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Die Entdeckung des Top-Quarks

Sebastian Naumann

11. Januar 2005

speculation......evidence...

...observation

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Gliederung(i) „historical“

(ii) „theoretical“

(iii) „technical“

(iv) „statistical“

(v) „topical“

• Das Fermilab

• Die Suche nach dem Top-Quark

• Produktion von Top-Quarks

• Zerfall des Top-Quarks

• Tevatron

• CDF

• DØ

• Methoden der Meßdaten-Analyse

• Ergebnis der Auswertung

• Run II am Tevatron

• Top-Quarks am LHC

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historical: Das Fermilab 1/2

Das Fermi National Accelerator Laboratory...

...befindet sich im US-Bundesstaat Illinois, 30 Meilen westlich von Chicago

...ist eine der weltweit führenden Einrichtungen der Hochenergiephysik

...wird genutzt von rund 2300 Wissenschaftlern aus 28 Ländern

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historical: Das Fermilab 2/21966 – die U.S. Atomic Energy Comission benennt Weston als Ort für ein

neues Laboratorium der Hochenergiephysik1967 – Präsident Johnson gibt das National Accelerator Laboratory (NAL) in

Auftrag1968 – Baubeginn in Weston1972 – Beginn des Strahlbetriebs im Main Ring (200 GeV, Weltspitze)1974 – Umbenennung des NAL zu Ehren von Enrico Fermi (Nobelpreis 1938

für seine Beträge zur Kernphysik, gestorben 1954 in Chicago)1977 – Entdeckung des Bottom-Quarks1983 – Beginn des Strahlbetriebs am Energy Doubler (512 GeV), dem späteren

Tevatron1985 – erste Proton-Antiproton-Kollision (√s = 1,6 TeV, später 1,8 TeV)1995 – Entdeckung des Top-Quarks1997 – Shutdown des Tevatrons zwecks Umbau und Aufrüstung der Detektoren2000 – erster Nachweis des Tau-Neutrinos2001 – Beginn des Run II am Tevatron

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historical: Die dritte Generation• Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa postulierten

1973 in einem Artikel über CP-Verletzung in der schwach-en Wechselwirkung erstmals die 3. Generation der Quarks und Leptonen.

• Sie wollten die CP-Verletzung mit einer Theorie von 6 Feldern erklären. Sie sprachen nicht explizit von Quarks, nur von fundamentalen Hadronen.

• Ihr Artikel erschien ein Jahr bevor die 2. Quark-Generation vollständig nachgewiesen wurde (Entdeckung des J/ψ).

• Unabhängig von Kobayashi und Maskawa wurden in den USA 1975/1976 diverse Modelle mit mehr als 4 Quarks diskutiert. Hierbei kamen auch die Bezeichnungen „Top“ und „Bottom“ auf.

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historical: Das Bottom-Quark 1977

Im Fixed-Target-Experiment E288

am Fermilab wurde das Y endteckt.

Es konnte gezeigt werden, dass es aus

einem neuen Quark und seinem

Antiteilchen besteht:

PlatinTarget

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historical: Das fehlende Top

Das Top-Quark wurde im Standard-Modell nun benötigt...

...zur Komplementierung der drei Fermionen-Generationen

...als Partner des b-Quarks bzgl. des schwachen Isospins

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historical: Suche nach Top 1/2Es zeigte sich, dass im Fixed-Target-Experiment zuviel Ener-gie in die Bewegung der Teilchen ging (Impulserhaltung), umdie hohe Ruheenergie des Top-Quarks zu liefern.

In der Konsequenz wurde an Collidern bei immer höherenEnergien nach dem Top-Quark gesucht, wobei die Unter-grenze für die Top-Quark-Masse immer weiter stieg.

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historical: Suche nach Top 2/2• Ende der 70er / Anfang der 80er konnten die beiden Elektron-

Positron-Collider PETRA (am DESY) und PEP (am SLAC) für die Top-Masse den Bereich 10-20 GeV ausschließen.

• 1984 verkündete Carlo Rubbia (beteiligt an der Entdeckung von W und Z im Jahr zuvor) voreilig ein „clear signal“ für Top-Quarks am UA1 (CERN). Ein wichtiger Hintergrund war übersehen worden...

• Ende der 80er lieferten sich Fermilab (CDF) und CERN (UA2) ein Rennen auf der Suche nach dem Top. Beide konnten jedoch zeigen, dass dessen Masse nicht im Bereich 30-60 GeV liegen konnte. Damit war UA2 außer Stande, das Top noch zu finden.

