Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 2

Herbstschule für Hochenergiephysik Maria LaachSeptember 2010 Teil 2

Physik am LHC und erste Resultate

Claudia-Elisabeth WulzInstitut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der

Wissenschaften

Ma. Laach, Sep. 2010C.-E. Wulz 2

Offene fundamentale Fragen

LHC-Beschleuniger, inkl. aktueller Stand (Lint, Lmax, bunches)Fundamentale offene FragenExperimente und ihre PhysikzieleBekannte Standardmodellphysik SM-Higgs und SUSY HiggseSupersymmetrieExotika (BSM-Szenarien)- Extradimensionen- Compositeness- Z’, W’, heavy neutrinosB-PhysikSchwerionenphysik

Inhalt

Ma. Laach, Sep. 2010

J. M. Campbell, J. W. Huston, W. J. Stirling: Hard interactions of quarks and gluons: a primer for LHC physics, 2007 Rep. Prog. Phys. 70 89arXiv:hep-ph/0611148v1

T. Han: Collider Phenomenology: Basic Knowledge and Techniques, http://www.pheno.wisc.edu/~than/collider-update.pdf

M. Cacciari, G. Salam: The anti-kT jet clustering algorithm (2008)arXiv:hep-ph/0802.1189v2

P. Ryan (ATLAS Collaboration): Single-Top Cross Section Measurements at ATLASarXiv:hep-ex/0910.3824v1

delete:A. Pich: The Standard Model of Electroweak Interactions, http://arxiv.org/abs/0705.4264

Literatur und Quellen

C.-E. Wulz 3


Offene fundamentale Fragen

Ursprung und Hierarchie der TeilchenmassenGibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse?

Wie muß das Standardmodell erweitert werden?Supersymmetrie, Grand Unified Theories, …

Können alle Kräfte vereint werden?Einbindung der Gravitation?

Gibt es zusätzliche Dimensionen?Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen?Gibt es mehr als drei Teilchengenerationen?Asymmetrie zwischen Materie und AntimaterieWoraus besteht die dunkle Materie des Kosmos?Was ist die dunkle Energie?Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement

Quark-Gluon-PlasmaWie entstand das Universum?

Offene Fragen der Physik

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Das Standardmodell ist eine Theorie der starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte, formuliert in der Sprache von Quantenfeldtheorien, und der Elementarteilchen, die an diesen Wechselwirkungen teilnehmen. Die Gravitation ist jedoch nicht eingeschlossen. Wechselwirkungen werden durch den Austausch von virtuellen Teilchen vermittelt.

KRAFT RELATIVE STÄRKE

REICHWEITE VERMITTLER

Stark 1 10-15 m Gluonen

Schwach 10-6 10-18 m W, Z

Elektromagnetisch a (10-2) unendlich Photon

Gravitationell 10-38 unendlich Graviton

5C.-E. Wulz Ma. Laach, Sep. 2010

Teilchen im StandardmodellMaterieteilchen:

Fermionen (halbzahliger Spin, s = ½ħ) und ihre Antiteilchen.Es gibt 3 Familien (Generationen) von bis auf ihre Massen identischen Fermionfeldern. Fermionen treten als Leptonen und Quarks auf.

Vermittlerteilchen:Eichosonen (ganzzahliger Spin, s = 1ħ).Es gibt 3 Arten von Eichbosonen, entsprechend den 3 durch das Standardmodell beschriebenen Wechselwirkungen.

Higgsteilchen:Er wird zur Brechung der elektroschwachen Symmetrie in die Eichsymmetrie der Quantenelektrodynamik (QED) gebraucht. Teilchen, die mit dem Higgsfeld wechselwirken, können sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und erhalten Massen durch Kopplung and das Higgsboson (s = 0ħ).

C.-E. Wulz 6 Ma. Laach, Sep. 2010


SU(3)C x SU(2)L x U(1)Y

Quarks

Leptonen

Kräfte


Erste Aufgabe des LHC:

Wiederentdeckung des Standardmodells

Wiedersehen mit alten Bekannten ….


