Measurement of Jet Production in Deep - Inelastic ep Scattering at HERA

In this thesis, precision measurements of inclusive jet, dijet and trijet cross sections in neutral current (NC) deep-inelastic ep scattering at a centre-of-mass energy of √ s ' 319GeV are presented. The analysis is based on data collected by the H1 detector during the Hera-2 running phase in the years 2003–07, corresponding to an integrated luminosity of 351.6 pb−1. The kinematic phase space of the measurement is defined by 150 < Q < 15000GeV and 0.2 < y < 0.7, where Q and y are the negative four-momentum transfer squared and the inelasticity respectively. Jets are measured in the pseudorapidity range −1.0 < ηlab < 2.5 in the laboratory rest frame. The jet transverse momentum in the Breit frame of reference is required to be PT > 7GeV for the inclusive jet measurement and PT > 5GeV for the dijet and trijet measurements. In the case of the dijet and trijet measurements, the invariant mass of the two jets with the highest transverse momenta is required to be greater than 16GeV. A large part of this work is devoted to the improvement of the reconstruction of the hadronic final state. This is achieved by a separation of showers originating from electromagnetically and hadronically interacting particles in the liquid argon calorimeter of the H1 detector on a statistical basis. A novel method to calibrate the hadronic final state, which is reconstructed with an energy-flow-algorithm, is developed. This calibration is based on the probability of a shower resulting from an electromagnetically interacting particles and it is shown to improve the absolute energy scale uncertainty at high jet transverse momenta to 1%. Improvements of the resolution of the jet energy measurement with respect to the standard reconstruction of about 10% are reported. The new calibration in combination with improvements of the reconstruction algorithms by the H1 collaboration leads to a precision measurement of inclusive jet, dijet and trijet cross sections with average uncertainties of 4%, 5.2% and 7.2%, respectively. Measurements of jet cross sections normalised to the inclusive NC cross sections are then performed, which reduce the experimental uncertainties considerably to 1.9%, 2.4% and 6.5%. The measured cross sections are found to be compatible with previously published data, but have significantly reduced experimental uncertainties. Predictions from perturbative QCD calculations in next-to-leading order are compared to the data and are found to give a good description both in terms of absolute size and shape of the measured cross sections. Kurzfassung In der vorliegenden Arbeit wird eine Präzissionsmessung der Wirkungsquerschnitte von inklusiver Jetproduktion, sowie von Dijetund Trijetproduktion in tiefunelastischer ep-Streuung bei neutralem Strom vorgestellt. Der dazu verwendete Datensatz hat eine integrierte Luminosität von 351,6 pb−1 und wurde bei einer Schwerpunktsenergie von √ s ' 319GeV mit dem H1 Detektor während der Hera-2 Phase in den Jahren 2003–07 aufgezeichnet. Die Analyse wird in dem Bereich 150 < Q < 15000GeV und 0,2 < y < 0,7 vorgenommen, wobei Q der negative quadrierte Viererimpulsübertrag ist und y die Inelastizität bezeichnet. Der Phasenraum der Jetmessung entspricht dem Bereich −1,0 < ηlab < 2,5 in der Jetpseudorapidität im Laborsystem. Bei der Messung von inklusiven Jetwirkungsquerschnitten wird ein Transversalimpuls von PT > 7GeV gefordert. Im Fall der Dijet-, beziehungsweise der Trijetmessung, werden Jets mit PT > 5GeV verlangt und die invariante Masse der zwei Jets mit dem höchsten Transversalimpuls muss mindestens 16GeV betragen. Ein großer Teil dieser Arbeit ist der Verbesserung der Rekonstruktion des hadronischen Endzustands gewidmet. Dabei wurde eine Methode entwickelt, um elektromagnetisch und hadronisch induzierte Schauer im flüssig-Argon Kalorimeter von H1 mit statistischen Methoden zu trennen. Der hadronische Endzustand wird durch einen Algorithmus rekonstruiert, der sowohl Spuren als auch Kalorimeterdepositionen berücksichtigt. Eine neue Kalibrationsmethode, die auf den Ergebnissen der Schauerseparation beruht, wird in dieser Arbeit vorgestellt. Mit Hilfe dieser Kalibration wird eine Unsicherheit der Energiemessung von Jets von 1% bei hohem transversalem Impuls erreicht. Es wird außerdem gezeigt, dass diese Kalibration die Auflösung der Jetenergiemessung im Vergleich zu der Standardrekonstruktion um näherungsweise 10% verbessert. Die neue Kalibration in Kombination mit Verbesserungen der Rekonstruktionsalgorithmen durch die H1 Kollaboration führt bei der durchgeführten Analyse zu einer Präzissionsmessung von inklusiven Jetwirkungsquerschnitten mit durchschnittlichen Unsicherheiten von 4%. Bei den Dijetwirkungsquerschnitten liegen diese bei 5,2% und die Trijetwirkungsquerschnitte werden mit einer Präzission von 7,2% gemessen. Als weiterführenden Schritt werden normierte Jetwirkungsquerschnitte gemessen, wobei die Normierung zu inklusiven Wirkungsquerschnitten des neutralen Stroms durchgeführt wird, was zu einer beträchtlichen Verringerung der experimentellen Unsicherheit führt. Die normierten inklusiven Jetwirkungsquerschnitte haben eine durchschnittliche Unsicherheit von 1,9%, für die normierten Dijetund Trijetwirkungsquerschnitte werden Unsicherheiten von 2,4% und 6,5% erreicht. Die gemessenen Wirkungsquerschnitte sind mit publizierten Wirkungsquerschnitten konsistent bei bedeutend verringerter experimenteller Unsicherheit. Ein Vergleich der Daten mit störungstheoretischen QCD Berechnungen in nächst-führender Ordnung zeigt gute Übereinstimmung, sowohl in der absoluten Größe, als auch in der Form der Wirkungsquerschnitte.