Physik des Top-Quarks. Seminarvortrag SS 2005, Jan Steggemann Betreuer: Dr. Oliver Pooth

Transkript

1 Physik des Top-Quarks Seminarvortrag SS 2005, Jan Steggemann Betreuer: Dr. Oliver Pooth 1

2 Inhalt Physik des Top Quarks Top-(Antitop)-Paar-Erzeugung am Tevatron Entdeckung Top-Paar-Erzeugung am Tevatron Masse und andere Eigenschaften Top-Paar-Erzeugung am LHC Masse & andere Eigenschaften Einzel-Top-Erzeugung Top-Quark und neue Physik Ausblick Physik des Top-Quarks 2

3 Warum Top-Quark? top = oben, auf der Höhe da Isospin positiv (vgl. up-quark) große Masse Verbindung zu Higgs- Mechanismus, evtl. neuer Physik erster Name: Truth Physik des Top-Quarks 3

4 Eigenschaften des Top Quarks Ladung: 2/3 e Spin: ½ Isospin: +½ Lebensdauer: ~ s extrem kurz großer Phasenraum Masse: ~ GeV/c² ca. Masse eines Goldatoms 35 Masse des Bottom-Quarks schwerstes bekanntes Elementarteilchen Physik des Top-Quarks 4

5 Erzeugung des Top Quarks in Collidern Collider Tevatron Run Tevatron Run LHC LC I II Typ pp - pp - pp e + e - Laufzeit (?) 2007-? 2015(?)-? E CM (TeV) < 2m t ~ 1.0 L (cm -2 s -1 ) total (pb) ~ ~ ~ O(10) tt (pb) ~ 5 ~ 7 ~ 825 ~ 0.8 single t (pb) ~ 1.08 ~ 1.50 ~ 315 ~ 0 Physik des Top-Quarks 5

6 Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 6

7 Fermilab Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 7

8 Top-Antitop-Paar-Erzeugung erfolgt über Quark- Antiquark-Vernichtung oder Gluonen-Fusion ( nächste Seite) ist Prozess der starken WW restliche Quarks und Gluonen sind Untergrund Run I: ~ 600 Ereignisse pro Detektor Run II: evtl. 100 Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 8

9 Top-Antitop-Paar-Erzeugung Quark-Antiquark- Gluon-Gluon-Fusion Vernichtung Anteile am Tevatron: Run I: 90% 10% Run II: 85% 15% Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 9

10 Top-Paar-Zerfall wegen kurzer Lebensdauer Zerfall eines Quarks frei von langreichweitigen QCD-Effekten Top-Quark zerfällt fast exklusiv in W-Boson & Bottom-Quark Paar Kanäle: (nach W-Zerfall) dileptonisch semileptonisch voll-hadronisch Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 10

11 Anteile der Zerfallskanäle Nach Zerfallsart der W- Bosonen (2/3 Quark- Antiquark, 1/3 Lepton- Neutrino): dileptonisch (5%) semileptonisch (30%) voll-hadronisch (44%) zusätzlich: 21% - Kanäle (separat betrachtet wegen anderem (schwierigem) Nachweis) Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 11

12 Nachweis entstehender Teilchen CDF Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung DØ 12

13 Nachweis entstehender Teilchen Elektronen, Myonen: 90% Nachweis-Effizienz Neutrinos: nicht direkt nachweisbar; nur transversaler Impuls aller nicht nachweisbaren Teilchen Tauonen: zerfallen leptonisch (36%) oder hadronisch (64%); erstere kaum nachweisbar, letztere mit 50% Effizienz wegen entstehendem Neutrino nur mit guten Algorithmen vom Untergrund unterscheidbar Jets von Gluonen und leichteren Quarks: nahezu 100% Effizienz Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 13

