Messung der Masse des Top

Messung der Masse des Top-Quarks Frank Fiedler, Universität München

h

Fortbildung “Physik der Elementarteilchen,” Dillingen, 11.-13.10.2006

Messung der Masse des Top-Quarks Messergebnis: immer beste Abschätzung und Unsicherheit (1) systematische Unsicherheit: z.B. falsch kalibriertes Messinstrument

z.B. ungenaue Definition des zu messenden Objekts (2) statistische Unsicherheit... 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks (2) statistische Unsicherheit: Top-Quarks zerfallen, mittlere Lebensdauer = 4.4·10-25s => “keine Zeit zum Messen” -> Zerfallsprodukte Produktion und Zerfall -> Gesetze der Quantenmechanik => Heisenbergsche Unschärferelation ΔE · Δt ≥ ħ da würfelt wer: ausgewürfelt werden... => Produktionsprozess, Masse (~Energie im Ruhesystem) und Zerfall jedes einzelnen Top-Quarks Statistik: Würfeln = Bernoulli-Experiment => oft messen und Mittelwert der Einzelergebnisse bilden! 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Gedankenexperiment als Beispiel für eine Messung: “Messung der Position eines gedachten Punktes”

gemessene Position, d.h. beste Abschätzung und Messungenauigkeit

... wo ist der gedachte Punkt jetzt wirklich? 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Gedankenexperiment als Beispiel für eine Messung: “Messung der Position eines gedachten Punktes”

gemessene Position, d.h. beste Abschätzung und Messungenauigkeit zweite Messung

... wo ist der gedachte Punkt jetzt wirklich? 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Gedankenexperiment als Beispiel für eine Messung: “Messung der Position eines gedachten Punktes”

gemessene Position, d.h. beste Abschätzung und Messungenauigkeit zweite Messung dritte Messung ... wo ist der gedachte Punkt jetzt wirklich? 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Gedankenexperiment als Beispiel für eine Messung: “Messung der Position eines gedachten Punktes” vierte Messung gemessene Position, d.h. beste Abschätzung und Messungenauigkeit zweite Messung dritte Messung ... wo ist der gedachte Punkt jetzt wirklich? 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Messung der Masse des Top-Quarks: eher so...

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Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks “Einstein: E = m c2 ”... Im folgenden: “Masse” = Ruhemasse m0

~ Energie des ruhenden Teilchens:

E2 = p2c2 + m02c4 m0 = √E2/c4 – p2/c2 Problem: 4.4·10-25s ist zu kurz Lösung: Energie-/Impulserhaltung => messe alle Zerfallsprodukte “i” Etop =

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ΣEi , i

Einheit: GeV/c2

ptop = Σpi i

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Messung der Masse des Top-Quarks Elementare Teilchen im Standardmodell der Elementarteilchenphysik:

Fermionen: Spin 1/2: Materie (+Antiteilchen) 11. 10. 2006

Goldatom

Bosonen: Spin 1: Wechselwirkungen der Teilchen Spin 0: Masse der Teilchen Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Kurze Geschichte des Top-Quarks: Vor der Entdeckung: 1977: Entdeckung des Bottom-Quarks Bottom-Quark Teil eines “QuarkDubletts” Indirekter Rückschluss auf die Masse des (hypothetischen) Top-Quarks: ~170-190 GeV/c2 Entdeckung 1995: Proton-Antiproton-Kollisionen am Tevatron-Beschleuniger bei Chicago Übereinstimmung mit den Erwartungen! 11. 10. 2006

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Messung der Masse des Top-Quarks Goldatom

Eigentliche Frage an das Top-Quark: Warum hast Du so eine große Masse?

derzeit: Wie groß ist Deine Masse genau? => indirekter Rückschluss auf die Masse des (hypothetischen) Higgs-Bosons Massen des W-Bosons und des Top-Quarks: indirekte Information direkte Messungen

erlaubte Werte mW(mtop) für verschiedene Massen des Higgs-Bosons

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Messung der Masse des Top-Quarks Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks

=> Teilchenbeschleuniger

Messung der Zerfallsprodukte

=> Detektor

Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse

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Produktion von Top-Quarks am besten: Produktion eines Top-Antitop-Paares “Feynman-Diagramm” des Prozesses: Darstellung der Rechenvorschrift für's quantenmechanische ÜbergangsMatrixelement Visualisierung der Reaktion Endprodukte der Reaktion (Endzustand) Austauschteilchen der Wechselwirkung (virtuell) kollidierende Teilchen (Anfangszustand)

kollidierendes Quark-Antiquark-Paar: => aus Proton-Antiproton-Kollisionen 11. 10. 2006

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Produktion von Top-Quarks Warum Produktion eines Top-Antitop-Paares? Erhaltung der Top-Quantenzahl in der starken (und elektromagnetischen) Wechselwirkung Produktion einzelner Top-Quarks nur mittels schwacher Wechselwirkung: => kleinere Reaktionsrate (und mehr Untergrund)

Warum nicht in e+e- -Kollisionen? Energieverlust von e+/e- durch Synchrotronstrahlung in Kreisbeschleunigern => LEP-Schwerpunktsenergie e+e- -Linearbeschleuniger! (vgl. Vortrag von Ariane Frey) 11. 10. 2006

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Produktion von Top-Quarks Der Tevatron-Collider: (“derzeit weltweit einzige Top-Produktionsstätte”)

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Produktion von Top-Quarks Der Tevatron-Collider: Proton-Antiproton-Kollisionen 2 Experimente: CDF und DØ Run I (1992-1996): ECM(pp) = 1800 GeV integrierte Luminosität: ~ 0.1 fb-1 Run II (seit 2002): ECM(pp) = 1960 GeV integrierte Luminosität: ~ 1 fb-1 Erwartung für Run II: integrierte Luminosität: ~ 4 – 9 fb-1 11. 10. 2006

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Produktion von Quark-Antiquark-Paaren Eigentliche Schwerpunktsenergie < 1960 GeV Proton

=

Valenzquarks (uud) + Quarks/Antiquarks/Gluonen (“See”)

Antiproton = Valenzantiquarks (uud) + Quarks/Antiquarks/Gluonen (“See”) kollidierende Elementarteilchen: nur Teil des (Anti-)proton-Impulses Kollision von: Mindestenergie für tt-Produktion

=> Produktion leichterer Quarks (sehr) viel wahrscheinlicher! 11. 10. 2006

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Produktion von Top-Quarks

und allem möglichen anderen Kram

Wirkungsquerschnitte: gesamt: σ = 7·1013 fb tt:

σ = 7·10 3 fb

Zahl der Ereignisse: N = σ · integrierte Luminosität

Datenrate der Experimente: O(100 Hz) Wollen wir 3 Jahre auf's erste tt-Ereignis warten?!

=> Online-Ereignisselektion! (“Trigger”) 11. 10. 2006

Schwerpunktsenergie (GeV)

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Messung der Masse des Top-Quarks Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks

=> Teilchenbeschleuniger

Messung der Zerfallsprodukte

=> Detektor

Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse

11. 10. 2006

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Zerfall von Top-Quarks Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses: Top-Quarks zerfallen: t -> bW+ in Zerfallszeit: = 4.4·10-25s (“vor der Bildung von Hadronen”)

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Zerfall von Top-Quarks Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses: Top-Quarks zerfallen: t -> bW+ in Zerfallszeit: = 4.4·10-25s (“vor der Bildung von Hadronen”) W-Bosonen zerfallen:

W -> e  ~ 10% (vgl. -Zerfall) W ->  ~ 10% W ->  ~ 10% W -> qq' ~ 70%

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Zerfall von Top-Quarks Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses: Top-Quarks zerfallen: t -> bW+ in Zerfallszeit: = 4.4·10-25s (“vor der Bildung von Hadronen”) Klassifizierung:

ein “Lepton+Jets”Ereignis im Detektor 11. 10. 2006

05% “Dilepton” 30% “Lepton+Jets” 44% “hadronisch” 21% “mit τ-Zerfällen”

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Die Zerfallsprodukte Was mit den Zerfallsprodukten passiert: Elektron/Positron:

stabil

Myon:

zerfällt (µ -> e ν ν), aber nicht im Detektor!

Tauon:

zerfällt sofort

Neutrino:

“unsichtbar”

(anti-)Quark:

Hadronisation -> Teilchen-Jet Ein Quark-Antiquark-Paar... fliegt auseinander... energetisch günstiger: Bildung eines neuen Quark-Antiquark Paars (-> farbneutrale Hadronen)

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Die Zerfallsprodukte Messung der Zerfallsprodukte im Detektor:

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Die Zerfallsprodukte Messung der Zerfallsprodukte im Detektor:

11. 10. 2006

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Das Detektorprinzip Innerer Spurdetektor: nicht-destruktive Messung aller geladenen Teilchen Spur -> Richtung Spurkrümmung im Magnetfeld -> Ladungsvorzeichen, Transversalimpuls Elektromagnetisches Kalorimeter:

Standard-Schalenaufbau eines ColliderDetektors

destruktive Messung von e±, γ elektromagnetischer Schauer -> Richtung und Energie Hadronisches Kalorimeter: destruktive Messung aller Hadronen hadronischer Schauer Myon-Spurdetektor: Identifizierung von Myonen 11. 10. 2006

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Spurdetektor Spurdetektor in homogenem Magnetfeld (parallel zur Strahlachse) => Messung des Transversalimpulses pt über den Krümmungsradius ρ

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Kalorimeter Konzept: destruktive Messung der Teilchen-Energie Elektromagnetische Schauer: bei hohen Energien, in Materie... reagieren Photonen via e+e--Paarbildung reagieren Elektronen via Bremsstrahlung

Hadronische Schauer: starke Wechselwirkung mit Materie Produktion von sekundären Hadronen

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Myon-Detektor Spurdetektor außerhalb des Kalorimeters Konzept: nur Myonen hinterlassen hier noch Spuren

DØ-Myondetektor 11. 10. 2006

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Gesamtansicht

DØ-Installation

CDF-Installation

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Messung der Masse des Top-Quarks Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks

=> Teilchenbeschleuniger

Messung der Zerfallsprodukte

=> Detektor

Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse

11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Produktion von Top-Quarks

und allem möglichen anderen Kram

Wirkungsquerschnitte: gesamt: σ = 7·1013 fb tt:

σ = 7·10 3 fb

Zahl der Ereignisse: N = σ · integrierte Luminosität

Datenrate der Experimente: O(100 Hz) Wollen wir 3 Jahre auf's erste tt-Ereignis warten?!

=> Online-Ereignisselektion! (“Trigger”) 11. 10. 2006

Schwerpunktsenergie (GeV)

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Selektion der Ereignisse tt-Produktion und Zerfall

Ereignis im Detektor:

11. 10. 2006

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Selektion der Ereignisse tt-Produktion und Zerfall

Ereignis im Detektor:

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Selektion der Ereignisse tt-Produktion und Zerfall

Ereignis im Detektor:

11. 10. 2006

Produktion leichterer Quarks

Ereignis im Detektor:

Messung der Masse des Top-Quarks

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Selektion der Ereignisse Selektionskriterien für Lepton+Jets-Ereignisse: ein Elektron oder Myon (Mindestenergie, nicht in der Nähe von Jets)

}

wichtig für die onlineSelektion (Trigger)!

(mindestens) vier Jets (Mindestenergie) Neutrino -> fehlender Transversalimpuls Ereignis im Detektor:

11. 10. 2006

Ereignis im Detektor:

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks

=> Teilchenbeschleuniger

Messung der Zerfallsprodukte

=> Detektor

Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse

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Messung der Masse des Top-Quarks

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Kalibration des Detektors Messung der Masse des Top-Quarks aus Energien/Impulsen der Zerfallsprodukte “i”: m0 =

√E2/c4 – p2/c2

mit Etop = ΣEi , ptop = Σpi i

i

Richtungen von Elektron/Myon und Jets -> gut gemessen Massen der Zerfallsprodukte: mic2 |pi|c ≈ Ei

Problem I: absolute Energiekalibration des Kalorimeters (-> Elektronen, Jets)? absolute Impulskalibration des Spurdetektors (-> Elektronen, Myonen)?

Problem II: Messung des Neutrino-Impulses?? 11. 10. 2006

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Kalibration des Detektors Prinzip: Kalibrationsdatennahme zur gleichen Zeit Elektronen und Myonen: leptonische Z0-Zerfälle

LEP: e+e- -> Z0 -> ... => mZ = 91.1876 ± 0.0021 GeV/c2

Tevatron: qq -> Z0 -> e+e=> vergleiche die Z-Masse:

Daten und Erwartung geringer Untergrund!

