the parton distribution functions of protons (CTEQ) and of nucleons (EKS, EPS08 e EPS09) are examinated. The DIS in the dipole frame is also discussed. Chapt. 3 reviews the theoretical foundations of the color dipole approach and the dipole cross section. The main equations that drive the dipole evolution are shown, followed by the phenomenological parameterizations GBW, DHJ, BUW, and ABGS. A new model is proposed: the AGBS parameterization with fluctuations. When fitted to HERA data, the new parameterization does not differ from the old AGBS, indicating that fluctuations are not needed to reproduce DIS data at current energies. Chapt. 4 discusses the parton model in the Drell–Yan process. This approach is considered at leading order, at next-to-leading order (NLO), and at NLO with intrinsic transverse momentum, as only in the last case the dilepton transverse momentum distribution can be obtained in agreement with experiments. Afterwards, the color dipole approach applied to the process is examined, giving at leading order a transverse momentum distribution compatible with experiments. The results are calculations to the nuclear modification factor (RpA) at backward rapidities as function of rapidity and transverse momentum. The use of backward rapidities of the color dipole approach is an original contribution, as well as the comparison of this approach with the parton model with intrinsic transverse momentum. Effects of large (EMC effect and antishadowing) and of small x (shadowing) are seen. It is shown that the intrinsic transverse momentum is particularly important, changing the nuclear modification factor of about 10%. When different parameterizations of the dipole cross section are compared, the dilepton production does not show significant discrepancies, suggesting the it is not sensitive to the parametrization details, such as the possibility of geometric scaling breaking present in DHJ parameterization. Furthermore, the parton model results are extended to forward rapidities and compared with results of the color glass condensate. At RHIC energies, the approaches agree, while at LHC energies, unless the nuclear parameterization shows a very strong nuclear shadowing (EPS08 case), the approaches disagree, due to the different behaviors of gluon shadowing and quark shadowing. The unidimensional model, a toy model of the dipole evolution that includes the fluctuation effects is also investigated. Specificaly, the possibilities of geometric scaling and difusive scaling in cross sections are discussed.

O principal tema desenvolvido nesta tese é o estudo de efeitos nucleares na produção de diléptons por meio do processo Drell–Yan para energias compatíveis com as de RHIC e de LHC. Dois modelos são usados: o formalismo de dipolos de cor e o modelo de pártons com momentum transversal intrínseco. No primeiro capítulo, uma breve introdução histórica e a motivação para o estudo são apresentadas. No Cap. 2, o espalhamento profundamente inelástico (EPI) no modelo de pártons é revisado e são discutidas as distribuições partônicas de prótons (CTEQ) e de nucleons (EKS, EPS08 e EPS09). O EPI no formalismo de dipolos também é discutido. O Cap. 3 é dedicado ao embasamento teórico do formalismo de dipolos e ao estudo das seção de choque de dipolos. As principais equações que governam a evolução de dipolos são expostas, seguidas pelas parametrizações fenomenológicas GBW, DHJ, BUWe ABGS. Um novo modelo é proposto: a parametrização AGBS com flutuações. Quando ajustada aos dados de HERA, a nova parametrização não difere da antiga AGBS, indicando que flutuações não são necessárias para descrever os dados de EPI nas presentes energias. No Cap. 4, é apresentado o modelo de pártons no processo Drell–Yan. O formalismo é discutido em ordem dominante, em ordem seguinte à dominante (OSD) e em OSD com momentum transversal intrínseco, já que apenas na última possibilidade o momentum transversal do dilépton pode ser gerado de maneira consistente com os experimentos. Posteriormente, o formalismo de dipolos aplicado ao mesmo processo é debatido, que em ordem dominante possui distribuição em momentum transversal consistente com os experimentos. Os resultados são cálculos para o fator de modificação nuclear (RpA) para rapidezes negativas como função de rapidez e momentum transversal. A aplicação para rapidezes negativas do formalismo de dipolos é uma contribuição original, bem como a comparação deste formalismo com o modelo de pártons com momentum transversal intrínseco. Efeitos de grande (efeito EMC e anti-sombreamento) e de pequeno x (sombreamento) são observados. Mostra-se que o momentum transversal intrínseco é particularmente importante, alterando o fator de modificação nuclear em torno de 10%. Quando as diferentes parametrizações da seção de choque de dipolos são comparadas, a produção de diléptons não apresenta variações significativas, indicando que ela não é sensível aos detalhes das parametrizações, como a possível violação de escalamento geométrico presente na parametrização DHJ. Adicionalmente, os resultados do modelo de pártons são estendidos para rapidezes positivas e comparados com resultados do condensado de vidros de cor. Para energias de RHIC, os formalismos concordam, enquanto que para LHC, a menos que a parametrização nuclear tenha um sombreamento muito forte (caso da EPS08), os formalismos discordam, devido aos comportamentos distintos do sombreamento de glúons e do sombreamento de quarks. Como perspectiva, é discutido o modelo unidimensional, que é uma simplificação drástica da evolução de dipolos sem deixar de incluir os efeitos de flutuações. Em particular, as possibilidades de escalamento geométrico e escalamento difusivo nas seções de choque são discutidas. / The main topic of this thesis is the study of nuclear effects in Drell–Yan dilepton production at RHIC and LHC energies. Two approaches are employed: the color dipole approach and the parton model with intrinsic transverse momentum. In the first chapter, a brief introduction and the motivation to the study are presented. Chapt. 