16 Jahre Proton-Antiproton Kollisionen am Tevatron Resultate und

16 Jahre Proton-Antiproton Kollisionen am Tevatron
Resultate und Perspektiven
Volker Büscher
Universität Bonn
Physikalisches Kolloquium, 22. April 2008, Universität Dresden
–
Hochenergiephysik: warum, und wie?
–
Der Tevatron-Beschleuniger
–
Das Top Quark
–
Materie-Antimaterie-Oszillationen
–
Das Higgs-Boson
Zugang zu allen Ergebnissen unter:
http://www-d0.fnal.gov/Run2Physics/WWW/results.htm
http://www-cdf.fnal.gov/physics/physics.html
Klassische Fragen der Teilchenphysik:
Was sind die elementaren Bestandteile der Materie?
Die elementaren Bestandteile der Materie
–
Elektron (Thomson, 1897): Masse 511 keV; Ladung -1e
–
Proton (Rutherford, 1919): Masse 938 MeV; Ladung +1e
–
Neutron (Chadwick, 1932): Masse 940 MeV; Ladung 0
–
Up, Down Quarks (Taylor et al., 1969): Masse 2 MeV, 5 MeV; Ladung +2/3e, -1/3e
→ Proton: Bindungszustand uud
→ Neutron: Bindungszustand udd
Klassische Fragen der Teilchenphysik:
Wie reagieren Elementarteilchen miteinander?
Fundamentale Wechselwirkungen: Elektromagnetische Kraft
Klassisches Bild:
–
Elektron reagiert mit Proton über elektrisches Feld
Quantenfeldtheorie (Quantenelektrodynamik):
–
elektromagnetische Felder sind quantisiert
–
Feldquant (minimaler Feldinhalt): Photon γ
→ minimale Wechselwirkung: “Photon-Austausch”
Wechselwirkung
Partner
Feldquant
Beispiel
Atombindung:
e−
e−
Elektromagnetisch Elektron, Quarks
Photon
γ
+
p
p+
Drei fundamentale Wechselwirkungen
Wechselwirkung
Partner
Feldquant
Beispiel
Atombindung:
e−
e−
Elektromagnetisch
Elektron, Quarks
Photon
γ
+
p
p+
Nukleonbindung:
d
d
Stark
Quarks
Gluon
gluon
u
u
β-Zerfall:
ν̄
Schwach
Elektron, Neutrino, Quarks W-,Z-Teilchen
−
W− e
n(
)p
Mass (eV)
Elementarteilchen: Stand 1990
1012
t
h
1011
W
Z
1010
τ
c
109
nicht
direkt
beobachtet
8
b
µ
10
s
d
107
u
6
10
e
Standard Model Particles
Mass (eV)
Elementarteilchen: Stand 1990
1012
t
h
1011
W
Z
1010
τ
c
109
nicht
direkt
beobachtet
8
b
µ
10
s
d
107
u
6
10
e
Standard Model Particles
Mass (eV)
Elementarteilchen: Stand 1990
1012
t
h
1011
W
Z
1010
τ
c
109
nicht
direkt
beobachtet
8
b
µ
10
s
d
107
u
6
10
e
Standard Model Particles
Mass (eV)
Warum sehen wir nur die erste Kopie?
1012
t
h
1011
W
Z
1010
τ
c
109
8
b
µ
10
s
d
107
u
6
10
e
Standard Model Particles
Fragen aus der Teilchenphysik
Klassische Fragen:
–
Was sind die elementaren Bestandteile der Materie?
–
Wie reagieren Elementarteilchen miteinander?
Neue, offene Fragen:
–
Warum gibt es zusätzliche Kopien der Elementarteilchen, und wieviele gibt es?
–
Was bestimmt die Massen der Elementarteilchen?
–
Warum existieren wir, und warum zerfallen wir nicht?
–
Was ist dunkle Materie und dunkle Energie?
–
Gibt es eine “Theory Of Everything”?
.
Teilchenkollisionen bei hoher Energie: Wie?
Grundprinzip: Beschleunigung und Kollision zweier Teilchen
Ungeordnete Bewegung (Wärme)
Geordnete Bewegung
Beschleunigungsspannung 1 kV → Elektronenergie 40.000 mal grösser als Atome
bei Zimmertemperatur
Zwei wesentliche Parameter: Energie und Intensität/Fläche
.
Kosmische Strahlung: hohe Energie, geringe Intensität (umsonst)
.
Beschleuniger: hohe Energie, hohe Intensität (teuer)
Tevatron: 2 TeV
LHC: 14 TeV
.
Tevatron: Planungsbeginn 1971
.
Tevatron: Erste Proton-Antiproton-Kollisionen 1985
.
Tevatron: Beginn der Datennahme (Run I) 1992
Experimente
Proton-Antiproton-Kollisionen → Energie → Teilchen
–
Teilchen fliegen auseinander
Minimalziel: Energie und Flugrichtung aller Teilchen messen
→ Detektoren rund um den Kollisionspunkt
.