14 Nachweis entstehender Teilchen b-markierung Bottom-Quarks: hadronisieren in B-Mesonen, zerfallen ~ 0.5 mm vom Haupt-Vertex entfernt in einen Jet, der dann auf den gemeinsamen Ursprung zurückführbar ist alternativ: 20% der Fälle: Lepton mit niedrigerem Impuls als aus W-Zerfall Effizienz: 60% Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 14

15 Ereignisauswahl Kriterien: hoher transversaler Impuls (p > GeV) der T Zerfallsprodukte da Top-Quark langsam («1) Teilchen gehen häufig in die zentraleren Teile des Detektors erstes Kriterium für Top-Ereignis hochenergetische Jets Bottom-Markierung (b-markierung/b-tagging) andere topologische Effekte Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 15

16 Untergrund nach der Ereignisauswahl Kanal Signal: verbleibende verbleibende wichtige (Qualität ) Untergrund tt-ereignisse Beiträge zum Untergrund voll- 1:5-1:1 5% falsche Jet-Zuordnung, hadronisch B-Markierung semi- 1:1-4:1 1% Ereignisse mit W- leptonisch Boson und Jets dileptonisch 1:2 (ohne b- 1% nur einige kleinere tagging) daher gutes S:U- groß (mit b) Verhältnis Top-Paar-Erzeugung am Tevatron - Entdeckung 16

17 Entdeckung des Top Quarks 1994: Hinweis (Evidenz) auf Top-Quarks (CDF) 12 Ereignisse Wahrscheinlichkeit für Nur-Untergrund: 0.26% (> 3) 1995: Entdeckung des Top-Quarks (CDF & DØ) DØ: 17 Ereignisse, Untergrund 3.8±0.6 Bestätigung innerhalb von 4.8 bzw. 4.6 Standardabweichungen zusätzliche Evidenz: Massen-Peak zusammen: > 5 CDF, 37 Ereignisse Pressekonferenz

18 Top-Paar-Erzeugung am Tevatron Masse und andere Eigenschaften Masse: wichtig wegen ihrer Größe die relativ genauest bekannte aller Quarkmassen Idee: Rekonstruktion der Top-Masse aus der Kinematik verschiedene Betrachtungen für verschiedene Kanäle (Kanäle mit Tau-Lepton werden wegen komplizierter Kinematik nicht betrachtet) benötigt: 4er-Impulse der jeweils 6 Zerfallsprodukte Masse und andere Eigenschaften 18

19 Impulse in den verschiedenen Zerfallskanälen 6 Zerfallsprodukte und 4er-Impulse 6 4 = 24 zu bestimmende Komponenten Impulseinschränkungen: 9 von den Teilchenmassen (6 Zerfallsprodukte, 2 W, 1 tt) transversaler Impuls 0 2 Einschränkungen 3n muss größer 0 sein (n: Zahl der Zerfallsprodukte) Neutrinoimpulse können nicht bestimmt werden: voll-hadronisch: n = 6 semileptonisch: n = 5 dileptonisch: n = 4 dileptonischer Kanal unterbestimmt, alternative Methode benötigt Masse und andere Eigenschaften 19

20 Zerfallskanäle voll-hadronisch großer QCD-Multijet-Untergrund führt zu großen Ungenauigkeiten Zuordnung der Jets (höchste 6 transversale Energien) schwierig ( Wahrscheinlichkeitsfits) semileptonisch klareres Signal & nur noch 4 Jets trotzdem noch Zuordnungsprobleme Wahrscheinlichkeitsfits, verschiedene Strategien dileptonisch (2 Klassen von Methoden) a) Top-Massen-Hypothese Wahrscheinlichkeit, dass die beobachtete Kinematik von entsprechendem Ereignis kommt b) arbeitet damit, dass die Bottom-Energien im Top-Ruhesystem festgelegt sind Masse und andere Eigenschaften 20

21 Wahrscheinlichkeitsanpassung Beispiel aus dem semileptonischen Kanal (DØ, 2004) L: Wahrscheinlichkeit, L/L max : rel. Wahrscheinlichkeit Masse und andere Eigenschaften 21

