Die Entdeckung des Top Quarks

Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks

Die Entdeckung des Top Quarks

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Zentrale Fragen:

• Warum suchte man das Top - Quark?

• Wie suchte man das Top - Quark?

• Wie geht es mit dem Top – Quark weiter?


Entdeckung der 3. Generation

• 1975 Entdeckung des Tau

• 1977 Entdeckung des Bottom

Ist das Bottom Teil eines (schwachen) Isospin – Doubletts ?

Wenn ja muss es ein zweites Quark – das Top – geben.

Theoretisch auch denkbar:

Bottom ist schwaches Isospin - Singluett


Experimentelle Hinweise auf das Top-Quark

Experimentelle Hinweise auf Doublett Charakter:

1. Genaue Messung von Schleifenkorrekturen bei schwachen Zerfällen.

2. Vorwärts- /Rückwärts-Asymmetrie von gemessen am PETRA Speicherring

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Direkte (erfolglose) Suchennach dem Top - Quark

Beschleuniger Betrieben ab Maximale Schwerpunkts-energie [GeV]

PETRA 1979 23 – 23

SppS 1981 310 – 310

TRISTAN 1986 30 – 30

LEP 1989 50 – 50

SLC 1989 50 - 50

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Die Suche mit dem Tevatron am Fermilab

• bisherige Beschleuniger waren zu schwach

• Tevatron ist ein Proton Antiproton Collider mit einer Schwerpunktsenergie von insgesamt 1800 GeV

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Topproduktion am Tevatron

Quark-Antiquark-Annhilation Gluon-Gluon-Fusion

90% 10%

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Es gibt 2 Kollaborationen am Tevatron

Die CDF Kollaboration Die D0 Kollaboration

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Der CDF Detektor

Technische Details:

12m x 12m x 12m

5.000t

Magnet mit 1,4 Tesla

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Mehrere Detektionssysteme mit verschiedenen Aufgaben

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Das Detektionssystem

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Der Silizium Vertex Detektor

Kontakte

20µm dicke Siliziumstreifen

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Die Driftkammer

Oben und unten je ein Detektor in der Mitte eine gasgefüllte Drahtkammer

Signal

Prinzip:

Geladene Teilchen ionisieren Gas Elektronen driften mit konstanter Geschwindigkeit zu Anodendrähten Genaue Spurrekonstruktion durch Messung der Driftzeit


Das elektromagnetische Kalorimeter

Photomultiplier

Lichtleiter

Szinitilationsmaterial

Zur Detektion von Elektronen, Positronen und Photonen ab 100 MeV

Durch Bremsstrahlung und Paarerzeugung wird Kaskade von Teilchen erzeugt


Das hadronische Kalorimeter

Szintillationsmaterial

Absorbermaterial

Durch Kernreaktionen entstehen hadronische Schauer

Mit nur geringer Energiedeposition im Szintillationsmaterial darum ist die Genauigkeit geringer als im em. Kalorimeter

Photomultiplier

Lichtleiter


Die Myon-Driftkammern

Zur Detektion von Myonen werden Driftkammern verwendet.

Nur Myonen gelangen in die äußeren Driftkammern

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Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [1]


Der Zerfall des Top Quark

• Wenn die Top-Masse größer als die Masse von W-Boson und Bottom ist zerfällt es fast ausschließlich in diese Beiden.

• Laut CKM-Matrix ist der Zerfall des t in s und d Quarks stark unterdrückt

CKM-Matrix

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Zerfallskanäle des Top

Zerfall der W-Bosonen ist entscheidend für die Art des Zerfallskanals.

Die W-Bosonen können leptonisch (in Elektron, Myon + Neutrinos) oder hadronisch (in Quark-Antiquark-Paare) zerallen.

Es werden keine Prozesse mit Tauonen betrachtet

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Der Dileptonische Zerfallskanal

• Detektion zweier Leptonen wovon mind. eines die transversale Energie E > 20 GeV haben muss

• Detektion von 2 Jets mit transversaler Energie E> 10 GeV und Pseudorapidität |η| < 2

• Fehlende transversale Energie durch die beiden Neutrinos muss größer als 25 GeV sein.

Auswahlkriterien für Ereignisse:

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Pseudorapidität |η|

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• Detektion zweier Leptonen wovon mind. eines die transversale Energie E > 20 GeV haben muss

• Detektion von 2 Jets mit transversaler Energie E> 10 GeV und Pseudorapidität |η| < 2

• Fehlende transversale Energie durch die beiden Neutrinos muss größer als 25 GeV sein.