Resonanzen

PDG Masse: 1321.32 GeV

Ξ ΛπSignal : 222 ± 11 EreignisseUntergrund : 28 ± 2 Ereignisse Massenpeak : (3.09 ± 0.01) GeVMassenauflösung: (0.07 ± 0.01) GeV

Ξ-

Λπ-

π- p

J/y e+e-

J/y m+m-

KS0 p+p-


Quantenchromodynamik, Jets

C.-E. Wulz 10

Jets (Fragmentationsprodukte von gestreuten Partonen) sind omnipräsent bei LHC.Die höchsten Dijet-Massen sind bereits höher als √s des Tevatron!“It starts to get interesting” … T. Carli bei ICHEP 2010 Paris

2-Jet Ereignis

420 GeV

320 GeV

2j-invariante Masse 2.55 TeV


Jetalgorithmen

C.-E. Wulz 11

Prinzipielle Aufgabe von Jetalgorithmen: Berechnung von Vierervektoren der Partonen bzw. der sie repräsentierenden Jets aus Transversalenergien in Kalorimeterzellen bzw. Teilchenspuren.

Wünschenswerte Eigenschaften:

Boostinvarianz Initial state Partonen im Schwerpunktssystem im allgemeinen nicht in Ruhe bei Hadroncollidern!

InfrarotsicherheitJets sollen unabhängig von “soft”-Komponenten gefunden (underlying event, pileup, etc.) werden.

KollinearitätssicherheitJets sollen gefunden werden, egal ob ein Teilchen oder zwei kollineare Teilchen mit derselben Energie im Spiel sind.


Konusalgorithmen

C.-E. Wulz 12

Konusalgorithmen - Nähe im Winkelraum

Jets überspannen Kegel mit fixem Radius im (h,f)-Raum (DR typisch 0.4 bis 0.7). Es gibt Algorithmen mit oder ohne “seeds”. Kegel können überlappen, daher muss Splitten bzw. Fusionieren vorgesehen sein. Intuitiv, aber im allgemeinen weder infrarot noch kollinear sicher (es gibt verbesserte Versionen wie z.B. SISCone Algorithmus – “seedless infrared safe”).


kT - Algorithmen

C.-E. Wulz 13

(Anti-) kT - Algorithmen - Nähe im Impulsraum

p = 1 … kT -Algorithmusp = 0 … Cambridge/Aachen Algorithmusp = -1 … Anti-kT -Algorithmus (heute hauptsächlich in Verwendung bei LHC; Vorteil: Form der Jets ändert sich nicht bei Vorhandensein von soft particles)

i,j … Teilchen oder Pseudojet, B … Strahl (beam)kT, y, f … Transversalimpuls, Rapidität, Azimutdij … Minimaler relativer “Transversalimpuls” zwischen i und j, R ≈ O(1)… RadiusparameterWenn dij < diB ist -> Fusion von i und j (Pseudojet)Wenn nicht, wird i zur Liste von Jets hinzugefügt.

kT … “natürlichere” Form der Jets

Konus

Siehe G. Salams Vortrag!


Inklusive Jetwirkungsquerschnitte

C.-E. Wulz 14

Die Messung von Jetspektren ist aus folgenden Gründen wichtig:

• QCD-Tests (running as)• PDF• Signale für neue Physik in der Region mit hohem pT (z.B. Compositeness)-> Schlechte Abschätzung der Fehler in den QCD-Voraussagen (PDF, mR, mF) kann neue Physik vortäuschen, aber auch verbergen! Kenntnis der Energieskala von Jets (jet energy scale) ist ebenfalls enorm wichtig, da Einfluss auf sjet groß!• Untergrundabschätzung für Suchen

mR wird zur Abschätzung des Einflusses von Korrekturen höherer Ordnung variiert, typisch zwischen 0.5 pT und 2pT des höchstenergetischen Jets.

mR ... Renormierungsskala, mF ... Faktorisierungsskala


Jet Energy Scale

C.-E. Wulz 15

Aus den Energien der einzelnen Teilchen, die zu einem Jet gehören, sollte man auf die Energie des gestreuten Quarks oder Gluons, aus dem der Jet entstanden ist, rückschließen können.Probleme:- Teilchen, die eigentlich nicht zum Jet gehören, werden zum Jet gezählt- Teilchen, die eigentlich zum Jet gehören, werden nicht gemessen- Bias (Verschiebung des Absolutwerts) durch Abwesenheit von Kalibrationskanälen (z.B. Z -> jets) vor allem am Anfang des LHC-Betriebs- Kalorimetersignale bei gleicher Energie verschieden für elektromagnetische und hadronische Schauer- Energieverlust durch Material vor Kalorimeter und Punchthrough- Unsicherheiten in der Modellierung von hadronischen Schauern, Hadronisierung und underlying events- Noise, Pileup

Zur Zeit sind aufgrund der geringen Statistik die Korrekturen für die Jetenergieskala nur mit Monte Carlo möglich. ATLAS und CMS: zwischen 5% und 9%.


Jetauflösung

C.-E. Wulz 16

Jetspektren werden durch Auflösungseffekte verzerrt, daher muss man die Auflösungsfunktion bestimmen und anschließend das tatsächliche Spektrum durch Entfaltung berechnen.

Echtes Spektrum: a … 4 bis 6, Spektrum fälllt steil ab!

Gemessenes Spektrum:Res … Auflösungsfunktion (~

gaussförmig)pT’ … tatsächlicher

Jettransversalimpuls s … Detektorauflösung


Inklusive Jetwirkungsquerschnitte

C.-E. Wulz 17

Gute Übereinstimmung mit NLO (Ordnung as3) ... noch ... ?


Compositeness

C.-E. Wulz 18

Fermionen könnten eine Substruktur haben (Präonen).

Kontaktwechselwirkung

Q << LC Q << LCQ << LC

Neue WW

LC … Compositeness-Skalah … Interferenzparameter (±1)g … Diracmatrizeny … Diracspinoreng2/4p = 1

Achtung: Nachweis von Kontaktwechselwirkungen ist nicht unbedingt Beweis für Compositeness, da andere neue Phänomene ebenfalls durch eine Kontakt-wechselwirkungs-Lagrangedichte beschrieben werden können!


Compositeness in 2-Jet-Verteilungen

C.-E. Wulz 19

CMS

2.7 (aktuelles Limit)

Dh ... Pseudorapiditätsdifferenz der zwei höchstenergetischen Jets

Verhältnisse im Gegensatz zu Wirkungsquerschnitten fast nicht abhängig von PDF. Bis mindestens LC = 10 TeV sollte man bei LHC Hinweise auf Compositeness erhalten können.


Compton-StreuungAnnihilation

Direkte Photonproduktion

C.-E. Wulz 20

Das Studium der Produktion von isolierten Photonen (Photonen in Jets kommen meist aus Zerfällen von p und h Mesonen) ist aus folgenden Gründen wichtig:

• Präzisionstests für perturbative QCD• Gluonenverteilung im Proton, PDF• Kalibration der Jetenergieskala• Untergrund für z.B. H gg, G gg, f*

fg


W, Z• W und Z sind die ersten messbaren elektroschwachen Prozesse bei LHC• Tests für perturbative QCD und Partondichtefunktionen (W-Ladungsasymmetrie)• Genaue Kalibration der Detektoren mit Z • Luminositätsmessung• Untergrund für neue Physik


Bevorzugt für Analyse: Leptonische Zerfallskanäle W -> en, W -> mn

… transversale Masse (Jacobi-Peak)

Vektorsumme von ET in den einzelnen Kalorimeterzellen (i=1,n) ist Null falls kein Neutrino vorhanden ist, anderenfalls Falls Myonen vorhanden sind, muss man ihren Impuls berücksichtigen, da sie minimal ionisierende Teilchen sind. Hermetizität des Detektors!


W+ und W- werden am LHC mit unterschiedlichen Raten erzeugt, da u- gegenüber d-Quarks dominieren.

W


Z

Z -> e+e-, Z -> m+m- ATLAS:σ (Z ll) = 0.83 ± 0.07 (stat) ± 0.06 (syst) ± 0.09 (lumi) nb

σ (Z ee) = 0.72 ± 0.11 (stat) ± 0.10 (syst) ± 0.08 (lumi) nbσ (Z μμ) = 0.89 ± 0.10 (stat) ± 0.07 (syst) ± 0.10 (lumi) nb

Ma. Laach, Sep. 2010C.-E. Wulz 24 Ma. Laach, Sep. 2010

Z -> mm


1. Beauty-Ereignis: B+ (bu) -> K+ + J/y_

B: t = 1.6 ps, Zerfallslänge ca. 2 mm


Flavour Tagging Identifikation von Jets aus Fragmentation von (hauptsächlich) b-Quarks:• Präzisionsmessungen auf den Gebieten von Top- und Higgs-Physik• Entdeckung von Supersymmetrie und anderer neuer Physik• Unterdrückung von Untergrund aus leichteren Quarks• Luminositätsmessung• Untergrund für neue Physik