22 Komplikationen Detektoreffekte: Kalorimeterskalen haben relativ große Ungenauigkeiten in der absoluten Energieskala Jet-Energien werden ungenau bestimmt Detektorgeometrie: Lücken, Modulgrenzen etc. muss beachtet und aufgezeichnet werden Reste des Protons und Antiprotons zwei Jets (einer z.b. aus Strahlung) können als einer gemessen werden oder umgekehrt: einer kann sich in zwei aufteilen ein Jet kann ganz verloren gehen (z.b. durch das Strahlrohr selbst) resultiert in außergewöhnlichen Gesamtereignissen Masse und andere Eigenschaften 22

23 Top-Masse Ergebnisse Run I Hauptfehler: Jet-Energie-Skala (~ 4 GeV) (semileptonisch) Statistik (dileptonisch, vollhadronisch) Anmerkung: LEP 1994: m t =177±22 GeV/c² (aus Strahlungskorrekturen) Masse und andere Eigenschaften 23

24 Top-Masse aktuelle (vorläufige) Ergebnisse Masse und andere Eigenschaften 24

25 Einschränkung der Higgs-Masse Korrekturen zur W- Masse: ~ m t ² ~ ln(m H ) wahrscheinlichster Wert: 117 GeV/c² (aktuell nicht erreichbar!) obere Grenze: 251 GeV/c² (95% Wahrscheinlichkeit) 25

26 Andere Eigenschaften Spin Top-Quark zerfällt, bevor Spin sich ändert erhalten (messbar in Winkelverteilungen, später genauer) Tevatron möchte damit Spin ½ bestätigen Ladung Schätzungen: 2/3e könnte im Run II bestätigt werden (95% Wahrscheinlichkeit) es existieren exotische Theorien mit anderen Ladungen (-4/3e) Eichkopplungen Tevatron: entsprechen grob SM Lebensdauer, Zerfallsbreite klein: ~ s große Zerfallsbreite können am Tevatron nicht gemessen werden Masse und andere Eigenschaften 26

27 Top-Paar-Erzeugung am LHC Masse & andere Eigenschaften 27

28 Erzeugung am LHC Erzeugungsrate: ~ 1-10 Hz (Tevatron: ~ 10-4 Hz) 8 Millionen Top-Antitop-Ereignisse pro Detektor (ATLAS und CMS) im ersten Jahr (Tevatron Run I: 600) danach bis zu 10-fache Erhöhung (Tevatron Run II: 100-fache) Quark-Antiquark-Vernichtung: 10% Gluon-Gluon-Fusion: 90% (Tevatron: Quark-Antiquark- Vernichtung dominiert) Top-Physik am LHC 28

29 Erwartungen Massengenauigkeit Vorteile wegen großer Datenmenge: (stat. & syst. Fehler) Auswahl vorteilhafter Ereignisse (!) Bsp.: semileptonischer Kanal: höherer transversaler Impuls Zerfallsprodukte auf verschiedenen Seiten verbessert Kombinatorik & Systematik (Jet-Energie-Skala) Bsp.: di-/semileptonischer Kanal: Ereignisse, in denen ein Bottom- Quark hadronisiert, haben vorteilhafte Eigenschaften (s. Diagramm) genauere Kalibration der Kalorimeter möglich Top-Masse: nach 1 Jahr: m T 2GeV später: m T 1GeV Top-Physik am LHC 29

30 Bestimmung von Eigenschaften Ladung: Schätzungen: Ladung könnte zu fast 100% Sicherheit bestimmt werden z. B. direkt über Photonstrahlung in gg tt - Yukawa-Kopplung: über gg tt - H direkt messbar Eichkopplungen: noch keine guten Schätzungen Lebensdauer, Zerfallsbreite: Verbesserung der Statistik präzise Messungen können nur an einem linearen Collider durchgeführt werde Top-Physik am LHC 30

