Ulrich Husemann Yale University in Zusammenarbeit mit Klaus Mönig, Deutsches Elektronen-Synchrotron...

Ulrich HusemannYale University

in Zusammenarbeit mitKlaus Mönig, Deutsches Elektronen-Synchrotron

Thomas Lohse, Humboldt-Universität zu Berlin

Das Top-Quark als

Schlüssel zur LHC-PhysikVH-NG-400

Auswahlsitzung der zu fördernden Nachwuchsgruppen im Impuls- und Vernetzungsfonds

der Helmholtz-Gemeinschaft

14. November 2007

22U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)

Die fundamentalen Bausteine der Natur

2

Dunkle Energie

Dunkle Materie

„normale” Materie

[DESY]

Standardmodell der Elementarteilchenphysik:

Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen

Kräfte: starke Wechselwirkung – elektromagnetische Wechselwirkung – schwache Wechselwirkung

Experimentelle Bestätigung des Standardmodells an Teilchen-beschleunigern mit hoher Präzision seit mehr als 30 Jahren

Standardmodell ist unvollständig:Ungelöste Frage: wie erhalten Elementarteilchen ihre Masse?

Präzisionsmessungen: Probleme bei Beschreibung von Prozessen oberhalb von 1 Tera-Elektronvolt (TeV) Energie?

Kosmologie: nur 4% der Energie im Universum durch „normale” Materie

Standardmodell der Elementarteilchenphysik:

Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen

Kräfte: starke Wechselwirkung – elektromagnetische Wechselwirkung – schwache Wechselwirkung

Experimentelle Bestätigung des Standardmodells an Teilchen-beschleunigern mit hoher Präzision seit mehr als 30 Jahren

Standardmodell ist unvollständig:Ungelöste Frage: wie erhalten Elementarteilchen ihre Masse?

Präzisionsmessungen: Probleme bei Beschreibung von Prozessen oberhalb von 1 Tera-Elektronvolt (TeV) Energie?

Kosmologie: nur 4% der Energie im Universum durch „normale” Materie


Die Sonderrolle des Top-Quarks

3

Top-Quark entdeckt am Tevatron (1995), seitdem: detaillierte Vermessung der Eigenschaften

Große Masse: Punktförmiges Teilchen, aber Masse vergleichbar mit Goldatom

Extrem kurze Lebensdauer, bildet keine gebundenen Zustände

Neue Physik mit Top-Quarks?

Hat das Top-Quark die im Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften?

Gibt es noch schwerere Teilchen, die in Top-Quarks zerfallen?

Was trägt das Top-Quark zum Mechanismus der Massenerzeugung bei?

Top-Quark entdeckt am Tevatron (1995), seitdem: detaillierte Vermessung der Eigenschaften

Große Masse: Punktförmiges Teilchen, aber Masse vergleichbar mit Goldatom

Extrem kurze Lebensdauer, bildet keine gebundenen Zustände

Neue Physik mit Top-Quarks?

Hat das Top-Quark die im Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften?

Gibt es noch schwerere Teilchen, die in Top-Quarks zerfallen?

Was trägt das Top-Quark zum Mechanismus der Massenerzeugung bei?

Seitenansicht Seitenansicht eines Top-eines Top-Quark-ZerfallsQuark-Zerfallsbeim CDF-beim CDF-Experiment Experiment am Tevatron am Tevatron (24.09.1992)(24.09.1992)

Seitenansicht Seitenansicht eines Top-eines Top-Quark-ZerfallsQuark-Zerfallsbeim CDF-beim CDF-Experiment Experiment am Tevatron am Tevatron (24.09.1992)(24.09.1992)

[CDF]


Physik an Hadron-Speicherringen

4

Tevatron (bis 2009/10): Proton-Antiproton-Kollisionen bei Energien von 2 TeV

Neu: Large Hadron Collider (LHC)Proton-Proton-Kollisionen bei bisher unerreichten 14 TeV, Inbetriebnahme: 2008

Vielzweckexperimente: ATLAS, CMS

LHC: Revolution des physikalischen Weltbilds erwartet

Hadron-Speicherringe sind „Entdeckungsmaschinen”: höchste verfügbare Energien, höchste Ereignisraten

Schwieriges experimentelles Umfeld: interessante Ereignisse müssen von großem Untergrund getrennt werden (1 Top-Antitop-Paar in 100 Millionen Kollisionen)

Tevatron (bis 2009/10): Proton-Antiproton-Kollisionen bei Energien von 2 TeV

Neu: Large Hadron Collider (LHC)Proton-Proton-Kollisionen bei bisher unerreichten 14 TeV, Inbetriebnahme: 2008

Vielzweckexperimente: ATLAS, CMS

LHC: Revolution des physikalischen Weltbilds erwartet

Hadron-Speicherringe sind „Entdeckungsmaschinen”: höchste verfügbare Energien, höchste Ereignisraten

Schwieriges experimentelles Umfeld: interessante Ereignisse müssen von großem Untergrund getrennt werden (1 Top-Antitop-Paar in 100 Millionen Kollisionen)

Luftbildaufnahme: LHC

[CERN]

8,5 km

ATLASALICE

LHCb

CMS

ATLAS-DetektorATLAS-Detektor

40 m [ATLAS]


Mein wissenschaftlicher Werdegang

5

Diplomstudium PhysikUniversität Dortmund (1995–2001)

Sommerstudent am NOMAD-Experiment: Neutrino-Kern-StreuungDiplomarbeit am HERA-B-Experiment: Leptonpaare in Proton-Kern-Kollisionen

Diplomstudium PhysikUniversität Dortmund (1995–2001)

Sommerstudent am NOMAD-Experiment: Neutrino-Kern-StreuungDiplomarbeit am HERA-B-Experiment: Leptonpaare in Proton-Kern-Kollisionen

Promotionsstudium PhysikUniversität Dortmund und Universität Siegen

(2001–2005)

Leptonpaar-Trigger bei HERA-B

Kerneffekte in der Produktion von J/ψ-Mesonen (hadronische Umgebung)

Promotionsstudium PhysikUniversität Dortmund und Universität Siegen

(2001–2005)

Leptonpaar-Trigger bei HERA-B

Kerneffekte in der Produktion von J/ψ-Mesonen (hadronische Umgebung)

Postdoctoral AssociateUniversity of Rochester und Yale University

(2005–heute)

Top-Quark-Physik am Hadron-Speicherring Tevatron

Leiter der Siliziumdetektor-Gruppe des CDF-Experiments

Postdoctoral AssociateUniversity of Rochester und Yale University

(2005–heute)

Top-Quark-Physik am Hadron-Speicherring Tevatron

Leiter der Siliziumdetektor-Gruppe des CDF-Experiments

… und Musik!… und Musik!

[Late Show with Leon Lederman]


Zielsetzung der Nachwuchsgruppe

6

Top-Quark-Physik bei ATLAS

Inbetriebnahme des ATLAS-Detektors: Top-Ereignisse als Kalibrationssignale

Genaue Vermessung der Eigenschaften des Top-Quarks mit großen Datensätzen

Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks


Inbetriebnahme des ATLAS-Detektors: Top-Ereignisse als Kalibrationssignale

Genaue Vermessung der Eigenschaften des Top-Quarks mit großen Datensätzen

Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks

Siliziumdetektoren für LHC und Super-LHC

Zentrales Detektorelement für Top-Physik und Suche nach Neuer Physik: hochpräzise Silizium-Vertexdetektoren

Inbetriebnahme und Betrieb des ATLAS-Silizium-Pixeldetektors

Entwicklung von Siliziumdetektoren für LHC-Upgrade zu „Super-LHC”

Siliziumdetektoren für LHC und Super-LHC

Zentrales Detektorelement für Top-Physik und Suche nach Neuer Physik: hochpräzise Silizium-Vertexdetektoren

Inbetriebnahme und Betrieb des ATLAS-Silizium-Pixeldetektors

Entwicklung von Siliziumdetektoren für LHC-Upgrade zu „Super-LHC”

„Top As Key to LHC Physics”Signifikante Beiträge zu zentralen Fragestellungen

der Elementarteilchenphysik in der LHC-Ära

„Top As Key to LHC Physics”Signifikante Beiträge zu zentralen Fragestellungen

der Elementarteilchenphysik in der LHC-Ära



7

Phase I: Inbetriebnahme

Herausforderung: komplexer neuer ATLAS-Detektor (100 Millionen Auslesekanälen)

Top-Quarks ideal zur Optimierung der Detektor-Leistungsfähigkeit:

Große Datensätze, bekannte Masse, diverse Zerfallskanäle

Test aller wichtigen Signaturen im Detektor: Jets aus leichten und schweren Quarks, geladene Leptonen, Neutrinos

Signatur im Detektor ähnelt Signalen Neuer Physik

Phase I: Inbetriebnahme

Herausforderung: komplexer neuer ATLAS-Detektor (100 Millionen Auslesekanälen)

Top-Quarks ideal zur Optimierung der Detektor-Leistungsfähigkeit:

Große Datensätze, bekannte Masse, diverse Zerfallskanäle

Test aller wichtigen Signaturen im Detektor: Jets aus leichten und schweren Quarks, geladene Leptonen, Neutrinos

Signatur im Detektor ähnelt Signalen Neuer Physik

ATLAS-DetektorATLAS-Detektor

Top-Paar-ZerfallTop-Paar-Zerfall

Kalibration

[ATLAS]



8

Phase II: Top-Physik in der LHC-Ära

Aufbau auf große Top-Physik-Erfahrung am Tevatron, z. B.

Abschätzung von Untergründen aus Daten

Optimierung der Monte-Carlo-Simulation mit ersten Daten

Vermessung der Eigenschaften des Top mit hoher Präzision

Dilepton-Zerfallskanal: große Datensätze, geringer Standardmodell-Untergrund

Beispiel: Wirkungsquerschnitt für Top-Antitop-Produktion

• Top als Untergrund für Suchen nach Neuer Physik, z. B. Higgs-Boson-Zerfall in zwei W-Bosonen

Phase II: Top-Physik in der LHC-Ära

Aufbau auf große Top-Physik-Erfahrung am Tevatron, z. B.

Abschätzung von Untergründen aus Daten

Optimierung der Monte-Carlo-Simulation mit ersten Daten

Vermessung der Eigenschaften des Top mit hoher Präzision

Dilepton-Zerfallskanal: große Datensätze, geringer Standardmodell-Untergrund

Beispiel: Wirkungsquerschnitt für Top-Antitop-Produktion

• Top als Untergrund für Suchen nach Neuer Physik, z. B. Higgs-Boson-Zerfall in zwei W-Bosonen

Top-Dilepton-ZerfallTop-Dilepton-Zerfall



9

Phase III: Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks

Fortführung und Erweiterung der Suche nach Neuer Physik mit Top

Beispiel: modellunabhängige Suche nach flavorverletzenden neutralen Strömen (meine derzeitige Forschung bei CDF)

LHC-Erwartung: Verbesserung der Sensitivität um Faktor 100–1000

• Erstmalige Überprüfung attraktiver Modelle Neuer Physik, z. B. Little-Higgs-Modelle

Erweiterter Top-Quark-Sektor verantwortlich für elektroschwache Symmetriebrechung

Suche nach vorhergesagtem schweren Partner des Top-Quarks

Unerwartete Neue Physik?

Phase III: Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks

Fortführung und Erweiterung der Suche nach Neuer Physik mit Top

Beispiel: modellunabhängige Suche nach flavorverletzenden neutralen Strömen (meine derzeitige Forschung bei CDF)

LHC-Erwartung: Verbesserung der Sensitivität um Faktor 100–1000

• Erstmalige Überprüfung attraktiver Modelle Neuer Physik, z. B. Little-Higgs-Modelle

Erweiterter Top-Quark-Sektor verantwortlich für elektroschwache Symmetriebrechung

Suche nach vorhergesagtem schweren Partner des Top-Quarks

Unerwartete Neue Physik?

Ein

träg

e

Diskriminante basierend auf invarianten Massen

`̀

0

1

2

3

4

Ere

igni

sse

pro

40 G

eV/c

2

Invariante T-Masse (GeV/c2)

0 1000 2000

ErwartetesSignal einesschweren Top-Quark bei ATLASmit 300-fb–1-Datensatz

1010

U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)

Siliziumdetektoren für LHC & Super-LHC

10

ATLAS-Silizium-Pixeldetektor

Siliziumdetektoren: zentrale Bedeutung für Identifikation von Top-Quark-Ereignissen und Neuer Physik durch Präzisions-Spurfindung und „B-Tagging”

Herausforderung: komplexer neuer Detektor, 80 Millionen Auslesekanäle

Teilnahme an Inbetriebnahme und Betrieb, Studien zur Leistungsfähigkeit

Fundierte experimentelle Ausbildung für Doktorandinnnen und Doktoranden

Wichtige Servicearbeit für ATLAS: Sichtbarkeit in der Kollaboration

Meine Servicearbeit bei CDF: Leitung der Siliziumdetektor-Gruppe (2006/7)

ATLAS-Silizium-Pixeldetektor

Siliziumdetektoren: zentrale Bedeutung für Identifikation von Top-Quark-Ereignissen und Neuer Physik durch Präzisions-Spurfindung und „B-Tagging”

Herausforderung: komplexer neuer Detektor, 80 Millionen Auslesekanäle

Teilnahme an Inbetriebnahme und Betrieb, Studien zur Leistungsfähigkeit

Fundierte experimentelle Ausbildung für Doktorandinnnen und Doktoranden

Wichtige Servicearbeit für ATLAS: Sichtbarkeit in der Kollaboration

Meine Servicearbeit bei CDF: Leitung der Siliziumdetektor-Gruppe (2006/7)

Neuartige Siliziumdetektoren für Super-LHC

LHC-Upgrade („Super-LHC” ab 2015): Anforderungen an Siliziumdetektoren:

Dünne strahlungsharte Sensoren

Infrastruktur: Mechanik, Kühlung, serielle Stromversorgung

Aufgaben der Nachwuchsgruppe: Teilnahme an Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu Siliziumdetektoren für Super-LHC

Enge Zusammenarbeit mit anderen Gruppen geplant (DESY, MPI München, Bonn)

Neuartige Siliziumdetektoren für Super-LHC

LHC-Upgrade („Super-LHC” ab 2015): Anforderungen an Siliziumdetektoren:

Dünne strahlungsharte Sensoren

Infrastruktur: Mechanik, Kühlung, serielle Stromversorgung

Aufgaben der Nachwuchsgruppe: Teilnahme an Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu Siliziumdetektoren für Super-LHC

Enge Zusammenarbeit mit anderen Gruppen geplant (DESY, MPI München, Bonn)

Der ATLAS-Silizium-PixeldetektorDer ATLAS-Silizium-Pixeldetektor

[ATLAS]

1111

U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)

Geplante Zusammenarbeit

11

NachwuchsgruppeDr. Ulrich Husemann

Top-Quark-Physik bei ATLASSiliziumdetektoren

NachwuchsgruppeDr. Ulrich Husemann


Weiterreichende Kooperationen

ATLAS-D (Helmholtz-Allianz) ATLAS-Kollaboration

Weiterreichende Kooperationen

ATLAS-D (Helmholtz-Allianz) ATLAS-Kollaboration

DESYdiverse Gruppen

(geplante Zusammenarbeit mit MPI München und Univ. Bonn)

Siliziumdetektoren

DESYdiverse Gruppen

(geplante Zusammenarbeit mit MPI München und Univ. Bonn)

Siliziumdetektoren

1 Doktorand/Doktorandin

DESYDr. Klaus Mönig


DESYDr. Klaus Mönig


HU BerlinProf. Dr. Thomas LohseProf. Dr. Heiko Lacker


HU BerlinProf. Dr. Thomas LohseProf. Dr. Heiko Lacker


Einbindung in Lehre1/2 Doktorand/Doktorandin1/2 Techniker

Postdoc2 Doktoranden/Doktorandinnen

[ATLAS]

Large Hadron Collider (LHC)

Neue Ära der Elementarteilchenphysik

Revolution im Verständnis der fundamentalen Struktur der Materie steht bevor

Das Top-Quark als Schlüssel zurLHC-Physik

Wichtigstes Kalibrationssignal

Zentrale Rolle in Suche nach Neuer Physik

Large Hadron Collider (LHC)

Neue Ära der Elementarteilchenphysik

Revolution im Verständnis der fundamentalen Struktur der Materie steht bevor

Das Top-Quark als Schlüssel zurLHC-Physik

Wichtigstes Kalibrationssignal

Zentrale Rolle in Suche nach Neuer Physik

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