Messung der Masse des Top-Quarks Frank Fiedler, Universität München

Transkript

1 Frank Fiedler, Universität München h Fortbildung Physik der Elementarteilchen, Dillingen,

2 Messergebnis: immer beste Abschätzung und Unsicherheit (1) systematische Unsicherheit: z.b. falsch kalibriertes Messinstrument z.b. ungenaue Definition des zu messenden Objekts (2) statistische Unsicherheit... 2

3 (2) statistische Unsicherheit: Top-Quarks zerfallen, mittlere Lebensdauer <t> = s => keine Zeit zum Messen -> Zerfallsprodukte Produktion und Zerfall -> Gesetze der Quantenmechanik => Heisenbergsche Unschärferelation ΔE Δt ħ da würfelt wer: ausgewürfelt werden... => Produktionsprozess, Masse (~Energie im Ruhesystem) und Zerfall jedes einzelnen Top-Quarks Statistik: Würfeln = Bernoulli-Experiment => oft messen und Mittelwert der Einzelergebnisse bilden! 3

4 Gedankenexperiment als Beispiel für eine Messung: Messung der Position eines gedachten Punktes gemessene Position, d.h. beste Abschätzung und Messungenauigkeit... wo ist der gedachte Punkt jetzt wirklich? 4

5 Gedankenexperiment als Beispiel für eine Messung: Messung der Position eines gedachten Punktes gemessene Position, d.h. beste Abschätzung und Messungenauigkeit zweite Messung... wo ist der gedachte Punkt jetzt wirklich? 5

6 Gedankenexperiment als Beispiel für eine Messung: Messung der Position eines gedachten Punktes gemessene Position, d.h. beste Abschätzung und Messungenauigkeit zweite Messung dritte Messung... wo ist der gedachte Punkt jetzt wirklich? 6

7 Gedankenexperiment als Beispiel für eine Messung: Messung der Position eines gedachten Punktes vierte Messung gemessene Position, d.h. beste Abschätzung und Messungenauigkeit zweite Messung dritte Messung... wo ist der gedachte Punkt jetzt wirklich? 7

8 : eher so... 8

9 Einstein: E = m c2... Im folgenden: Masse = Ruhemasse m0 ~ Energie des ruhenden Teilchens: E2 = p2c2 + m02c4 <=> m0 = E2/c4 p2/c2 Problem: s ist zu kurz Lösung: Energie-/Impulserhaltung => messe alle Zerfallsprodukte i Etop = ΣEi, i Einheit: GeV/c2 ptop = Σpi i 9

10 Elementare Teilchen im Standardmodell der Elementarteilchenphysik: Fermionen: Spin 1/2: Materie (+Antiteilchen) Goldatom Bosonen: Spin 1: Wechselwirkungen der Teilchen Spin 0: Masse der Teilchen 10

11 Kurze Geschichte des Top-Quarks: Vor der Entdeckung: 1977: Entdeckung des Bottom-Quarks Bottom-Quark Teil eines QuarkDubletts Indirekter Rückschluss auf die Masse des (hypothetischen) Top-Quarks: ~ GeV/c2 Entdeckung 1995: Proton-Antiproton-Kollisionen am Tevatron-Beschleuniger bei Chicago Übereinstimmung mit den Erwartungen! 11

12 Goldatom Eigentliche Frage an das Top-Quark: Warum hast Du so eine große Masse? derzeit: Wie groß ist Deine Masse genau? => indirekter Rückschluss auf die Masse des (hypothetischen) Higgs-Bosons Massen des W-Bosons und des Top-Quarks: indirekte Information direkte Messungen erlaubte Werte mw(mtop) für verschiedene Massen des Higgs-Bosons 12

13 Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks => Teilchenbeschleuniger Messung der Zerfallsprodukte => Detektor Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse 13

14 Produktion von Top-Quarks am besten: Produktion eines Top-Antitop-Paares Feynman-Diagramm des Prozesses: Darstellung der Rechenvorschrift für's quantenmechanische ÜbergangsMatrixelement Visualisierung der Reaktion Endprodukte der Reaktion (Endzustand) Austauschteilchen der Wechselwirkung (virtuell) kollidierende Teilchen (Anfangszustand) kollidierendes Quark-Antiquark-Paar: => aus Proton-Antiproton-Kollisionen 14

15 Produktion von Top-Quarks Warum Produktion eines Top-Antitop-Paares? Erhaltung der Top-Quantenzahl in der starken (und elektromagnetischen) Wechselwirkung Produktion einzelner Top-Quarks nur mittels schwacher Wechselwirkung: => kleinere Reaktionsrate (und mehr Untergrund) Warum nicht in e+e- -Kollisionen? Energieverlust von e+/e- durch Synchrotronstrahlung in Kreisbeschleunigern => LEP-Schwerpunktsenergie <= 209 GeV Paarproduktion: Mindestenergie 350 GeV einzelne Produktion: Reaktionsrate zu klein => e+e- -Linearbeschleuniger! (vgl. Vortrag von Ariane Frey) 15