Die Tevatron Experimente
Zwei Vielzweckdetektoren: CDF und DØ
µ− PDTs
µ− Scintillation Counters
µ− MDTs
Calorimeter
Tracking
Detectors
Superconducting Coil
Toroid
CFT
Shielding
CPS
FPS
Si−Barrels F−Disks
H−Disks
Die Jagd auf das Top-Quark
Wie erzeugt man Top-Quarks?
Analogie: Paarbildung
e−
γ
t̄
γ
g
Z
t
e+
γ →e+ e−
γ → tt̄
t̄
t̄
t
t
Gluon→ tt̄
Z→ tt̄
Wie erzeugt man Photonen/Z/Gluonen mit hoher Energie?
e+
t̄
q̄
t̄
t
q
t
γ/Z
e−
LEP
Tevatron
Die Jagd auf das Top-Quark
LEP (1989): Energie < 2Mt
→ Produktion von Top-Quarks nur als kurzlebiger Zwischenzustand
Beispiel: e+e− → bb̄
e+
b̄
e+
b̄
t
t̄
Z
t̄
e−
b
e−
t
b
→ Verzweigungsverhältnis BR(Z→ bb̄) abh. von
Top-Quark Masse (Korrektur O(1%))
→ Präzise Messung von BR(Z→ bb̄) erlaubt
Vorhersage von Mt
Komplizierte Rechnungen, einfaches Ergebnis:
(courtesy of SciArts)
Die Jagd auf das Top-Quark
LEP (1989): Energie < 2Mt
→ Produktion von Top-Quarks nur als kurzlebiger Zwischenzustand
Æ
Beispiel: e+e− → bb̄
e+
b̄
e+
b̄
t
t̄
Z
t̄
e−
b
e−
t
b
→ Verzweigungsverhältnis BR(Z→ bb̄) abh. von
Top-Quark Masse (Korrektur O(1%))
→ Präzise Messung von BR(Z→ bb̄) erlaubt
Vorhersage von Mt
Komplizierte Rechnungen, einfaches Ergebnis:
Mt = Limit + 50 GeV
“Keep looking, it’s just around the corner!”
(courtesy of SciArts)
Die Jagd auf das Top-Quark
Tevatron: Energie 1.8 TeV > 2Mt
Wie weist man das Top-Quark nach?
–
Top-Zerfall: t → b + W mit W → ℓν oder W → q q̄
–
Beispiel: tt̄ → b + µ + νµ + b + q + q̄
–
Im Detektor: 4 Jets, 1 Myon und fehlende Energie
Top-Quarks im DØ-Detektor
Die Jagd auf das Top-Quark
Wie oft entsteht ein solches Ereignis?
–
Run I: etwa 1 pro Tag
–
Aber: 106 inelastische Streuungen / Sekunde!
→ vollautomatische Ereignisselektion (Trigger)
Wichtiges Unterscheidungsmerkmal: hochenergetisches Lepton
–
in jedem zweiten tt̄-Ereignis, extrem selten in inelastischen Streuungen
–
Entscheidungszeit in erster Triggerstufe: O(1 µs)
1995: Die Entdeckung des Top-Quarks
Unterscheidung W+bbqq von tt̄: invariante Masse
∆ln(likelihood)
6
1
0
-1
160
170
180
190
2
Top Mass (GeV/c )
4
2
Events/(10 GeV/c )
5
2
3
2
1
0
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
2
Reconstructed Mass (GeV/c )
Top-Quark-Masse (CDF, 1995): 176±13 GeV
–
in sehr guter Übereinstimmung mit der (aktuellen) Vorhersage
Das Top-Quark
Top-Quark hat aussergewöhnliche Eigenschaften:
–
–
schwerste Elementarteilchen (Masse = 1 Gold-Atom)
√
Kopplung an Higgs-Boson = 2Mt / 246 GeV = 1.01 ± 0.08
→ grosses Interesse an Präzisionsmessungen zum Studium des Top-Quarks
1996-2001: Ausbau des Tevatron, 10fache Intensität
–
gleichzeitig massiver Ausbau der Detektoren
–
2001: Beginn des Run II; 2008: 40fache Datenmenge
Main Injector und Recycler
Präzisionsmessung der Top-Quark-Masse: Stand 2008
Mass of the Top Quark (*Preliminary)
2
Measurement
Mtop [GeV/c ]
CDF-I di-l
167.4 ± 11.4
D∅-I
168.4 ± 12.8
di-l
CDF-II di-l*
171.2 ± 3.9
D∅-II
173.7 ± 6.4
di-l*
CDF-I l+j
176.1 ± 7.3
D∅-I
180.1 ± 5.3
l+j
CDF-II l+j*
172.4 ± 2.1
D∅-II l+j/a*
170.5 ± 2.9
D∅-II l+j/b*
173.0 ± 2.2
CDF-I all-j
186.0 ± 11.5
CDF-II all-j*
177.0 ± 4.1
CDF-II lxy
180.7 ± 16.8
Kopplung an Higgs-Boson: 0.992 ± 0.008
Mt konsistent mit indirekter Vorhersage
χ / dof = 6.9 / 11
2
172.6 ± 1.4
Tevatron Run-I/II*
150
170
190
Mtop [GeV/c ]
2
March 2008
(courtesy of SciArts)
Eigenschaften des Top-Quarks: Stand 2008
Ladung
Messung
SM Vorhersage
nicht 4/3
2/3
1/2
Spin
Breite Γt
<12.7 GeV (95% C.L.)
