Measurement of the Inclusive Isolated Prompt Photon Production Cross Section at the Tevatron using the CDF Detector

Abstract

Esta tesis presenta la medida de la sección eficaz de producción de fotones inmediatos con |η|<1.0, pT > 30 GeV y asilamiento < 2 GeV usando 2.5 fb-1 de datos tomados por el detector CDF entre febrero de 2002 y agosto de 2007. La medida incluye 6 veces más datos que el último resultado publicado al momento de su realización, extendiendo el rango de pT cubierto por la misma en 100 GeV. La sección eficaz se mide para fotones de hasta 400 GeV, y testea las predicciones teóricas sobre 6 órdenes de magnitud, un orden de magnitud más que en resultados previos. La medida de la sección eficaz de fotones inmediatos ofrece una oportunidad única para poner a prueba las técnicas de indentificación de fotones en Física de Altas Energías. En esta tesis, presentamos una nueva técnica para suprimir el ruido de fondo irreducible que viene de los fotones producidos por la desintegracion de mesones. El método consiste en ajustar la variable de aislamiento energetico del fotón en el calorímetro a la suma de las formas esperadas (templates) para esta variable para la señal y para el ruido de fondo, en diferentes rangos en el momento transverso del fotón. El método de las templates es simple y está basado únicamente en información del calorímetro. Además, reduce significativamente el error sistemático asociado con la pureza de los fotones. En medidas previas durante el Run I de CDF se emplearon técnicas basadas en la información de los detectores CES y CPR, resultando en errores sistemáticos y estadísticos de considerable magnitud. Con el método introducido en esta tesis, el error sistemático en la pureza de los fotones se reduce desde el 30% de las medidas previas durante el Run I, a un 5% a alto pT de los fotones. Con la mejora de las simulaciones de Monte Carlo, el método de las templates tiene el potencial de convertirse en una poderosa herramienta para futuras búsquedas de nueva física usando estados finales con fotones. En esta medida, los datos se comparan con predicciones teóricas dadas por JETPHOX, con CTEQ6.1M PDF, funciones de fragmentación BFGII, y las escalas de renormalización, fragmentación y factorización fijadas para igualar el momento transverso del fotón. Los datos se corrigen por efectos de acceptancia y de resolución del detector, así como por ineficiencias en el proceso de identificación de los fotones, usando muestras simuladas de fotones inclusivos con PYTHIA. Este procedimento se denomina unfolding. Los factores derivados del unfolding no presentan una dependencia fuerte con el pT del fotón, y varían entre un 64% y un 69% en todo el rango de pT considerado. Las predicciones teóricas están corregidas para tener en cuenta los efectos no perturbativos, no considerados inicialmente en los cálculos teóricos. Los errores sistemáticos en la medida son el orden del 13% a bajo pT, dominados por las incertidumbres en la determinación de la fracción de fotones reales, mientras a alto pT son del orden de un 15%, mayormente debidos a la incertidumbre en la escala de energías del fotón. Las incertidumbres en la teoría son debidas a la incertidumbre en las PDF, de un 5% bajo pT, pero que se incrementa hasta llegar a un 15% a alto pT. La dependencia en las predicciones debido a la particular elección en las escalas es de un 15% a bajo pT, decreciendo hasta un 8% a alto pT. Los resultados muestran que la teoría describe bien los datos para fotones por encima de 40 GeV. En el rango hasta 150 GeV, la producción de fotones inmediatos está dominada por el proceso Compton de QCD, mientras que para pT más altos los gluones contribuyen substancialmente a la sección eficaz, y la medida es útil para imponer límites en las PDF de los gluones. Para pT < 40 GeV los datos están por encima de las predicciones, reproduciendo las tendencias ya observadas anteriormente en otras medidas, tanto en colisionadores como en experimentos de blanco fijo. Ésta es por tanto, probablemente debida no sólo a los efectos sistemáticos en la técnica experimental empleada, sino que encierran efectos físicos que no han sido tenidos en cuenta en los cálculos teóricos. La comparación de los datos con predicciones obtenidas usando la parametrización MRST04 para las PDF resulta en resultados similares, tanto en forma como en magnitud, a los obtenidos con CTEQ6.1M. El cuociente data sobre teoría tiene un comportamiento similar en ambos para fotones de bajo pT, aunque en la totalidad del rango considerado ambas tienen una pendiente ligeramente distinta. La medida está aprobada por la Colaboración de CDF y se ha mostrado en numerosas conferencias internacionales. Los resultados han sido publicados en Physics Review D.

This thesis presents the measurement of the inclusive photon cross section for photons with |!|<1.0, pT > 30 GeV and isolation < 2 GeV using 2.5 fb-1 of data taken by the CDF detector between February 2002 and August 2007. This measurement includes 6 times more data than the last published result, extending its pT coverage by 100 GeV. The cross section is measured up to 400 GeV, and tests the theoretical predictions over 6 orders of magnitude, one order of magnitude more than in previous results. The prompt photon cross section measurement offers a unique opportunity to test the photon identification variables over a large energy range. In this thesis we present a new technique to suppress the irreducible isolated photons from meson decays. The method consists of fitting the calorimeter isolation distribution in the data to pure signal and background templates for every bin in the photon pT. The template method is simple and is based only on the information from the calorimeter. Moreover, it significantly reduces the systematic uncertainty associated to the photon purity. Previous CDF Run I measurements used techniques based on the information collected by the CES and the CPR detectors, which have considerable statistical dilution and systematics. With the method introduced in this thesis, the systematic uncertainty in the photon purity is reduced from 30% in the previous CDF Run I measurements to 5% at high pT. With the improvement of the Monte Carlo simulations, the template method has the potential to become a powerful tool for future searches using photon signatures. In this measurement, the data are compared to theoretical predictions given by JETPHOX using CTEQ6.1M PDF, BFGII fragmentation functions, and renormalization, fragmentation and factorization scales set to equal the transverse momentum of the photon. Data are unfolded back to hadron level to correct for efficiencies and detector acceptance and resolution using a bib-by-bin unfolding procedure implemented in a PYTHIA inclusive photon Monte Carlo sample. The unfolding factors do not present a strong dependence on the photon pT, and vary between 64% and 69% in the range considered. The theoretical predictions are corrected for non-perturbative QCD effects. The systematic uncertainties in the measurement are of 13% at low pT, dominated by the signal fractions, while at high pT they are of about 15%, mainly coming from the photon energy scale. The uncertainties in the theory are due to the PDF, of around 5% at low pT and increasing to 15% at high pT. The dependence left in the prediction due to the choice of the scales is of 15% ay low pT and decreases to around 8% at high pT. We find agreement between data and theory above 40 GeV. In the pT range until 150 GeV, the prompt photon production is dominated by the QCD Compton process, while for higher pT gluons substantially contribute to the prompt photon production, though they are not the dominant source, and the measurement is useful to constrain the gluon PDF. For pT < 40 GeV the data falls above the theory, reproducing a trend already seen in previous measurements, both in colliders and fixed-target experiments, and it is probably not only due to systematic effects in the experimental method but more likely to other physics effects that are not accounted for in the theoretical calculations. The comparison to the predictions obtained using the MRST04 parameterization for the PDF is in agreement with the results obtained with CTEQ6.1M for the whole measured range. The ratio data over theory has a similar shape for both for low pT photons, though in the whole pT range the ratio presents a slightly different slope. The measurement is approved by the CDF Collaboration and has been shown in a large number of international conferences. The results have been also published as a rapid communication in Physics Review D.