V0 – Vorlesung/Übung trotz Corona V1 Einführung

Klaus Rabbertz Karlsruhe, 24.04.2020 TP II – Top-Quarks & Jets 1

Fakultät für PhysikProf. Dr. T. Müller, Priv.-Doz. Dr. K. Rabbertz

(Institut für Experimentelle Teilchenphysik, KIT)

V0 – Vorlesung/Übung trotz Corona V1 ‒ Einführung

TP II – Top-Quarks & Jets am LHC


Organisatorisches

Sie befinden sich in der Vorlesung zu Teilchenphysik II – Top-Quarks und Jets am LHC

Wissen Sie … sonst wären Sie nicht hier verbunden ...

Es gibt aber auch eine ILIAS Anmeldungsseite zur Übung …

Wer an den Übungen teilnehmen möchte, bitte da auch anmelden. Mehr Details gleich.

Webseite zur Veranstaltung:

https://www.etp.kit.edu/~rabbertz/Lehre/Teilchenphysik_II-Top-Quarks_und_Jets_am_LHC/

ILIAS Links



Web-Seite und Links

ILIAS-Seite zur Vorlesung mit Links zur Vorlesung und meiner Sprechstunde in Zoom:

https://ilias.studium.kit.edu/goto.php?target=crs_1110734&client_id=produktiv

ILIAS-Seite zur Übung:





Lehr-Modul - FormalesName: Teilchenphysik II – Top-Quarks und Jets am LHC

Veranstaltungsnummern: Vorlesung 4022171, Übung 4022172

Verantwortliche:

K. Rabbertz ([email protected]); ETP

T. Müller ([email protected]); ETP

Jet-Übungen: M. Horzela ([email protected]); ETP

Top-Übungen: K. Flöh ([email protected]); ETP

Studiengang: Master Physik

Themenfeld: Experimentelle Teilchenphysik

ECTS-Punkte: 6 oder 8

Semesterwochenstunden: 3-4 (V2, U1-2)

Leistungsnachweis: Falls dieses Modul Teil des Schwerpunkt- oder Ergänzungsfachs ist, werden die Leistungspunkte durch die zugehörige Prüfung erworben. Dazu muss eine entsprechende Anzahl an Übungen erfolgreich berabeitet werden.

mailto:[email protected]?subject=Top-Quarks%20und%20Jets%20am%20LHC





Lehr-Modul - Ziele

Empfohlene Vorkenntnisse:

Grundkenntnisse aus den Veranstaltungen Moderne Experimentalphysik III, Moderne Theoretische Physik II und Rechnernutzung in der Physik aus dem Bachelor-Studium und Teilchenphysik I aus dem Master-Studium werden vorausgesetzt.

Qualifikationsziele:

Vertiefung der Kenntnisse in einem Spezialgebiet der Teilchenphysik

Gewinnung von Einblicken in den aktuellen Stand der Forschung

Kenntnis aktueller theoretischer Konzepte und experimenteller Techniken

Lösung einfacher Probleme in schriftlicher Form oder in praktischen Übungen am Computer

Erwerb von Kenntnissen typischer computer-basierter Methoden zur Simulation teilchenphysikalischer Prozesse und zur Datenanalyse

Arbeit mit Primärliteratur


Lehr-Modul - Zeitplan

Veranstaltungstermine & Ort:

V2 freitags, 9:45 – 11:15, vorerst online in ZOOM; später Physik-Flachbau 30.22, kl. Hörsaal B

U1/2: Vorerst ebenfalls in ZOOM; Zeitpunkt legen wir heute gemeinsam fest!

Genauer Terminplan umseitig und auf der Webseite zur Vorlesung

Übungsteilnahme:

Erste Online-Testübung mit Rechenaufgaben; wird auf Wunsch gewertet

Weitere acht Übungen mit Besprechungen von Primärliteratur, jeweils vier zu Top-Quarks und vier zu Jets

Vorrechnen/Vortragen von Lösungen/Antworten zu den Übungsaufgaben und Fragestellungen zur Primärliteratur

Jeder Teilnehmer sollte wenigstens für die Hälfte der zu vergebenden Punkte Folien, gescannte oder abphotographierte Beiträge in ZOOM sharen und erklären können

U1: mindestens vier Übungen, U2: mindestens acht Übungen (von neun)


Vorläufiger Terminplan

Eine erste Testübung findet voraussichtlich in der dritten Semesterwoche (KW 19) statt. Übungstermine werden gemäß Diskussion heute festgelegt und werden dann auf der Webseite bekannt gegeben.

Webseite zur Veranstaltung:




Terminfindung

In Zoom hat man die Möglichkeit, Umfragen (Polls) durchzuführen …

Let’s test it!


Lehr-Modul - InhaltInhalt:

Einführung, Teilchenphysik I QCD Zusammenfassung

Jetalgorithmen

Jet-Energie-Kalibration

Berechnung und Messung von Jet-Wirkungsquerschnitten

Experimentelle und theoretische Korrekturen und Unsicherheiten

Bestimmung der starken Wechselwirkungskonstanten

Weitere aktuelle Messungen und Suche nach neuer Physik mit Jets

Produktion und Zerfall von Top-Paaren und einzelnen Top-Quarks

Top-Eigenschaften im Standardmodell

Rekonstruktion von Top-Ereignissen, Boosted Top

Verbindung zwischen Top- und Higgs-Physik

Suche nach neuer Physik mit Top-Quarks

… nicht notwendigerweise in exakt dieser Reihenfolge …


Literatur ITheorie:

M.E. Peskin, D.V. Schroeder, “An Introduction to Quantum Field Theory”, Westview Press, 1995.

V. D. Barger, R. J. N. Phillips: “Collider Physics”, Westview Press (1996).

R.K. Ellis, W.J. Stirling, B.R. Webber, “QCD and Collider Physics”, Cambridge University Press, 1996.

G. Dissertori, I.G. Knowles, M. Schmeling, “Quantum Chromodynamics”, Oxford University Press, 2002.

J. Collins, “Foundations of Perturbative QCD”, Cambridge University Press, 2011.

Neuer: J. Campbell, J. Huston, F. Krauss, “The Black Book of Quantum Chromodynamics”, Oxford University Press, Dec. 2017.

Experiment:

R. Cahn, G. Goldhaber, “The Experimental Foundations of Particle Physics”, Cambridge University Press, 2009.

Particle Data Group, “The Review of Particle Physics”, new online edition 2019 to be published, http://pdg.lbl.gov/

2019 Review on QCD, J. Huston, KR, G. Zanderighi, Link to PDF file


Literatur IISpezielle Themen:

Large Hadron Collider:

J. M. Campbell, J. W. Huston, W. J. Stirling, Rep. Prog. Phys. 70 (2007) 89.

T. Plehn: Lectures on LHC Physics, Springer (2012), arXiv:0910.4182 [hep-ph].

I. Brock et al., “Physics at the Terascale”, Wiley-VCH Weinheim, 2011. (QCD von S. Moch & KR, MC Generatoren & pQCD von SG & Z. Nagy)

R. Alemany Fernandez et al., “The Large Hadron Collider --- Harvest of Run I”, Springer, 2015, ISBN:9783319150000. (QCD-Kapitel von T. Carli, KR & S. Schumann auf arXiv:1506.03239 verfügbar.)


Literatur IIISpezielle Themen:

Jets:

G. Salam, “Towards Jetography”, arXiv:0906.1833, Eur. Phys. J. C 67 (2010) 637.

Buch zur Jet-Physik: K. Rabbertz, “Jet Physics at the LHC”, Springer, 2017, ISBN:978-3-319-42113-1. Meine Vor-Druckversion steht Ihnen online zur Verfügung.

Top-Quarks:

W. Bernreuther, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 35 (2008) 083001.

J. Incandela, A. Quadt, W. Wagner, D. Wicke, Prog. Part. Nucl. Phys. 63 (2009) 239.

F.-P. Schilling, Int. J. Mod. Phys. A27 (2012) 1230016.

Habilitationsschriften:

● W. Wagner (Karlsruhe 2005)● A. Quadt (Bonn 2006)● F. Fiedler (München 2007)● M.-A. Pleier (Bonn 2008)● D. Wicke (Wuppertal 2009)

http://pdg.lbl.gov/

http://pdg.lbl.gov/2019/reviews/rpp2019-rev-qcd.pdf


Building blocks of atoms

J.J. Thomson, 1897: Cathode rays are negatively charged particles with charge-to-mass ratio Q / m >> than with ions

Atomic model: Electrically positive “soup” with some number of compensating elektrons

R. Millikan measures the charge of the elektron e

E. Rutherford, 1909, 1911:

α – rays as 42He – nuclei and β – rays as electrons

Scattering experiment with α – rays (Geiger, Marsden) → Atomic model with small massive nucleus and electron cloud

H. Moseley, 1914:

Explains formula for Kα-lines in X-ray spectra of the elements

Positive nucleus with Z charges (“Ordnungszahl”)

Protons as hydrogen nucleus and constituent of heavier nuclei

nobe

lpri

ze.o

rgw

ikim

edia

http://arxiv.org/abs/arXiv:1506.03239


Building blocks of atoms

Problem with atomic weights (“Massenzahlen A”): Nuclei with A protons and (A-Z) electrons within the nucleus? Contradiction with isotopes:

J.J. Thomson, 1913: Two isotopes of Neon, 20Ne und 22Ne, i.a. Z equal but A different although m

e << m

p???

E. Rutherford, ~1920: Neutron hypothesis

H. Becker, W. Bothe; I. Curie, F.Joliot 1931:

Penetrating neutral (γ?) - radiation in reaktion:

Kicks protons out of paraffine

J. Chadwick, 1932:

Effects of radiation would require γ - rays of 50 MeV instead of a few MeV

Nevertheless could not explain kick out of nitrogen nuclei

Rays are made of neutrons! → Neutral nuclear constituent explains varying mass numbers A

nobelprize.org


Motivation

Nevertheless ... Try this only with clocks to which you are really not too much attached!

