Das top-quark. Entdeckung und Vermessung

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1 Das top-quark Entdeckung und Vermessung

2 Inhalt Geschichte Eigenschaften des top-quarks Wie top-paare entstehen Detektion Methoden der Massen-Messung

3 Geschichte Die Vorstellung von Quarks wurde 1961 unabhängig voneinander durch Murray Gell-Mann und George Zweig entwickelt 1973 sagten Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa die Existenz der top- und bottom-quarks voraus bottom-quark 1977 am Fermi National Accelerator Laboratory entdeckt top-quark erst 1995 entdeckt (von den Detektoren CDF und DØ beim Tevatron-Beschleuniger) Warum später entdeckt? Wegen der höheren Masse des Teilchens (man braucht höhere Energien um sie zu erzeugen)

4 Ein paar Eigenschaften des top-quarks Masse = 173.1±1.3 GeV/c² (zum Vergleich mit anderen Quarks Skizze) Sehr kurze Lebensdauer aufgrund der großen Masse: etwa 4, Sekunden, zu kurz um Hadronen zu bilden (zu Hadronisieren). Dafür müsste es mindestens Sekunden leben. Nimmt wie alle Quarks an allen vier Wechselwirkungen teil.

5 Einschränkung der Higgs-Boson-Masse durch Messung von top-quark-masse und W-BosonMasse

6 Wie top-paare entstehen Das Tevatron ist ein Ringbeschleuniger (Radius=1km) in der Nähe von Chicago. Es werden ein Proton-Strahl und ein Antiproton-Strahl gegenläufig beschleunigt. Anschließend kollidieren beide bei den Detektoren CDF und DØ mit einer kinetischen Energie von 980 GeV pro Strahl.

7 Wie top-paare entstehen Es gibt zwei Möglichkeiten wie top-paare nach der p-p+-kollision entstehen können a)zu 85% Quark-AntiquarkAnnihilation: Dabei wechselwirken ein Quark aus dem Proton und ein Antiquark aus dem Antiproton b)zu 15% Gluonfusion: Dabei wechselwirken je ein Gluon aus dem Proton und dem Antiproton

8 Wie top-paare entstehen Das top-quark zerfällt zu ungefähr 99.8% in ein bottom-quark und in ein WBoson. Dilepton-Kanal: Beide W-Bosonen zerfallen in ein Elektron oder Myon und das entsprechende Neutrino.

9 Wie top-paare entstehen Das top-quark zerfällt zu ungefähr 99.8% in ein bottom-quark und in ein WBoson. Lepton+Jets-Kanal: Ein W-Boson zerfällt in ein Elektron oder Myon und in ein Neutrino. Das andere W-Boson zerfällt in Quarks, aus denen jeweils Bündel (Jets) aus Hadronen entstehen.

10 Wie top-paare entstehen Das top-quark zerfällt zu ungefähr 99.8% in ein bottom-quark und in ein WBoson. Hadronischer Kanal: Beide W-Bosonen zerfallen in Quarks, aus denen jeweils Bündel (Jets) aus beobachtbaren Hadronen entstehen. Das ist das sogenannte Hadronisieren.

11 zur Identifikation im Detektor Myonenspektroskopie (lepton+jets- und dileptonischer-kanal) Jet-Rekonstruktion und Energiemessung (alle Kanäle) Elektronen-Rekonstruktion (lepton+jets- und dileptonischer-kanal Spur-Rekonstruktion (wichtig für b-jets, alle Kanäle)

12 zur Identifikation im Detektor Die Elektronen und Myonen aus dem Zerfall des W-Bosons sind gut zu detektieren und im Normalfall lokal von den bjets getrennt. Für die Identifikation der b-jets nutzt man die lange Lebensdauer der b-hadronen aus (1, s). Die Spuren der Zerfallsprodukte führen aufgrund der langen Lebensdauer nicht durch den Punkt der Wechselwirkung. Um die Neutrinos zu detektieren nutzt man die Impulserhaltung aus. Die Summe der Impulse aller Endzustandsteilchen müssen gleich dem des Anfangszustandes sein, also Null. Der dabei fehlende Impuls, der die Summe zu Null korrigiert, korreliert stark mit dem des Neutrinos.

13 top-quark-masse Die Masse des top-quarks ist einer der freien Parameter des Standardmodells und muss deshalb experimentell bestimmt werden Wichtig für Einschränkung der Higgs-Boson-Masse Zwei wichtige Methoden zur Bestimmung der top-quarkmasse Template Methode Matrixelemente-Methode

14 Template-Methode wegen Auflösungs- und Rekonstruktionseffekten lässt sich die Masse nicht einfach am Maximum der gemessenen Verteilung ablesen. Man nimmt eine mögliche Masse an (z.b.: 160 GeV/c²) und erstellt mithilfe der bekannten Zerfallsprozesse die Massenverteilungfunkt. mittels der Monte-CarloSimulation (MC).

15 Template-Methode Nun variiert man den angenommenen Wert der Masse und simuliert für jeden Wert mittels MonteCarlo-Methode die entsprechende Verteilung. Das sind dann die sogenannten Templates. Mithilfe des χ2-test ermittelt man unter Einbeziehen der Untergrundprozesse die Masse mit dem kleinsten daraus resultierenden χ2

16 Matrixelemente-Methode Verwendet die Matrixelemente der relevanten Physikprozesse. Ausgangsgrößen sind der Viererimpuls der rekonstruierten Jets und Leptonen. Mit diesen Objekten lässt sich abhängig von der top-quarkmasse Wahrscheinlichkeiten berechnen, die auf den Matrixelementen von Signal- und Untergrundprozessen für jedes Ereignis basiert. Der größte systematische Fehler bei der Messung der topquark-masse ist die Jet-Energie-Skala, welche die gemessenen Energien im Detektor auf die Energien der produzierten Teilchen korrigiert.

17 Einzelnes top-quark Statt top-paare zu erzeugen, ist es auch möglich einzelne topquarks zu produzieren. Die Idee dazu liefert das Standardmodell. Die Produktion läuft über den Austausch virtueller W-Bosonen. Im März 2009 gelang es am Tevatron einzelne top-quarks nachzuweisen.

18 Quellen Physik Journal 8 (2009) Nr. 7 p

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