Martin zur Nedden, HU Berlin 1 Physik der schweren Quarks: von HERA zu LHC Die Vermessung der...

Martin zur Nedden, HU Berlin 1Physik der schweren Quarks: von HERA zu LHC

Die Vermessung der Schönheit: Schwere Quarks bei HERA und LHC

Kolloquiums-Vortrag an der Ludwig-Maximilians-UniversitätMünchen, 15. Oktober 2007

Martin zur Nedden, Humboldt-Universität zu Berlin

Experiment ATLASam LHC / CERN

Experiment HERA-Bbei HERA / DESY

Physik der schweren Quarks: Von HERA zu LHC

http://www.desy.de/

http://cern.ch/


Inhalt● Einführung

– Schwere Quarks im Standard-Modell– Beschleuniger HERA und LHC

● Physikalische Fragestellungen– Vermessung der Eigenschaften schwerer Quarks– Suche nach Phänomenen jenseits des Standard-Modelles

● Experimentelle Herausforderungen und Resultate– Experiment HERA-B (Proton-Nukleus Streuung)– Experiment ATLAS (Proton-Proton Streuung)

● Ausblick auf LHC (ATLAS)– B-Physik– Physik des top-Quark


Motivation

● Test der Symmetrien der Naturkräfte– CP-Verletzung

● Struktur der starken und schwachen Wechselwirkung– Starke Kopplungskonstanten– Quark-Mischungs-Matrix

● Suche nach neuer Physik– Präzisionsmessungen

Schwere Quarks: eines der wichtigsten Experimentierfelder


Quarks und Leptonen

Massen in MeV

0

-1

+2/3

-1/3

LADUNG

Die Masse des top-Quarks ist mit 175 GeV riesig …


Erzeugung schwerer Quarks

ij

FRijFjFi dxdxppxfxf 2122

212

22

1 ),,,(ˆ),(),(

Erzeugung in hadronischer Wechselwirkung

Parton-Dichteverteilungender Hadronen

PartonischerWirkungsquerschnitt

Hadronisation:Bildung von Hadronen mitschweren Quarks

Prozess faktorisierbar


• “Hidden” Flavours: Zustände aus Quarks und jeweiligem Antiquark• Analogie zum Positronium• Spektroskopie der starken Wechselwirkung• c-Quarks: und angeregte Zustände (Ψ’, χc, etc.)• b-Quarks: und angeregte Zustände (Y’, Y’’, etc.)

• “Open” Flavours: Zustände mit anderen (leichten) Quarks/Antiquarks• c-Quarks: • b-Quarks:

• keine gebundenen Zustände mit top-Quarks• Zerfallskanäle

• J/Ψ , Υ e+e- , μ+μ- : sehr gut rekonstruierbar• B0 J/Ψ + X : gut messbare Zerfallslängen • b c + μ + υμ : gut messbare Stoßparameter

Teilchen mit schweren Quarks

ccJ /

bb

etc. ,,0 dcDucD

etc. ,,, 00 ubBsbBdbB s


Der Beschleuniger HERA bei DESY


HERA schematisch

4 Experimente: H1, HERA-B, ZEUS und HERMES

H1 (ep)

HERA-B (pA)

ZEUS (ep)

HERMES (eA)

Hadron-Elektron-Ring-Accelerator:

Ep = 920 GeVEe = 27.5 GeVSchwerpunkt: 320 GeV

Datennahme:von Oktober 1992 bis Juli 2007


Der Beschleuniger LHC am CERN


Der Large Hadron Collider schematischProton-Proton-Kollisionen bei √s = 14 TeV, Strahl-Kreuzungsfrequenz von 40 MHz, Umfang von 27 km

Start: Sommer 2008


Zerfallsarten schwerer Quarks

hadronischer Zerfall semi-leptonischer Zerfall

Zerfall in einen CP-Eigenzustand:

ohne B0 - Oszillation mit B0 - Oszillation


Methoden zum B-Nachweis

Impuls des Muons relativ zur Jet-Achse: ptrel

basiert auf Jet (Kalorimeter) und MYON Information: b-Jet

Zerfallslänge des B-Hadrons:Spur- und Vertex-Information notwendig:

pp bb X J/ψ XY XY

Messung von sekundären Vertices

Semileptonischer b-Quark-Zerfall

pp B+B- XY


Direkte b → d, s Übergänge (Flavour Changing Neutral Currents) sind im SM verboten und erscheinen in niedrigster Ordung durch Schleifen-

Diagramme:

Seltene B-Zerfälle

Bsμ+μ-

hervorragendes experimentelles Werkzeug:guter Test des SM und möglicher Erweiterungen Information zu QCD-Effekten über lange DistanzenBestimmung der Kopplungstärken |Vtd| und |Vts|

Pinguin-Diagramm Box-Diagramm


920 GeV Protonen

p + A X , s = 41.6 GeV

Proton-Kern-Streuung bei HERA-B

Datennahme bis März 2003am HERA Speicherring

Trigger-Eingangsrate:5 MHzSpeicherrate:100 Hz


HERA-B Detektor und Trigger

p-beam

z [cm]

C

Ti

W

Myon-TriggerElektron-Trigger


•150 M di-Lepton Trigger Ereignisse (e+e- und μ+μ-) ~ 300 000 J/ψ (>1000 pro Stunde) ~ 15 000 c1+ c2

~ 5 000 ψ(2S) • 210 M minimum-Bias Ereignisse 1000 ev./s > 1TB/Tag

Der HERA-B Datensatz

m(ee) [GeV/c2]

entr

ies/

(30

MeV

/c2 )

103

104

2.5 3.0 3.5 4.0

~ 120 000 J/ψ ~ 2 200 ψ′

σJ/ψ ~ 64 MeV

e+e-

J/J/ψψ

ψ′ψ′

entr

ies/

(25

MeV

/c2 )

m(μμ) [GeV/c2]

103

104

2.8 3.2 3.6 4.0

μ+μ-

J/J/ψψ

ψ′ψ′

~ 170 000 J/ψ ~ 3 000 ψ′

σJ/ψ ~ 44 MeV

Absolutmessung aller Wirkungsquerschnitte mittels Daten des di-Lepton Triggers bedingt einen unabhägigen J/ Referenz-Wirkungsquerschnitt aus dem minimum-Bias-Datensatz ( pN(J/) )


Beauty Produktion bei HERA-B

pA bb + X

J/ + X’

e+ e- , + -

Suche nach versetzten (sekundären) Vertices

pA Υ + X e+ e- , +-

Alle Wirkungsquerschnittsmessung relativ zur direkten J/-Produktion, normiert auf die Messung mit mBias-Daten (NRQCD-Fit)

RD: =5314 m

„open“

„hidden“ Analyse der invarianten Massen


Produktion verborgener Beauty

Fit: A· ((1S) + (2S) + (3S)) + B · Drell-Yan + kombinatorischer BG

DY

comb comb

DY

Myon-Kanal: 30.8 ± 7.4 Elektron-Kanal: 75 ± 14

(1S) : (2S) : (3S) fixiert nach Resultaten von E605

Form aus dem

MC

von Paaren gleicher Ladung


Hidden Beauty: Resultate

Normiert zum J/-Referenzwirkungsquerschnitt (mBias):

Fit “Craigie”:

s

msf 00 exp)(

NLO CEM

[Phys.Lett.B638(2006)13]

//

/ JNJNBRRJ

HERA-B


Suche nach “Open Beauty”: Signale

• Suche nach Ereignissen mit versetzten Vertices im J/Ψ – Datensatz• Messung des Wirkungsquerschnittes relativ zur direkten J/Ψ-Produktion


B-Produktions-Wirkungsquerschnitt

Relative to prompt J/ to minimize uncertainties

from efficiencies, luminosity …

Normiert auf den ReferenzwirkungsquerschnittpN(J/) = (502 44) nb/N

005.0906.001.083.0/

///

bb

J

bb

JJ

bbJbb

ff

ffR

HERA-B

[Phys.Rev.D73(2006)052005]

Extrapolation auf den kinematischenGesamtbereich


Obere Grenze für D0→μ+μ–

● Suche nach einem Signal des FCNC Zerfalles D0→μ+μ– in di-Myon-Daten

● Beobachtete Ereignisse: 3● Erwarteter Untergrund: 6● Limit (90% CL):

● bestes Limit zur Zeit der Publikation

[Phys. Lett. B596 (2004)173]