Design: G.MocaficoSchweizer Bahnhofsuhr, Zürich,Wikipedia, JuergenG

In this case easy:But …

Understanding of the building blocks of matter and the forces between them

Most successful tool: Investigation of scattering processes!


Understanding of the building blocks of matter and the forces between them

And now the LHC

Most successful tool: Investigation of scattering processes!

HERA-Proton, DESY

Dismantlingnot possible!

But frequentrepetitions ...

Nucleus, Proton

Inside nucleus,Quark-Gluon-Soup ?


A particle zoo!

Cosmic ray experiments and the development of accelerators lead to the discovery of many new “elementary” particles in the years 1947 – 1970!

M. Gell-Mann, 1964: Brings first order into the particle zoo via the Eightfold Way: Ordering of the mesons (left) and baryons (right) in schemes according to charge q and “strangeness” s:

nob

elpr

ize.

org

Wikipedia

Spin 0 Spin ½

Nobel prize 1969


With charm and color

The J=3/2 baryon dekuplet was not yet known completely at the time of Gell-Mann’s idea (neither was charm)

Prediction of the Ω- baryon

But: Like with the Δ++ and Δ-

Spin-statistic-problem!

PDG

With strangeness and charm!

J = ½ baryon octetwith C = 0 (i.e. no charm)

J = 3/2 baryon dekupletwith C = 0 (i.e. no charm)

J=3/2 fermions with symmetric space, spin and flavor wave function (ground state, 3xspin up, 3 identical quarks) is in contradiction to Pauli’s exclusion rule!

A way out:

O.W. Greenberg, 1964: Additional degree of freedom

M. Gell-Mann, 1972: Color = tristate, RedGreenBlue

Originally the nameswere red, blue & white ...


Quark picture today

Wikipedia DESY

With color!

Fragmentto jets


Quark picture today

Wikipedia DESY

Decays before fragmentation!

Fragmentto jets


Gauge group of QCD: SU(3)SU(3) → 8 generators:

Commutator: → Non-Abelian

With structure constants SU(3):

Gell-Mann matrices

Not showing indexpermutations!


QCD LagrangianCovariant derivative:

Field strength tensors:

Lagrangian of SU(3)C:

The gluon remains massless → SU(3)C exact symmetry of nature!

→ leads to triple (TGC) and quartic (QGC) gauge couplings

Color indices of tripletrepresentation a,b,c = 1,2,3

Color indices of octetrepresentation A,... = 1,…,8

Gluon field

Not showing gauge fixingor ghost terms ...


QCD LagrangianInvariance under local SU(3)

Ctransformations

Three color charges a = 1, 2, 3 → Red, Green, Blue (as analogue to electric charge in QED)

Eight vector fields (gluons) carry color charge and color anti-charge

The gluons are massless → exact symmetry → in principal infinite range of strong force

Non-zero commutator leads to gluon self-interactions via triple and quartic gauge couplings


Quantum correctionsQuark (left) and gluon (middle & right) self-energy corrections:

Quark-gluon vertex corrections:

Not in QED!

Not in QED!


Beta functionsIn (renormalisable) QFT the beta function encodes the dependence of the coupling parameter g on the energy (or distance) scale μ:

Beta function of QED (1-loop):

The coupling increases with energy scale

The coupling decreases with larger distances

Infinite range, Coulomb potential:

Beta function of QCD (1-loop):

The coupling decreases with energy scale, if

Asymptotic freedom

The coupling increases with larger distances

Confinement, string potential: with tension


QCD and asymptotic freedom

nobelprize.org

F. Wilczek

D. Politzer

D. Gross

Physik Journal 3 (2004) Nr. 12

Theory:

Renormalisation group equation (RGE)

Solution of 1-loop equation

Running coupling constant

'Strong' coupling weak for Q2 → ∞ , i.e. small distances

Asymptotic freedom

Perturbative methods usableWhat happens at large distances?

Q2 → 0 ?

Cannot be answered here! For Q2 → Λ2 perturbation theory not applicable anymore!

Nobel prize 2004


Running coupling constant

Asymptotic freedom

PDG 2019.

with Λ typically ≈ 200 – 300 MeV

0.1 0.3

Non-perturbative regime

QCD potential grows linearlywith larger distances:

?

→ No free quarks (or gluons)→ Confinement


SummaryStrongly interacting particles (“hadrons”) are composite objects.

The pattern of hadrons is best described by introducing a new three-valued quantum number: “color”

The constituents carrying color charges are named “quarks”.

Originally, two types of quarks, “up” and “down” with electrical charges +2/3 and -1/3 (never observed in nature freely …)

Complemented with further quark types: strange, charm, bottom, top

Hadrons come in two types:

Mesons are made of one quark and one anti-quark

(Anti-)Baryons are made of three (anti-)quarks

Strong interactions are derived from local gauge invariance of color SU(3)

Eight massless, self-interacting gluons are the carriers of the strong force

In contrast to QED, quantum corrections lead to color forces decreasing with energy (asymptotic freedom) and increasing with distance (confinement)

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