2 reviews the deep inelastic scattering (DIS) in the parton model and the parton distribution functions of protons (CTEQ) and of nucleons (EKS, EPS08 e EPS09) are examinated. The DIS in the dipole frame is also discussed. Chapt. 3 reviews the theoretical foundations of the color dipole approach and the dipole cross section. The main equations that drive the dipole evolution are shown, followed by the phenomenological parameterizations GBW, DHJ, BUW, and ABGS. A new model is proposed: the AGBS parameterization with fluctuations. When fitted to HERA data, the new parameterization does not differ from the old AGBS, indicating that fluctuations are not needed to reproduce DIS data at current energies. Chapt. 4 discusses the parton model in the Drell–Yan process. This approach is considered at leading order, at next-to-leading order (NLO), and at NLO with intrinsic transverse momentum, as only in the last case the dilepton transverse momentum distribution can be obtained in agreement with experiments. Afterwards, the color dipole approach applied to the process is examined, giving at leading order a transverse momentum distribution compatible with experiments. The results are calculations to the nuclear modification factor (RpA) at backward rapidities as function of rapidity and transverse momentum. The use of backward rapidities of the color dipole approach is an original contribution, as well as the comparison of this approach with the parton model with intrinsic transverse momentum. Effects of large (EMC effect and antishadowing) and of small x (shadowing) are seen. It is shown that the intrinsic transverse momentum is particularly important, changing the nuclear modification factor of about 10%. When different parameterizations of the dipole cross section are compared, the dilepton production does not show significant discrepancies, suggesting the it is not sensitive to the parametrization details, such as the possibility of geometric scaling breaking present in DHJ parameterization. Furthermore, the parton model results are extended to forward rapidities and compared with results of the color glass condensate. At RHIC energies, the approaches agree, while at LHC energies, unless the nuclear parameterization shows a very strong nuclear shadowing (EPS08 case), the approaches disagree, due to the different behaviors of gluon shadowing and quark shadowing. The unidimensional model, a toy model of the dipole evolution that includes the fluctuation effects is also investigated. Specificaly, the possibilities of geometric scaling and difusive scaling in cross sections are discussed.

Le sujet de la présente thèse porte sur la recherche de nouvelles particules très massives se désintégrant en une paire électron-positron avec le détecteur CMS.<p>Le démarrage en 2010 du Large Hadron Collider au CERN marque le début d'une nouvelle ère en physique des particules. L'énergie et l'intensité de ses faisceaux de protons, inégalées à ce jour, offre en effet la possibilité d'étudier les lois décrivant les constituants ultimes de la matière et leurs interactions à des énergies jusqu'alors inaccessibles et d'étudier des processus rares. <p>La découverte récente par les expériences ATLAS et CMS du boson scalaire prédit par la théorie de la brisure de symétrie électro-faible constitue ainsi la première percée du programme de recherche du LHC et confirme la théorie actuelle décrivant la physique subatomique, le Modèle Standard. <p>Il est cependant largement admis que cette théorie, bien que hautement prédictive et jamais mise en défaut expérimentalement jusqu'à présent, ne constitue qu'une approximation à basse énergie d'une théorie plus fondamentale. <p>Cette thèse décrit la recherche de nouvelles particules, prédites par plusieurs modèles au delà du Modèle Standard, via leur désintégration en une paire électron-positron de haute énergie. <p>La reconstruction et la sélection des électrons de haute énergie par le détecteur CMS sont des éléments centraux de cette analyse et sont étudiées en détail. Divers critères sont développés afin de distinguer les électrons des autres types d'objets physiques produits lors de collisions de protons, tels que les jets. L'intensité des faisceaux du LHC est telle que plusieurs collisions ont lieu simultanément dans le détecteur et il est montré que l'efficacité de sélection des électrons dépend fortement du nombre de ces interactions. Une technique est donc mise au point pour corriger cet effet. <p>Une méthode pour mesurer l'efficacité de la sélection directement sur les données est également développée. Celle-ci permet de confirmer les mesures obtenues à partir de simulations, jusqu'à des impulsions transverses de plusieurs centaines de GeV. <p>Le spectre de masse des paires diélectron est établi pour les données enregistrées en 2012 à une énergie dans le centre de masse des protons de 8 TeV, et un excès localisé d'événements est recherché. Aucune déviation significative par rapport au bruit de fonds attendu n'est observée et des limites très contraignantes sont établies sur le rapport de la section efficace de production d'une nouvelle résonance diélectronique et de celle mesurée au pic du boson Z. Ces résultats sont utilisés pour fixer des limites inférieures sur la masse de nouvelles particules prédites par certains modèles. <p>Le redémarrage du LHC en 2015 avec une énergie de 6.5 TeV par faisceau de proton élargira fortement le potentiel de découverte de ces résonances. En cas de découverte d'un signal, ses propriétés (telles que le spin ou l'asymétrie avant-arrière) seront étudiées avec attention. Des projections sur la précision qui pourrait alors être atteinte pour ces mesures sont donc finalement présentées en fonction de la luminosité intégrée collectée. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished