Die Entdeckung des Top
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Die Entdeckung des Top Quarks Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [1] Zentrale Fragen: • Warum suchte man das Top - Quark? • Wie suchte man das Top - Quark? • Wie geht es mit dem Top – Quark weiter? Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Entdeckung der 3. Generation • • 1975 Entdeckung des Tau 1977 Entdeckung des Bottom Ist das Bottom Teil eines (schwachen) Isospin – Doubletts ? Wenn ja muss es ein zweites Quark – das Top – geben. Theoretisch auch denkbar: Bottom ist schwaches Isospin - Singluett Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Experimentelle Hinweise auf das Top-Quark Experimentelle Hinweise auf Doublett Charakter: 1. Genaue Messung von Schleifenkorrekturen bei schwachen Zerfällen. 2. Vorwärts- /Rückwärts-Asymmetrie von gemessen am PETRA Speicherring [2] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Direkte (erfolglose) Suchen nach dem Top - Quark Beschleuniger Betrieben ab Maximale Schwerpunktsenergie [GeV] PETRA 1979 23 – 23 SppS 1981 310 – 310 TRISTAN 1986 30 – 30 LEP 1989 50 – 50 SLC 1989 50 - 50 [3] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Die Suche mit dem Tevatron am Fermilab • bisherige Beschleuniger waren zu schwach • Tevatron ist ein Proton Antiproton Collider mit einer Schwerpunktsenergie von insgesamt 1800 GeV [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Topproduktion am Tevatron Quark-Antiquark-Annhilation Gluon-Gluon-Fusion [4] 90% [4] 10% Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Es gibt 2 Kollaborationen am Tevatron Die CDF Kollaboration Die D0 Kollaboration [4] [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der CDF Detektor Technische Details: 12m x 12m x 12m 5.000t Magnet mit 1,4 Tesla [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Mehrere Detektionssysteme mit verschiedenen Aufgaben [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Das Detektionssystem [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Silizium Vertex Detektor 20µm dicke Siliziumstreifen [1] Kontakte Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Die Driftkammer Prinzip: Geladene Teilchen ionisieren Gas Elektronen driften mit konstanter Geschwindigkeit zu Anodendrähten Genaue Spurrekonstruktion durch Messung der Driftzeit Oben und unten je ein Detektor in der Mitte eine gasgefüllte Drahtkammer Signal Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Das elektromagnetische Kalorimeter Szinitilationsmaterial Zur Detektion von Elektronen, Positronen und Photonen ab 100 MeV Durch Bremsstrahlung und Paarerzeugung wird Kaskade von Teilchen erzeugt Lichtleiter Photomultiplier Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Das hadronische Kalorimeter Szintillationsmaterial Durch Kernreaktionen entstehen hadronische Schauer Mit nur geringer Energiedeposition im Szintillationsmaterial darum ist die Genauigkeit geringer als im em. Kalorimeter Lichtleiter Absorbermaterial Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Photomultiplier Die Myon-Driftkammern Zur Detektion von Myonen werden Driftkammern verwendet. Nur Myonen gelangen in die äußeren Driftkammern [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [1] Der Zerfall des Top Quark • • Wenn die Top-Masse größer als die Masse von W-Boson und Bottom ist zerfällt es fast ausschließlich in diese Beiden. Laut CKM-Matrix ist der Zerfall des t in s und d Quarks stark unterdrückt [4] CKM-Matrix [5] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Zerfallskanäle des Top Zerfall der W-Bosonen ist entscheidend für die Art des Zerfallskanals. Die W-Bosonen können leptonisch (in Elektron, Myon + Neutrinos) oder hadronisch (in Quark-Antiquark-Paare) zerallen. Es werden keine Prozesse mit Tauonen betrachtet [4] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Dileptonische Zerfallskanal Auswahlkriterien für Ereignisse: • Detektion zweier Leptonen wovon mind. eines die transversale Energie E > 20 GeV haben muss • Detektion von 2 Jets mit transversaler Energie E> 10 GeV und Pseudorapidität |η| < 2 • Fehlende transversale Energie durch die beiden Neutrinos muss größer als 25 GeV sein. Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [4] Pseudorapidität |η| [4] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Dileptonische Zerfallskanal Auswahlkriterien für Ereignisse: • Detektion zweier Leptonen wovon mind. eines die transversale Energie E > 20 GeV haben muss • Detektion von 2 Jets mit transversaler Energie E> 10 GeV und Pseudorapidität |η| < 2 • Fehlende transversale Energie durch die beiden Neutrinos muss größer als 25 GeV sein. Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [4] Der Dileptonische Zerfallskanal Haupthintergrund nach Wichtigkeit: Berechnen des Hintergrunds mittels QCD und Simulieren der Ereignisse mit Monte Carlo Erwartete Zahl von Hintergrundereignissen [5] Drell-Yan-Prozess Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Dileptonische Zerfallskanal Zusammenfassung: • Nur wenig Ereignisse • Aber vergleichsweise geringer Hintergrund Ereignisse CDF 1995: [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Semileptonische Zerfallskanal Auswahlkriterien für Ereignisse: • • • Ein Lepton mit transversaller Energie E> 20 GeV Die fehlende transversalle Energie durch das Neutrino muss 20 GeV betragen Nachweis von mindestens 3 Jets mit transversaller Energie E > 15 GeV und |η| < 2,0 Alle Ereignisse die nach bisheriger Auswahl auch dileptonisch sein könnten werden verworfen Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [4] Der Semileptonische Zerfallskanal Bestimmung des Hintergrunds Haupthintergrund sind W-Bosonen mit Quark-Antiquarkpaaren aus nicht Top-Ereignissen Filtern des Hintergrunds erfolgt mit Bottom-Tagging, dem Identifizieren von Bottom-Quarks [4] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks SVX-Tagging Secondary-Vertex-Tagging Bottom-Quarks werden direkt im Silizium-Vertex-Detektor nachgewiesen. Mittlere Lebensdauer der Bottom-Quarks im Detektor beträgt 450µm Spezieller Algorithmus sucht nach Bottom-Quarks mit einer Effizienz von 42% [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks SLT-Tagging Soft-Leptonic-Tagging Nachweis der Bottom-Quarks erfolgt indirekt über den Nachweis von sekundären Leptonen aus B-Zerfällen Beispiele für soft-leptonische Zerfälle Diese Leptonen haben kleinen Impuls (= soft) Problem: „softe“ Leptonen aus anderen Prozessen Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Semileptonische Zerfallskanal Zusammenfassung: • Deutlich höhere Ereignisrate als Dileptonischer Zerfall • Wesentlicher größer Hintergrund als Dileptonischer Zerfallskanal Ereignisse CDF 1995: Zusammen mit Dileptonischem Kanal Hintergrundswahrscheinlichkeit: 1:1.000.000 Beobachtung des Top–Quarks (1995) Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [1] Identifikation des Top-Quark Das Top verglichen mit Hintergrund (CDF 2008) [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Identifikation des Top-Quark Erwartete Ereignisse: Hintergrund vs. Top-Produktion (CDF 2008) [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks All-Jet Zerfallskanal Auswahlkriterien für Ereignisse: • Mindestens 6 Jets mit transversaller Energie E>15GeV und |η|<2,0 • Gesamte transversalle Energie der Jets muss 150 GeV betragen • Verhältnis der gesamten transversallen Jetenergie zur Schwerpunktsenergie muss größer als 0,75 sein • Jets in einem Ereignis sollen nicht in einer Ebene liegen • Mindestens ein SVX-Tag eines Bottom-Quarks Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [4] All-Jet Zerfallskanal Effizienz der bisherigen Auswahl beträgt laut Modellrechnungen lediglich 8,6% Trotzdem noch großer Hintergrund vorhanden Zur Modellierung des Hintergrunds verwendet man Ereignisse die alle All-Jet Kriterien erfüllen außer dem SVX-Tag [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Rekonstruktion der Top-Quark Masse aus semileptonischem Zerfall Man verwendet Hypothesentests zur Massenrekonstruktion Man weist den gemessenen Jets Partonen zu Kleinstes Events) Top-Masse (eines Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks CDF 1995 Phys. Rev. Letter 74, 2626 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Rekonstruktion der Top-Quark Masse Die ersten Ergebnisse sind noch mit großen Fehlern behaftet. Mit steigender Statistik werden die Fehler kleiner. [1] [1] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Ausblick Vorhersage zur Higgs - Masse Einzeltop - Erzeugung Prozesse zur Higgs - Erzeugung Starke Top-Erzeugung am LHC Top-Kenntnisse lassen sich zur Kalibration der Detektoren dort nutzen [4] Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Bildnachweis • [1] http://www-cdf.fnal.gov/images_movies/index.html • [2] Search for the Top Quark – Peter Erhard • [3] Bergmann Schäfer – Lehrbuch der Experimentalphysik – Band 4 Teilchen – de Gruyter 1992 • [4] http://www- d0.fnal.gov/Run2Physics/top/top_public_web_pages/top_dzero_detector.html • [5] www.wikipedia.org Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Literatur • • • • • • Top Physics at CDF – Richard E. Hughes 1995 Observation of the Top Quark (D0) – Phys. Rev. Letter 74 2632 Observation of Top Quark Production in ppbar Collisions with CDF at Fermilab – Phys. Rev. Letter 74 2626 The Discovery of the Top Quark – Scientific American 1997 Search for the Top Quark – Peter Erhard 1988 Top Quark Physics in Hadron Collisions – Wolfgang Wagner 2005 • Povh, Rith, Scholz, Zetsche – Teilchen und Kerne – Springer 7. Auflage Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [Bilder vom DESY]