60 100.2 DBR

ucD 0


Proton-Proton-Streuung bei ATLAS


Teilchen-Identifikation bei ATLAS

• Spurerkennung : - Halbleiter-Detektor - Übergangsstrahlungs-Detektor• Energiemessung: - Elektro-Magnetisch - Hadronisch • Myon-Spektrometer: Toroid mit Driftröhren


ET

WW-Rate

Anforderungen an den Trigger

Speicher-Rate

σ rate WW-Rate: ~ 1 GHz BC-Rate: 40 MHz Speicher-Rate: ~ 200 Hz

“online”-Reduktion: 99.9995%

Leistungsfähiger Trigger unabdingbar:

Selektion der seltenen Ereignisse aus der extrem untergrundreichen LHC Umgebung

• Physik-Trigger• Technische Trigger

Unt

ergr

und

Ent

deck

unge

n


Das Trigger Konzept von ATLAS Level 1: Reduktion von 1GHz auf 75 kHz (in 2.5 s)• triggert auf (high) pT-Objekte• L1-Calo und L1-Muon senden Regions of Interest (RoI) nach LVL2 für e///jet/

Kandidaten zu einer bestimmten Energieschwelle• Reiner Hardware-Trigger, gröbere Granularität

Level 2: von 75 kHz auf 1kHz (in 10 ms)• benutzt L1-Regions of Interest als “Seed” der

Rekonstruktion (volle Granularität)• nur Daten innerhalb der RoI werden verwendet:

geringer Datentransfer:• nur ~2% der Gesamtdaten des Ereignisses• Kombination verschiedener Detektor- informationen innerhalb der RoIs.

• Software-Trigger, Auslese nach L2-Akzeptanz

Event-Filter: von 1kHz auf 200 Hz (in 1s)• Zugriff auf volle Ereignisinformation, quasi-”offline”-Algorithmen• reiner Software-Trigger (hohe Felexibilität)


Physikalische Fragestellungen beim LHC

p pH

µ +

µ-

µ+

µ-

Z

Z

p p

e- e

q

q

q

q

1-

g~

~

20~

q~

10~

Elektroschwache Symmetriebrechung ?- Suche nach dem Higgs Boson

Erweiterung des Standardmodelles ?- Suche nach SUSY oder anderer “BSM-Physik”

p pH

Was noch? - top, EW, QCD, B-Physik


• großer bb Produktions-WQS: ~ 500 µb (~ 1 bb Paar pro 100 p-p Kollisionen)

• hoher tt Produktions-WQS: ~830 pb (~ 80.000.000 tt Paare pro Jahr)

– LHC ist eine top-Fabrik– Wesentliches Instrument zur Detektor- kalibration und Triggereinstellung

• Luminositätsphasen:– 2008: ~ 100 pb-1

– 2009: über 1 fb-1 bei Erreichen einer Luminosität von 1033 cm-2 s-1 (~10 fb-1 pro Jahr) – Design: “High”-Luminosität: 1034 cm-2s-1 (~100 fb-1 pro Jahr)

Schwere Quarks am LHC


Generelle Strategie zur B-Physik bei ATLAS

• ATLAS hat gute Möglichkeiten für B-Physik-Analysen: präzise Vertex- und Spurdetektoren, gute Myonidentifikation, hochauflösende Kalorimetrie, flexibles B-Physik-Triggerschema auf LVL2 und EF

• B-Physikprogramm für alle Luminositätsphasen von LHC:• Präzisionsmessungen bereits nach einem Jahr Datennahme möglich• Messung des inklusiven b-Produktions-Wirkungsquerschnittes in der Anfangsphase• Suche nach seltenen Zerfällen bei höheren Luminositäten

• Messungen mit Entdeckungspotential für Physik jenseits des SM:• Messung CP-verletzenden Parameter, deren Werte im SM extrem klein sind

(z.B. in Bs J/() )• Messungen seltener B-Zerfälle (Bd K* , Bd K* , Bs , Bs , Bs , B )

• Fokus auf Bereiche, zu denen die B-Fabriken keinen Zugang haben: • hauptsächlich Bs, Baryonen und Hadronen mit zwei schweren Quarks: (Bs Ds , Bs J/() , b J/0 , …)


Trigger-Strategien zur B-Physik• beschränkte Bandbreite für B-Trigger (ca. 10%): hoch selektive und effiziente B-Triggerstrategien notwendig.• c- und b-Ereignisse enthalten v.a. Teilchen

bei niedrigem pT:schwierig zu triggernde Ereignisse (Untergrund)

• viele b-Zerfälle enthalten J/ψ-Mesonen:gut geeignet zur Kalibration, Optimierung und Verständnis des Detektors und des Triggers

• B-Trigger basieren auf single- bzw. auf di- im Endzustand bei verschiedenen

Schwellen: Phasen niedriger Lumi: single- und di- Trigger Phasen höherer Lumi: nur di- Trigger

total single-

total di-

h (Hadronen)b (Beauty)c (Charm)J/

ATLAS Raten bei 14 TeV und 1033cm-2s-1


Sensitivität auf FCNC

totalBs

bgs

nnNBBr

L2,0

Extraktion der oberen Grenze von Br (Bs μμ)

ATLAS kann die Sensitivität derVorhersage des SM erreichen

Die Messung von Bsμμ ist auch fortführbar bei der Design-Luminosität von 1034cm-2s-1.


Top-Zerfallskanäle

bWt )JetJet( qqW

)Lepton( miss

ElW l

Charakteristisches Signal:Lepton + vermisste Energie

Nur Jets im Endzustand:Dominanter BG von QCD-Multijet-Ereignissen

http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/top/top_public_web_pages/feynman_diagrams/top_pair_branching_frac.eps

http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/top/top_public_web_pages/feynman_diagrams/feynman_ttbar_ljets.eps


Top – Physik bei ATLAS● Messung der top-Quark Masse

– mittels mt = mjjb (mjj = mW)

● Paarproduktion von top-Quarks– Nachweis über Lepton und ET

miss

● Zerfall von top-Quarks– Verzweigungsverhältnisse / Kopplungen– seltene Zerfälle: z.B. t g//Z q (q=u,c: FCNC)

● Single top-Produktion● ideale “Standard-Kerze”

– Detektorkalibration und Triggeroptimierung


Single-Top Produktion

• direkte Bestimmung der Kopplungsstärke des t-W-b Vertex:• W-Gluon-Fusion: sensitiv auf Modifikationen der Kopplungen des top-Quarks an andere SM-Teilchen• Wt: sensitiv auf FCNC• W*: sensitiv auf neue, schwere W’-Bosonen

• wesentlich geringerer Anteil an der top-Produktion bei LHC

W-Gluon-Fusiont-Kanal Direkte Produktion,

Wt-ProzessW*-Prozesss-Kanal


Zusammenfassung

● Präzise Vermessungen bei HERA-B– (pA bb+X) = 14.9 ± 3.3 nb/nucleon– pA X = 4.4 ± 1.1 pb/nucleon– Obere Grenze von BR(D0μ+μ-) < 2 *10-6 für FCNC

● Vorbereitung von ATLAS auf den Start von LHC – Reichhaltiges Programm zur B- und top-Physik– Große Sensitivität auf Physik jenseits des Standardmodelles

durch Präzisionsmessungen mit schweren Quarks– Start der Datennahme im Sommer 2008


Backup-Folien● Produktion schwerer Quarks● Nachweiß von top-Quarks● Der HERA-B Referenzwirkungsquerschnitt● Bestätigung der B-Flavour bei HERA-B● Resultate von H1 (ep-Streuung)● Der ATLAS Trigger● Test der Datennahme von ATLAS● Top-Quark Kopplungen bei ATLAS/LHC


Formation des Endzustandes

Hadronisation:Prozess über große Entfernung: (~1/(mcv)) nicht-perturbative Rechnung + Kenntnisse anderer Experimente

qq Formation:Prozess über kleine Entfernung (~1/mc) / bei hohem Impuls: perturbative Rechnung

PDF


Entdeckung des Top-Quarks

1995 am Beschleuniger TEVATRON in Proton-Antiproton Reaktionen


Top-Quark Zerfallskanäle

Myon-Kanal

Elektron-Kanal

Jets

Nachweis in verschiedenen Kanälen

http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/top/top_public_web_pages/feynman_diagrams/feynman_ttbar_mujets.eps

http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/top/top_public_web_pages/feynman_diagrams/feynman_ttbar_emu.eps

http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/top/top_public_web_pages/feynman_diagrams/feynman_ttbar_ljets.eps