31 Spinkorrelation entgegengesetzter Spin gleicher Spin Spinkorrelation: existiert bei Spin ½ (und nicht 0) besonders groß beim dileptonischen Kanal wirkt sich auf Winkelverteilung der Zerfallsprodukte aus unterscheidet Quark-Antiquark-Vernichtung und Gluonfusion bei Tevatron: > (95% Sicherheit) (Vorhersage dil. NLO: 0.8) kann bei LHC gut bestimmt werden (Vorhersage dileptonisch: ~ 0.31) Top-Physik am LHC 31

32 Einzel-Top-Erzeugung Collider Tevatron Run Tevatron Run LHC LC I II Typ pp - pp - pp e + e - Laufzeit (?) 2007-? 2015(?)-? E CM (TeV) < 2m t - ~ 1.0 L (cm -2 s -1 ) total (pb) ~ ~ ~ O(10) tt (pb) ~ 5 ~ 7 ~ 825 ~ 0.8 single t (pb) ~ 1.08 ~ 1.50 ~ 315 ~ 0 Einzel-Top-Erzeugung 32

33 Arten der Einzel-Top-Erzeugung s-kanal: zeitartiges W- Boson t-kanal: raumartiges W- Boson assoziierte Erzeugung: reales W-Boson Einzel-Top-Erzeugung 33

34 Einzel-Top-Erzeugung an Beschleunigern Beobachtung schwieriger bisher noch keine Funde einzige Methode, um CKM-Übergangsmatrixelement V tb direkt zu bestimmen Tevatron (LHC) s-kanal: große Untergründe, Vergrößerung von um ~30% in Run II; noch keine Funde (LHC: Vergrößerunsfaktor 24) t-kanal: ungenauere Rechnungen; größere Erzeugungsrate: Faktor 3 (LHC: 23) assoziierte Erz.: vernachlässigbar am Tevatron (20% der Einzel-Top-Erzeugung am LHC), eher unwichtig Einzel-Top-Erzeugung 34

35 Top-Quark & neue Physik Top-Quark sensitiv für neue Physik hohe Masse: evtl. im Bereich neuer Teilchen, z.b. supersymmetrischer Teilchen Masse nahe der Energieskala des elektroschwachen Symmetriebruchs Yukawa- Kopplung erstaunlich nahe 1 Higgs- Mechanismus? oft zentrale Rolle in sog. Technicolor-Theorien (neue starke WW) am Tevatron bisher nur einige Ausschlüsse Top-Quark & Neue Physik 35

36 Effekte jenseits des SM Top-Masse auch wichtig als Untergrund und Parameter bei der Suche nach neuer Physik ein Bereich: seltene Zerfälle SM: t bw und einige seltene Zerfälle Mögl.: Zerfall in Bottom-Quark und geladenes Higgs-Teilchen (notwendig in manchen Theorien) Ausschlüsse in Tev Run II und LHC Mögl.: Zerfall in SUSY-Partner des Top-Quarks Bandbreite von Zerfällen in diversen Theorien Top-Quark & Neue Physik 36

37 Ausblick Top-Physik bleibt auch nach Entdeckung interessant: präzise Massenbestimmung notwendig vielleicht Hilfe zur Erklärung des Higgs-Mechanismus oder der Zahl der Quarkgenerationen mögliche Verbindung zu neuer Physik ironischerweise verschiebt diese manchmal zwei Parameter, sodass die Messergebnisse ähnlich bleiben einige Berechnungen für die Arbeit am LHC müssen noch durchgeführt werden Ausblick 37

38 Ausblick einige gute Aussichten für Tevatron Run II LHC öffnet weites Feld für Top-Physik vor allem wegen sehr hoher Erzeugungsrate LC wäre exzellent geeignet für Präzisionsmessungen Ausblick 38

39 Ende Looking for the Top Quark: education.jlab.org/topquarkgame Ende 39