• 1994 veröffentlicht CDF starke Anzeichen für die Produktion von Top-Quarks am Tevatron („evidence paper“, PRL).

• Am 2. März 1995 verkünden beide Detektor-Kollaborationen am Fermilab (CDF und DØ) in einer gemeinsamen Presse-Konferenz die Entdeckung des Top-Quarks („observation papers“, PRL).

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theoretical: Top-Produktion 1/2

Die vier Feynman-Diagramme niedrigster Ordnung für die Top-Paar-Produktion.

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theoretical: Top-Produktion 2/2• Am Tevatron ist die

Quark-Antiquark-Annihilation dominant

• Produktioneinzelner Top-Quarks wirdvernachlässigt (seltener + schwerer nachzuweisen)

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theoretical: Top-Zerfall 1/2

• Geladener Strom der schwachenWechselwirkung:

• b-Tag:– Soft-Lepton:

– Sekundärvertix (Lebensdauer desb-Quarks von ca. 10-12 s reicht füreinige Millimeter Flugstrecke)

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theoretical: Top-Zerfall 2/2

Verzweigungsverhältnisse beim Zerfall eines W-Bosonen-Paares(unter Beachtung der Quark-Massen sowie der drei Farb-Freiheitsgrade der Quarks)

„All Jets“-Mode

„Lepton+Jets“-Mode

„Dilepton“-Mode ( )

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technical: Das Tevatron• Umfang: 4 Meilen

• Supraleitung undstochastische Kühlungmachten die hohenEnergien möglich

• Proton-Antiproton-Beschleuniger:

– Vorteil: Beschleunigung von

Protonen u. Antiprotonen im selben Strahlrohr möglich

– Nachteil: Antiprotonen-Quelle nötig

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technical: Der CDF im ÜberblickDer Collider Detector at Fermilab (CDF) untersucht seit 1985Proton-Antiproton-Kollisionen im Tevatron.

In seinem Zentrum: supraleitender Solenoid (1,4 Tesla; 4,8 m Länge; 1,5 m Radius)

Symmetrie: azimutal und forward-backward

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technical: Die CDF-Geometrie• drei Detektor-Regionen:

central (C), end plug (P), forward (F)

• ganz innen: Spurkammern

• ganz außen: Myon-Detek-toren (CMU, CMP, CMX)

• elektromagn. (EM) und hadron. (HA) Kalorimeter,

Aufteilung in „Towers“;

die vomWW-

Punkt nach außen laufen

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technical: Das CDF-TrackingDrei Spurkammern für geladeneTeilchen innerhalb des Solenoiden:

• CTC (central tracking chamber)– 3,2 m L.; 1,32 m R., z-Aufl. > 4 mm

• VTX (vertex drift chamber)– 22 cm Radius; z-Auflösung 1 mm

• SVX (silicon microstrip vertex detector)– 51 cm Länge; Radius 7,9 cm; z-Auflösung 13-17 µm– direkt am Strahlrohr, vierlagig– insbesondere zur Suche nach Sekundärvertizes

VTX und SVX erst seit 1992.

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technical: Der DØ-DetektorDas Tevatron wird in sechs Sektionen aufgeteilt (A-F), derenMitte mit Null bezeichnet wird. Der CDF steht an BØ. AnDØ wurde ein zweiter Detektor gebaut.

Seit 1992 werden im DØ-Experiment Proton-Antiproton-Kollisionen untersucht.

DØ hat sich auf Kalorimetriespezialisiert. Der Detektor verfügtüber besonders gute Kalorimeter,dafür kleinere Spurkammern. Erhat weniger „Lecks“, ist deshalbzur indirekten Bestimmung vonNeutrinos gut geeignet.

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statistical: Goldene Ereignisse

Schon 1992 wurdenein paar scheinbar„perfekte“ Top-Ereignisse beobach-tet (auch dilepton).

Man entschied sichjedoch, nicht auf-grund eines „goldenevents“ die Ent-deckung des Top-Quarks zu verkünden.

Reanalyzed Februar 1995: „If this doesn‘t convince you, nothing will!“

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statistical: Strategien der SucheDie Strategien bei der Suche nach dem Top lassen sich grobin zwei Kategorie einteilen:

• Signifikanz-Tests (Zählexperimente)

• Likelihood-Tests („kinematische“ Suche)

In beiden Fällen ...

... werden zunächst Ereignisse aus der Gesamtheit der Meßdaten ausgewählt (Schnitte).

... spielt die Bestimmung des zu erwartenden Untergrunds eine wesentliche Rolle (u.a. Monte-Carlo-Simulationen).