J/ψ-Referenzwirkungsquerschnitt (MinB)

i iiJ

JJ LAJBR

N

)/(/

//

C

Ti

W

α = 0.96 0.01 (fixed to E866)

Resultat:

[Phys.Lett.B638(2006)407]


Messung der J/Produktion (mBias)

HERA-B

Bestimmung des Referenz-Wirkungsquerschnittesbasiert auf einem NRQCD inspirierten Fit. [F. Maltoni, hep-ph/0003003]

Fit Resultat bei der HERA-B Energie von s = 41.6 GeV unter der Verwendung aller Daten:

nb/nucleon 44502)GeV 6.41,/(mBias sXJpA

Referenz-Messung mit unabhägigem Datensatz (minimum-Bias Trigger)


Bestätigung der B Flavour

• Langlebige Ereigniskandidaten um die J/ψ-Masse• Verträglichkeit der B Lebensdauer mit der Erwartung von 1.54 ps (PDG)

τ = 1.39 ± 0.19 ps


Messung von Charm-Quarks

ss KDDc 0*

ss KDDc 0*

dcDdcD |,| **

KMKMM s

Produktion von Charm-Quarks mittelsBoson-Gluon-Fusion

Identifikation von D*+ mittels der Massendifferenz ΔM der invarianten Massen

Suche nach Charm über den Zerfalls-Kanal von D*-Mesonen


Beauty-Signatur I: Lebensdauer

m15 m500 z BcAuflösung des H1-Vertexdetektors (Si-Halbleiterdetektor)

Grundlage für: • sekundäre Vertices: Messung der Zerfallslänge• Impaktparameter: eine Spur oder Kombination mehrerer Spuren

ep-Wechselwirkung


Beauty-Signatur II: Masse

ep-Wechselwirkung:b-Quark-Produktion

GeV3.5Bm

Signalanreicherung bei großem pTrel bzw. bei großen Impaktparametern δ

Pythia: Modellrechnungen (Monte Carlo)


Beauty-Messungen von HERA

• Wichtige Beiträge zu Tests der QCD und Entwicklung von Modellen• Große Unsicherheiten bei kleinen Q2 (Photoproduktion)


ATLAS Multi-Level-Trigger

<2.5 s

~10 ms

~1 s

HLT

~1-2 kHz out

~100 Hz out

LEVEL 1 TRIGGER• Hardware: FPGAs ASICs• verwendet gröbere Granularität des Kalorimeter und Myon-Information• identifiziert Regions of Interest zur weiteren Bearbeitung

LEVEL 2 TRIGGER• volle Granularität innerhalb RoI• bestätigt LVL1-Trigger• kombiniert Infos verschiedener Detektoren innerhalb der RoI

EVENT FILTER• verfeinert LVL2 Selektion mittels “offline-artiger” Algorithmen • hat bessere Alignment- und Kalibrationsdaten zur Verfügung• Zugriff auf vollständige Ereignis- information (nach Auslese)

HL

T:b

asie

rt a

uf S

soft

war

eL

VL

1:

Har

dwar

e


Test der Datennahme von ATLAS

Test-Datennahme mit kosmischenMyonen vom 23.8. – 3.9. 2007:

• großes Augenmerk auf die Funktionalität des Monitorings und der Kontrolle der Datenqualität

• Transferieren der Daten über GRID

• erfolgreicher Test, nächster Test im Oktober/November


top-Quark Kopplungen

2222

2

Jet1Jets/2 tbtbtstd

tbbb V

VVV

VWqtBRWbtBRR

)stat.%(2.0J1/J2

J1/J2

bb

bb

RR

)stat.%(5.01/2

1/2

RR

• Zerfall des top-Quarks als reiner V-A-Prozess zu über 99.9% via t W+b• SM: BR(tWX)=100%• Messung der Kopplungen guter Test des SM• Große Sensitivität auf Physik jenseits des Standard-Modelles• Selektion des top-Paares: 1. b-Jet (Lepton)• Selektion des Zerfallskanales: 2. b-Jet (Lepton)

Mit 10 fb-1 an Luminosität:

1 b-Jet: 820.000 Events,davon 2 b-Jets: 276.000 Events

1 Lepton: 443.000 Events,davon 2 b-Jets: 46.000 Events

92

1/2 WBRR

CDF-Resultat: R2b/1b= 0.99 ± 0.29 |V|tb > 0.75 (95% C.L.)

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