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Messung der Masse des Top-Quarks

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Kalibration des Detektors Prinzip: Kalibrationsdatennahme zur gleichen Zeit Jets: hadronische W/Z0-Zerfälle?

11. 10. 2006

zu großer Untergrund!

Messung der Masse des Top-Quarks

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Kalibration des Detektors Ausweg: hadronische W-Zerfälle in Top-Antitop-Ereignissen

LEP: e+e- -> W+W- -> ... => mW = 80.403 ± 0.029 GeV/c2

11. 10. 2006

Tevatron: qq -> tt -> (Wb)(Wb) => vergleiche die W-Masse:

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks

=> Teilchenbeschleuniger

Messung der Zerfallsprodukte

=> Detektor

Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse

11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Auswertung der Ereignisse rekonstruiere die Top-Quark-Masse in jedem Ereignis => Verteilung von rekonstruierten Massen

simuliere solche Experimente für verschiedene angenommene Massen

Vergleich => Massenmessung = bester Wert und (statistische) Unsicherheit (diese Messung: 173.4 ± 2.5 GeV/c2) 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Systematische Unsicherheiten Glückwunsch: Hälfte der Auswertung geschafft! => Systematische Unsicherheiten:

statistische Unsicherheit der Energieskala für Jets:

±3.5 GeV/c2

Unterschiede zwischen b-Jets und anderen Jets:

±0.8 GeV/c2

zusätzliche Abhängigkeiten (Position im Detektor?)

±0.3 GeV/c2

Vergleich mit simulierten Daten Genauigkeit der Kenntnis der Reaktionen:

11. 10. 2006

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±1.2 GeV/c2

(repräsentative Werte für eine Einzelmessung)

Detektor-Kalibration

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Systematische Unsicherheiten Unsicherheiten aufgrund von Farbladungen Farbladungen sind immer erhalten, also:

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Messung der Masse des Top-Quarks

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Systematische Unsicherheiten Unsicherheiten aufgrund von Farbladungen Farbladungen sind immer erhalten, also:

zusätzlicher Farbaustausch (Quarks, Gluonen) -> farbneutrale Hadronen => Top-Quark-Masse nicht eindeutig rekonstruierbar 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks Vorgehensweise: Produktion von Top-Quarks

=> Teilchenbeschleuniger

Messung der Zerfallsprodukte

=> Detektor

Selektion der Ereignisse Kalibration des Detektors Auswertung der Ereignisse Interpretation der Ergebnisse

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Messung der Masse des Top-Quarks

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Interpretation der Ergebnisse Messungen mit... Dilepton-Ereignissen,

Lepton+Jets -Ereignissen und

hadronischen Ereignissen ...sind konsistent “Weltmittelwert” (gewichtetes Mittel, inkl. Korrelationen) 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Interpretation der Ergebnisse

Massen des W-Bosons und des Top-Quarks: indirekte Information direkte Messungen erlaubte Werte mW(mtop) für verschiedene Massen des Higgs-Bosons

∆χ2 (“Unwahrscheinlichkeit”)

indirekter Rückschluss auf die Masse des (noch hypothetischen) Higgs-Bosons:

im Standardmodell: noch mögliche Werte für die Masse des Higgs-Bosons 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Interpretation der Ergebnisse wird die Luft dünn für das Standardmodell? zusätzliche Teilchen => veränderte Relation mW(mtop, mHiggs) z.B. Minimales supersymmetrisches Standardmodell:

derzeitige direkte Messungen Tevatron+LHC e+e--Linearbeschleuniger

es wird spannend... 11. 10. 2006

Messung der Masse des Top-Quarks

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Messung der Masse des Top-Quarks (I) Messungen und Unsicherheiten

Elementarteilchen

Top-Quarks: Produktion / Zerfall

Detektorkonzept

Kollision von: Mindestenergie für tt-Produktion

11. 10. 2006

“Zur Erinnerung an Dillingen 2006”

Messung der Masse des Top-Quarks (II) Ereignisselektion

Auswertung

Detektorkalibration

SUSY or not 11. 10. 2006 SUSY

“Zur Erinnerung an Dillingen 2006”