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Haupthintergrund nach Wichtigkeit:

Berechnen des Hintergrunds mittels QCD und Simulieren der Ereignisse mit Monte Carlo

Erwartete Zahl von Hintergrundereignissen

Drell-Yan-Prozess

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Zusammenfassung:• Nur wenig Ereignisse• Aber vergleichsweise geringer

Hintergrund

Ereignisse CDF 1995:

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Der Semileptonische Zerfallskanal

• Ein Lepton mit transversaller Energie E> 20 GeV

• Die fehlende transversalle Energie durch das Neutrino muss 20 GeV betragen

• Nachweis von mindestens 3 Jets mit transversaller Energie E > 15 GeV und |η| < 2,0

Alle Ereignisse die nach bisheriger Auswahl auch dileptonisch sein könnten werden verworfen


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Der Semileptonische ZerfallskanalBestimmung des Hintergrunds

Haupthintergrund sind W-Bosonen mit Quark-Antiquarkpaaren aus nicht Top-Ereignissen

Filtern des Hintergrunds erfolgt mit Bottom-Tagging, dem Identifizieren von Bottom-Quarks

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SVX-Tagging

Bottom-Quarks werden direkt im Silizium-Vertex-Detektor nachgewiesen.

Mittlere Lebensdauer der Bottom-Quarks im Detektor beträgt 450µm

Spezieller Algorithmus sucht nach Bottom-Quarks mit einer Effizienz von 42%

Secondary-Vertex-Tagging

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SLT-TaggingSoft-Leptonic-Tagging

Nachweis der Bottom-Quarks erfolgt indirekt über den Nachweis von sekundären Leptonen aus B-Zerfällen

Diese Leptonen haben kleinen Impuls (= soft)

Problem: „softe“ Leptonen aus anderen Prozessen

Beispiele für soft-leptonische Zerfälle


Der Semileptonische Zerfallskanal

Zusammenfassung:

• Deutlich höhere Ereignisrate als Dileptonischer Zerfall

• Wesentlicher größer Hintergrund als Dileptonischer Zerfallskanal

Ereignisse CDF 1995:

Zusammen mit Dileptonischem Kanal Hintergrundswahrscheinlichkeit: 1:1.000.000

Beobachtung des Top–Quarks (1995)

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Identifikation des Top-Quark

Das Top verglichen mit Hintergrund (CDF 2008)

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Identifikation des Top-Quark

Erwartete Ereignisse: Hintergrund vs. Top-Produktion (CDF 2008)

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All-Jet Zerfallskanal

• Mindestens 6 Jets mit transversaller Energie E>15GeV und |η|<2,0

• Gesamte transversalle Energie der Jets muss 150 GeV betragen

• Verhältnis der gesamten transversallen Jetenergie zur Schwerpunktsenergie muss größer als 0,75 sein

• Jets in einem Ereignis sollen nicht in einer Ebene liegen

• Mindestens ein SVX-Tag eines Bottom-Quarks


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All-Jet Zerfallskanal

Effizienz der bisherigen Auswahl beträgt laut Modellrechnungen lediglich 8,6%

Trotzdem noch großer Hintergrund vorhanden

Zur Modellierung des Hintergrunds verwendet man Ereignisse die alle All-Jet Kriterien erfüllen außer dem SVX-Tag

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Rekonstruktion der Top-Quark Masse aus semileptonischem Zerfall

Man verwendet Hypothesentests zur Massenrekonstruktion

Man weist den gemessenen Jets Partonen zu

Kleinstes Top-Masse (eines Events)

Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

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CDF 1995

Phys. Rev. Letter 74, 2626


Rekonstruktion der Top-Quark Masse

Die ersten Ergebnisse sind noch mit großen Fehlern behaftet.

Mit steigender Statistik werden die Fehler kleiner.

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Ausblick

Vorhersage zur Higgs - Masse Prozesse zur Higgs - Erzeugung

Einzeltop - ErzeugungStarke Top-Erzeugung am LHC

Top-Kenntnisse lassen sich zur Kalibration der Detektoren dort nutzen

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Bildnachweis

• [1] http://www-cdf.fnal.gov/images_movies/index.html

• [2] Search for the Top Quark – Peter Erhard

• [3] Bergmann Schäfer – Lehrbuch der Experimentalphysik – Band 4 Teilchen – de Gruyter 1992

• [4] http://www- d0.fnal.gov/Run2Physics/top/top_public_web_pages/top_dzero_detector.html

• [5] www.wikipedia.org


Literatur

• Top Physics at CDF – Richard E. Hughes 1995

• Observation of the Top Quark (D0) – Phys. Rev. Letter 74 2632

• Observation of Top Quark Production in ppbar Collisions with CDF at Fermilab – Phys. Rev. Letter 74 2626

• The Discovery of the Top Quark – Scientific American 1997

• Search for the Top Quark – Peter Erhard 1988

• Top Quark Physics in Hadron Collisions – Wolfgang Wagner 2005

• Povh, Rith, Scholz, Zetsche – Teilchen und Kerne – Springer 7. Auflage


Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit

[Bilder vom DESY]

Die Entdeckung des Top Quarks

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