16 Produktion von Top-Quarks Der Tevatron-Collider: ( derzeit weltweit einzige Top-Produktionsstätte ) 16

17 Produktion von Top-Quarks Der Tevatron-Collider: Proton-Antiproton-Kollisionen 2 Experimente: CDF und DØ Run I ( ): ECM(pp) = 1800 GeV integrierte Luminosität: ~ 0.1 fb-1 Run II (seit 2002): ECM(pp) = 1960 GeV integrierte Luminosität: ~ 1 fb-1 Erwartung für Run II: integrierte Luminosität: ~ 4 9 fb-1 17

18 Produktion von Quark-Antiquark-Paaren Eigentliche Schwerpunktsenergie < 1960 GeV Proton = Valenzquarks (uud) + Quarks/Antiquarks/Gluonen ( See ) Antiproton = Valenzantiquarks (uud) + Quarks/Antiquarks/Gluonen ( See ) kollidierende Elementarteilchen: nur Teil des (Anti-)proton-Impulses Kollision von: Mindestenergie für tt-produktion => Produktion leichterer Quarks (sehr) viel wahrscheinlicher! 18

19 Produktion von Top-Quarks und allem möglichen anderen Kram Wirkungsquerschnitte: gesamt: σ = fb tt: σ = fb Zahl der Ereignisse: N = σ integrierte Luminosität Datenrate der Experimente: O(100 Hz) Wollen wir 3 Jahre auf's erste tt-ereignis warten?! => Online-Ereignisselektion! ( Trigger ) Schwerpunktsenergie (GeV) 19

20 Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks => Teilchenbeschleuniger Messung der Zerfallsprodukte => Detektor Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse 20

21 Zerfall von Top-Quarks Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses: Top-Quarks zerfallen: t -> bw+ in Zerfallszeit: <t> = s ( vor der Bildung von Hadronen ) 21

22 Zerfall von Top-Quarks Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses: Top-Quarks zerfallen: t -> bw+ in Zerfallszeit: <t> = s ( vor der Bildung von Hadronen ) W-Bosonen zerfallen: W -> e ~ 10% (vgl. -Zerfall) W -> ~ 10% W -> ~ 10% W -> qq' ~ 70% 22

23 Zerfall von Top-Quarks Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses: Top-Quarks zerfallen: t -> bw+ in Zerfallszeit: <t> = s ( vor der Bildung von Hadronen ) Klassifizierung: ein Lepton+Jets Ereignis im Detektor 05% Dilepton 30% Lepton+Jets 44% hadronisch 21% mit τ-zerfällen 23

24 Die Zerfallsprodukte Was mit den Zerfallsprodukten passiert: Elektron/Positron: stabil Myon: zerfällt (µ -> e ν ν), aber nicht im Detektor! Tauon: zerfällt sofort Neutrino: unsichtbar (anti-)quark: Hadronisation -> Teilchen-Jet Ein Quark-Antiquark-Paar... fliegt auseinander... energetisch günstiger: Bildung eines neuen Quark-Antiquark Paars (-> farbneutrale Hadronen) 24

25 Die Zerfallsprodukte Messung der Zerfallsprodukte im Detektor: 25

26 Die Zerfallsprodukte Messung der Zerfallsprodukte im Detektor: 26

27 Das Detektorprinzip Innerer Spurdetektor: nicht-destruktive Messung aller geladenen Teilchen Spur -> Richtung Spurkrümmung im Magnetfeld -> Ladungsvorzeichen, Transversalimpuls Elektromagnetisches Kalorimeter: Standard-Schalenaufbau eines ColliderDetektors destruktive Messung von e±, γ elektromagnetischer Schauer -> Richtung und Energie Hadronisches Kalorimeter: destruktive Messung aller Hadronen hadronischer Schauer Myon-Spurdetektor: Identifizierung von Myonen 27

28 Spurdetektor Spurdetektor in homogenem Magnetfeld (parallel zur Strahlachse) => Messung des Transversalimpulses pt über den Krümmungsradius ρ 28

29 Kalorimeter Konzept: destruktive Messung der Teilchen-Energie Elektromagnetische Schauer: bei hohen Energien, in Materie... reagieren Photonen via e+e--paarbildung reagieren Elektronen via Bremsstrahlung Hadronische Schauer: starke Wechselwirkung mit Materie Produktion von sekundären Hadronen 29

30 Myon-Detektor Spurdetektor außerhalb des Kalorimeters Konzept: nur Myonen hinterlassen hier noch Spuren DØ-Myondetektor 30

31 Gesamtansicht DØ-Installation CDF-Installation 31

32 Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks => Teilchenbeschleuniger Messung der Zerfallsprodukte => Detektor Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse 32

33 Produktion von Top-Quarks und allem möglichen anderen Kram Wirkungsquerschnitte: gesamt: σ = fb tt: σ = fb Zahl der Ereignisse: N = σ integrierte Luminosität Datenrate der Experimente: O(100 Hz) Wollen wir 3 Jahre auf's erste tt-ereignis warten?! => Online-Ereignisselektion! ( Trigger ) Schwerpunktsenergie (GeV) 33

34 Selektion der Ereignisse tt-produktion und Zerfall Ereignis im Detektor: 34

35 Selektion der Ereignisse tt-produktion und Zerfall Ereignis im Detektor: 35

36 Selektion der Ereignisse tt-produktion und Zerfall Ereignis im Detektor: Produktion leichterer Quarks Ereignis im Detektor: 36

37 Selektion der Ereignisse Selektionskriterien für Lepton+Jets-Ereignisse: ein Elektron oder Myon (Mindestenergie, nicht in der Nähe von Jets) } wichtig für die onlineselektion (Trigger)! (mindestens) vier Jets (Mindestenergie) Neutrino -> fehlender Transversalimpuls Ereignis im Detektor: Ereignis im Detektor: 37

38 Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks => Teilchenbeschleuniger Messung der Zerfallsprodukte => Detektor Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse 38

39 Kalibration des Detektors aus Energien/Impulsen der Zerfallsprodukte i : m0 = E2/c4 p2/c2 mit Etop = ΣEi, ptop = Σpi i i Richtungen von Elektron/Myon und Jets -> gut gemessen Massen der Zerfallsprodukte: mic2 << Ei => pi c Ei Problem I: absolute Energiekalibration des Kalorimeters (-> Elektronen, Jets)? absolute Impulskalibration des Spurdetektors (-> Elektronen, Myonen)? Problem II: Messung des Neutrino-Impulses?? 39

40 Kalibration des Detektors Prinzip: Kalibrationsdatennahme zur gleichen Zeit Elektronen und Myonen: leptonische Z0-Zerfälle LEP: e+e- -> Z0 ->... => mz = ± GeV/c2 Tevatron: qq -> Z0 -> e+e=> vergleiche die Z-Masse: Daten und Erwartung geringer Untergrund! 40

41 Kalibration des Detektors Prinzip: Kalibrationsdatennahme zur gleichen Zeit Jets: hadronische W/Z0-Zerfälle? zu großer Untergrund! 41

42 Kalibration des Detektors Ausweg: hadronische W-Zerfälle in Top-Antitop-Ereignissen LEP: e+e- -> W+W- ->... => mw = ± GeV/c2 Tevatron: qq -> tt -> (Wb)(Wb) => vergleiche die W-Masse: 42

43 Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks => Teilchenbeschleuniger Messung der Zerfallsprodukte => Detektor Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse 43

44 Auswertung der Ereignisse rekonstruiere die Top-Quark-Masse in jedem Ereignis => Verteilung von rekonstruierten Massen simuliere solche Experimente für verschiedene angenommene Massen Vergleich => Massenmessung = bester Wert und (statistische) Unsicherheit (diese Messung: ± 2.5 GeV/c2) 44

45 Systematische Unsicherheiten Glückwunsch: Hälfte der Auswertung geschafft! => Systematische Unsicherheiten: statistische Unsicherheit der Energieskala für Jets: ±3.5 GeV/c2 Unterschiede zwischen b-jets und anderen Jets: ±0.8 GeV/c2 zusätzliche Abhängigkeiten (Position im Detektor?) ±0.3 GeV/c2 Vergleich mit simulierten Daten Genauigkeit der Kenntnis der Reaktionen: ±1.2 GeV/c2 (repräsentative Werte für eine Einzelmessung) Detektor-Kalibration 45

46 Systematische Unsicherheiten Unsicherheiten aufgrund von Farbladungen Farbladungen sind immer erhalten, also: 46

47 Systematische Unsicherheiten Unsicherheiten aufgrund von Farbladungen Farbladungen sind immer erhalten, also: zusätzlicher Farbaustausch (Quarks, Gluonen) -> farbneutrale Hadronen => Top-Quark-Masse nicht eindeutig rekonstruierbar 47

48 Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks => Teilchenbeschleuniger Messung der Zerfallsprodukte => Detektor Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse 48

49 Interpretation der Ergebnisse Messungen mit... Dilepton-Ereignissen, Lepton+Jets -Ereignissen und hadronischen Ereignissen...sind konsistent Weltmittelwert (gewichtetes Mittel, inkl. Korrelationen) 49

50 Interpretation der Ergebnisse Massen des W-Bosons und des Top-Quarks: indirekte Information direkte Messungen erlaubte Werte mw(mtop) für verschiedene Massen des Higgs-Bosons χ2 ( Unwahrscheinlichkeit ) indirekter Rückschluss auf die Masse des (noch hypothetischen) Higgs-Bosons: im Standardmodell: noch mögliche Werte für die Masse des Higgs-Bosons 50

51 Interpretation der Ergebnisse wird die Luft dünn für das Standardmodell? zusätzliche Teilchen => veränderte Relation mw(mtop, mhiggs) z.b. Minimales supersymmetrisches Standardmodell: derzeitige direkte Messungen Tevatron+LHC e+e--linearbeschleuniger es wird spannend... 51

52 (I) Messungen und Unsicherheiten Elementarteilchen Top-Quarks: Produktion / Zerfall Detektorkonzept Kollision von: Mindestenergie für tt-produktion Zur Erinnerung an Dillingen 2006

53 (II) Ereignisselektion Auswertung Detektorkalibration SUSY or not SUSY Zur Erinnerung an Dillingen 2006