Zerfallslänge L: Distanz Sekundärvertex – Primärvertex b-Hadronen: ct ≈ 450 mm, L = bgct ≈ einige mmImpaktparameter einer Spur: Kürzester Abstand zum Primärvertex (3-dimensional oder transversal)


ATLAS Pixeldetektor


B-Tagging bei CDF

Massenverteilung für das W + ≥ 4 Jets Sample ohne b-Tagging. Gelb: Untergrund (ohne tt)

Massenverteilung für das W + ≥ 4 Jets Sample mit b-Tagging.Untergrund ohne (punktiert) und mit tt (strichliert) ist ebenfalls eingezeichnet.

- -


Top-Antitop

LHC: 87%

LHC: 13%Das Top-Quark ist aus mehreren Gründen interessant:• Hohe Masse: mt = (173 ± 0.6 stat. ± 1.1 sys.) GeV (Tevatron)• Yukawa-Kopplung lt = 0.996 ± 0.006 -> vielleicht spezielle Rolle bei der

elektroschwachen Symmetriebrechung?• Zerfall noch vor Hadronisierung (Lebensdauer kürzer als Hadronisierungszeit)• Genaue Messung der Topmasse schränkt den möglichen Higgsmassenbereich ein

(7 TeV) ≈ 163 pb, (14 TeV) ≈ 920 pb (NNLO) – 4% mit 100 pb-1 erreichbar Verzweigungsverhältnis (BR) t -> Wb fast 100%Ausgezeichnete Zerfallskanäle:

W -> en, mn (leptonisch), W -> + Jet (semileptonisch)


m + Jets Topkandidat

p bW+

t

W-

€

b l-

n

€

t p

b-jet

b-jet

l+

n

14. Juli 2010

m

Rekonstruierte Topmasse:210 GeV

Massen der Jets ohne b-Tag (3 Kombinationen): 104, 105 und 151 GeV

Selektion:1 m mit hohem pT

ETmiss > 100 GeV

4 Jets, davon mindestens einer mit b-Tag

Mehr Statistik wird noch für endgültige Bestätigung gebraucht!


Single Top

Dominant bei Tevatronund LHC

Klein bei Tevatron,signifikant bei LHC

s-KanalDrell-Yan

t-Kanal

Wt-Kanal

Tevatron

Klein bei Tevatronund LHC

LHC 14 TeVt: (246 ± 10.2) pbs: (10.7 ± 0.7) pbWt: (66.5 ± 3) pb

Die elektroschwache Produktion von Einzel-Tops (1. Nachweis 2006 am Tevatron) erfolgt mit viel geringeren Wirkungsquerschnitten als von tt-Paaren, so dass diese nicht für erste LHC-Physik relevant sind. Untergrund hauptsächlich tt.

_

_

Präzisionsmessungen


… Gemessener Mittelwert

Schleifenkorrekturen 0.5% (18.5 s)! Diese hängen u.a. von der Higgsmasse ab.

… “Tree level” Wert

Präzisionsmessungen erlauben durch Quantenschleifen höhere Massenskalen zu erforschen, als die Massen der in Reaktionen direkt involvierten Teilchen.

Beispiele:

Globale Fits

C.-E. Wulz 33

Fitparameter: MZ , MH , mt , Dahad(5)(MZ

2), aS (MZ2), mc , mb aus Messungen

bei SLC, LEP, Tevatron. http://www.cern.ch/Gfitter

Grünes Band: 1s-Ergebnis für die erlaubte Higgs-Masse, die sich aus allen Messungen ergibt.

Messpunkte: wenn man z.B. MZ im globalen Fit ignoriert, kann man noch immer die Higgsmasse fitten. Man würde dann einen sehr niedrigen Wert bekommen, (53+43-22) GeV. Die Z-Breite GZ hat jedoch überhaupt keinen Einfluss.


34

BACKUP


Single TopDie elektroschwache Produktion von Einzel-Tops (1. Nachweis 2006 am Tevatron) erfolgt mit viel geringeren Wirkungsquerschnitten als von tt-Paaren, so dass diese nicht für erste LHC-Physik relevant sind.

_

t-KanalW-g-Fusion

s-KanalDrell-Yan

Klein bei Tevatronund LHC

Dominant bei Tevatronund LHC

Klein bei Tevatron,signifikant bei LHC

Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 2

Documents

Transcript of Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 2