Vortrag zum Top-Quark

Top-Physik
von Coralie Neubüser
02.02.2011
Top-Physik
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Inhalt
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Das top-Quark
Die top-Produktion
Der top-Zerfall
Der Untergrund
Jet-identifikation
b-tagging
Wirkungsquerschnitte
Die top-Masse
• Ausblick
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Das top-Quark
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ist das schwerste Elementarteilchen
Isospinpartner vom bottom-Quark
mtop ≈ mGoldatom
Spin J
1
Parität P
+
Ladung q
2
Masse m
172 GeV
Totale Zerfallsbreite Γ
2 GeV
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2
3
·qe
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Das top-Quark
• nach der Entdeckung des Bottom-Quark, musste es nach SU(2)
das top-Quark geben
• die Existenz wurde 1994 bewiesen
• Entdeckung 1995 am Fermilab im Tevatron
mit den CDF und DO-Experiment mt = 176 ± 8 ± 10 GeV c 2 in ttProduktion
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Die top-Produktion
1) Einzeltop-Erzeugung über schwache
Wechselwirkung
S-Kanal Austausch
t-Kanal Austausch
q
q´
q
t
W
W
t
b
q´
b
Assoziierte Wt-Produktion
b
g
Einzeltop-Produktion interessant für
CKM-Matrix, genauer Vtb
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b
W
g
t
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Die top-Produktion
2) Paarerzeugung über starke Wechselwirkung
am LHC mit einem Wirkungsquerschnitt von
157,5pb
Gluon-Fusion
qq- Annihilation
g
t
q
g
g
g
≈ 90% am LHC
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t
q
t
t
t
t
Dieser 2-Körper-Prozess wird mit
PDF beschrieben
-> Wirkungsquerschnitte
≈ 10% am LHC, da das Antiquark
nur als Seequark auftritt
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Der top-Zerfall
b
t
Das top-Quark hat eine Lebensdauer von
τ = 1Γ = 4⋅ 10 −25 s
W
(hadronisiert (bei derzeitig möglichen Energien) nicht!)
Das top-Quark zerfällt im Standardmodell (fast) ausschließlich in ein
Bottom-Quark und ein W-Boson:
Γ(t →Wb)
= 0,99 ± 0,08
Γ(t →Wq(q = b,s,d))
Î
für CKM-Matrix:
Vtb >> Vts , Vtd
Vud
Vus
Vub
Vcd
Vcs
Vcb
Vtd
Vts
Vtb
0,974 0,225 0,003
= 0,225 0,973 0,041
0,008 0,040 0,999
Die Zerfälle des top-Quarks werden anhand des Zerfalls der W-Bosonen
klassifiziert...
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Der top-Zerfall
Man unterscheidet zwischen drei Zerfallskanälen:
1)dileptonischer Zerfallskanal
υl
⇒2 Leptonen
⇒2 Bottom-Quarks, Jets im Kalorimeter
l⇒2 Neutrinos (fehlender Impuls/Energie)
2)
⇒
⇒
⇒
semileptonischer Zerfallskanal
1 Lepton + Neutrino
2 Bottom-Quarks
2 leichte Quarks, weitere Jets
W-
b
t
t
b
υl
q
Wq
b
t
t
b
W+
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l+
υl
q
3) voll-hadronischer Zerfallskanal
⇒ 4 leichte Quarks, Jets
⇒ 2 Bottom-Quarks, zusätzliche
Jets
l+
W+
W-
q
b
b
t
t
W+
q
q
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Der top-Zerfall
Verzweigungsverhältnisse:
• 11,1% dileptonischer Kanal
• 44,4% semileptonischer Kanal
• 44,4% voll-hadronischer Kanal
Ingesamt 81 mögliche Kombinationen von Endzuständen!