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statistical: Schnitte

K e in e in va rie n te M asse e ine s e e - o de r µ µ -P a aresim B e re ich 75 -10 5 G e V !

(m ög lich es Z -B o so n)

M eh r a ls 2 5 G eVfe h le nde E n erg ie !

E n tg eg e ng ese tz te V o rze ich end e r b e ide n L ep to ne n !

D ILEPT O N

SVX(v e rsch ie de neA lgo ri thm en)

SLT

K lass if izie re na chA n za h l d e r Je ts ...

M eh r a ls 2 0 G eVfe h le nde E n erg ie !

LEPT O N +JETS

Z w eite s L ep ton m it m e hr a ls 20 G e V ?

E in iso lie r tes E le ktro n od e r M yo n m it m e hr a ls 20 G e V in d er C e ntra l-Re g io n !

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Statistical: Untergrund• Der theoretisch möglichen Untergrund-Prozesse werden

simuliert (Monte Carlo).

• Ebenfalls mit Computer-Simulationen wird bestimmt, welche der Untergrund-Ereignisse auf welche Weise vom Detektor registriert werden.

• Auf die resultierenden Daten werden die gleichen Schnitte angewandt wie auf die echten Meßergebnisse.

Drell-Yan-Lepton-Paar-Erzeugung(„Dilepton“-Untergund)

„W+Jets“-Ereignis(„Lepton+Jets“-Untergund)

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statistical: Signifikanz

Für jeden der drei Kanäle wurde die Wahrscheinlichkeit berechnet, dassdie beobachteten Ereignisse durch Untergrund-Fluktuationen zustandegekommen sind (Poisson-Statistik).

Die kombinierte Wahrscheinlichkeit betrug 1∙10-6.

Anzahl der „Lepton+Jets“-Ereignisse nach Jet-Multiplizitäten

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statistical: Likelihood und mt

• Für „Lepton+Jets“-Ereignisse mit mehr als 3 Jets und b-Tag wurde eine kinematische Rekonstruktion durchgeführt

• Über die Likelihood-Methode wurde anschließend jene Top-Masse bestimmt, die am besten mit der sich ergebenden Verteilung übereinstimmt

Mtop=(176±8±10)GeV/c²

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topical: Run II am Tevatron

• Detektoren weiter-entwickelt

• Main Injector undRecycler stattMain Ring

• mind. 30-fache An-zahl erzeugter Top-Quarks (nur O(10²) in Run I)

• u.a. weitere Vermessung der Top-Masse sowie des Wirkungsquerschnitts der Top-Produktion

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topical: Top-Quarks am LHC• Der LHC ist ein Proton-Proton-Collider (am CERN, 27 km

Umfang, Betriebsbeginn 2007) mit √s = 14 TeV

• Top-Produktion > 106 a-1

• Gluonen-Fusion dominant

• Analyse der Top-Zerfallsprodukte ähnlich wie am Tevatron

• Präzisionsvermessung der Eigenschaften des Top-Quarks

• Higgs-Teilchen koppelt gerne an schwere Teilchen (wie zum Beispiel das Top-Quark)

• Entdeckung neuer Physik (SUSY-Teilchen als Zerfallsprodukte des Tops??)...

Today‘s signal: tomorrow‘s background.

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Zusammenfassung

• Das Top-Quark wurde 1995 am Fermilab entdeckt.

• Es war das letzte der sechs Quarks und erheblich schwerer als ursprünglich angenommen.

• Vor der Entdeckung lagen fast zwei Jahrzehnte erfolgloser Suche weltweit.

• Top-Quarks werden eine wichtige Rolle spielen in der Hochenergiephysik der nächsten Jahrzehnte.

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Quellen• http://www.fnal.gov

• S. Abachi et al. (DØ): „Observation of the Top Quark.“ Phys. Rev. Letters (74), 1995

• S. Abachi et al. (DØ): „Search for the Top Quark in pp Collisions at √s = 1,8 TeV.“ Phys. Rev. Letters (72), 1994

• S. Abachi et al. (DØ): „Top quark search with the DØ 1992-1993 data sample.“ Phys. Rev. D (52), 1995

• S. Abe et al. (CDF): „Evidence for top quark production in pp collisions at √s = 1,8 TeV.“ Phys. Rev. D (50), 1994

• S. Abe et al. (CDF): „Observation of Top Quark Production in pp Collisions with the Collider Detector at Fermilab.“ Phys. Rev. Letters (74), 1995

• K. W. Staley: „The Evidence for the Top Quark. Objectivity and Bias in Collaborative Experimentation.“ Cambridge University Press, 2004