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Der Untergrund
es gibt eine Vielzahl möglicher Prozesse, die man als zerfallenes ttPaar indetifizieren kann:
Für semileptonische Zerfälle wichtig:
q
W+jets:
u
u
W
q
μ
q
q
νμ
Wirkungsquerschnitt 200-mal höher als der der
Produktion von tt-Paaren!
...allerdings:
die Wahrscheinlichkeit zwei b-Jets zu sehen ist sehr klein 15,6%!
=> B-tagging spielt eine große
Rolle
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Der Untergrund
νμ
QCD-Multijets:
jet
Im Jet im Kalorimeter wird ein Myon produziert
(Zerfall von D- oder B-Mesonen)
μ+
D+ →K − + π + + μ + + ν μ
Wahrscheinlichkeit 17,6%
D+ {
W
c
d
Unterscheidbar durch:
• schlechten Isolation des Myons
• fehlenden Transversalenergie eines Neutrinos
g
μ+
νμ
s
K−
}
u
u
π+
}
d
μ-
Z+jets:
Z0
μ+
Nur unterscheidbar, wenn beide Myonen rekonstruiert werden!
Zur Simulation der Prozesse werden Monte Carlo-Generatoren benutzt.
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Jet-Identifikation
ein semileptonischer Prozess mit einem Myon im Endzustand
tt → μ + + ν μ + b + b + q + q
Fehlender Transversalimpuls des
Neutrinos mit kinematischen Fit
(Viererimpulserhaltung+MW):
χ2 so klein wie möglich!
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Myon-Selektion
ein semileptonischer Prozess mit einem Myon im Endzustand
Kriterien für das Myon:
Das Ereignis soll ein Myon im Endzustand
haben mit:
pT > 20GeV
Pseudorapidität
θ
η = −lntan( ) < 2,1
2
Impaktparameter d0 < 0,02cm
Abstand des Myons zum nächsten Jet
ΔR = (Δφ ) 2 +(Δη2 ) > 0,3
-> Myon nicht aus kosmischer
Höhenstrahlung
-> 02.02.2011
Myon nicht in einem Jet produziertTop-Physik
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b-tagging
ein semileptonischer Prozess mit einem Myon im Endzustand
Das top- zerfällt in ein bottom-Quark, welches ein B-Meson bildet.
Secondary-Vertex-Tag:
B-Meson Identifikation anhand seiner Lebensdauer
τ ≈ 1,6⋅ 10 −12 s
und einer Zerfallslänge
Lxy = β⋅ γ ⋅c⋅
{ τ
(450−490)μm
und besonders großem Impaktparameter d0!
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Wirkungsquerschnitte
mit Zählexperimenten wird der Wirkungsquerschnitt σ ermittelt:
σ=
N selektiert − N background
ε ⋅ Lint
Np
ε=
Np + N f
ε = Effizienz
N f = verworfene Ereignisse
N p = nicht verworfene Ereignisse
⇒ σ(tt → μ+ ≥ 4 jets) = (6,8 ± 2,0(stat.) ± 1,5(syst.)) pb
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Wirkungsquerschnitt
s = 7TeV
σ(tt)(pb)
CMS Lint = 3,1 ± 0,3pb −1 (194 ± 72 ± 24 ± 21)GeV
ATLAS
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Lint = 2,9 pb −1
(145 ± 31+42
−27 )GeV
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Die top-Masse
Die top-Quark Masse ist fundamental wichtig für das Standardmodell:
mt = 172,0 ± 0,9(stat.) ± 1,3(syst.)GeV
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Die top-Masse
Eine genaue Kenntnis der Top-Masse liefert eine Vorhersage für die HiggsMasse:
Strahlungskorrekturen der W-Masse
führt zu:
mW ∝ mt 2 ∝ ln(mh2 )
W+
t
H
W-
t
H
H
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Ausblick
SUSY:
Top im SM schwerstes, in SUSY leichtestes Teilchen
=> Stop schon bei kleinen Energie sichtbar?!
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Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit!
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