1.5 GeV
Lebensdauer cτtop
<53.5µm (95% C.L.)
10−10 µm
Wirkungsquerschnitt σtt̄
7.3±0.9 pb
6.7±0.9 pb
σ(gg → tt̄)/σ(gg + qq → tt̄)
0.07±0.17
0.18
0.97±0.09
0.998
F0
0.59±0.12
0.75
F+
<0.07 (95% C.L.)
0
Vtb
0.88±0.14
0.9991
BR(t → W b)/BR(t → W q)
Weiterhin statistisch limitiert → Messungen werden weitergeführt
Teilchenphysik am Tevatron
–
CDF- und DØ-Detektoren sind Vielzweckdetektoren
–
Vielzahl an möglichen Forschungsthemen
–
etwa 600 Teilchenphysiker pro “Experiment”
–
zur Zeit durchschnittlich 1 Veröffentlichung pro Woche
CP-Verletzung
“Warum existieren wir?”
Urknall: symmetrische Anfangsbedingungen, gleiche Mengen Materie und Antimaterie
→ nach kurzer Zeit nur noch Photonen!
e+
γ
−
e
→ Wechselwirkungen nicht perfekt symmetrisch:
Verletzung der CP-Symmetrie (Austausch Materie-Antimaterie + Spiegelung)
Problem: bisher beobachtete CP-Asymmetrie zu klein, um Existenz unseres Universums
zu erklären
→ Suche nach neuen Quellen von CP-Verletzung von grossem Interesse
Bs Oszillationen
Nur wenige Teilchen geeignet zum Studium der CP-Verletzung:
–
neutrale Kaonen (Entdeckung CP-Verletzung 1964)
–
neutrale B-Mesonen (Bd: B-Fabriken, Bs: Tevatron)
Beispiel: Studium von Materie-Antimaterie-Oszillationen mit Bs-Mesonen
 s̄
B̄s 
b
t̄
W
W
b̄ 
s
t
 Bs
Standardmodell: Unitaritätsrelation verbindet Oszillationsfrequenz mit CP-Verletzung
Fre
que
CP
nz
Bs Oszillationen – Messmethode
–
Messung der Bs-Zerfallsdauer
–
Bs oder B̄s am Zerfallspunkt?
→ Rekonstruktion des Zerfalls
–
Bs oder B̄s am Kollisionspunkt?
→ Rekonstruktion von Zerfallsprodukten des anderen b-Quarks
Bs Oszillationen – Ergebnisse
Messung der Oszillationsamplitude als Funktion der Zeit
CDF Run II Preliminary
L = 1.0 fb-1
A(t) =
Nnicht−osz. (t) − Nosz. (t)
Nnicht−osz. (t) + Nosz. (t)
Fitted Amplitude
2
1
0
-1
data
-2
0
cosine with A=1.28
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Decay Time Modulo 2π/∆ms [ps]
Tevatron 2006: Erste Messung der Bs-Oszillationsfrequenz
∆ms =17.77±0.10(stat)±0.07(syst) ps−1
Unitaritätsrelation bestätigt?
1.5
exc
excluded area has CL > 0.95
ed
∆md
L>
at C
1
lud
γ
∆ms & ∆md
5
0.9
sin2β
0.5
η
α
α
εK
γ
0
β
V ub/V cb
-0.5
εK
α
-1
CKM
fitter
γ
BEAUTY 2006
-1.5
-1
-0.5
sol. w/ cos2β < 0
(excl. at CL > 0.95)
0
0.5
ρ
1
Kein Hinweis auf CP-Verletzung jenseits des Standardmodells
1.5
2
Das Higgs-Boson
Was bestimmt die Massen der Elementarteilchen?
Problem: Theorie funktioniert nur mit Masse=0
Wie kann man massive Elementarteilchen in Theorie beschreiben?
Antwort: Masse entsteht durch Wechselwirkung mit neuem Feld (Peter Higgs et al., 1964)
Besonderheit: Higgs-Feld hat Feldstärke 6= 0 im Grundzustand
Feldquant
Higgs-Feld
Analogie: Photon-Feld
Higgs-Boson
Photon
e
Beispiel
Kopplung
e
H
∼ Masse
e
e
γ
∼ Ladung
Vorhersage: neues Feldquant mit unbekannter Masse, Higgs-Boson
Die Masse des Higgs-Bosons
Bisher: Higgs-Boson nicht direkt beobachtet (untere Massengrenze: 114 GeV)
Aber: Higgs beeinflusst Messgrössen als kurzlebiger Zwischenzustand
H
H
W/Z
W/Z
6
March 2008
80.5
W/Z
LEP2 and Tevatron (prel.)
LEP1 and SLD
W
mLimit = 160 GeV
March 2008
Theory uncertainty
5
(5)
∆αhad
=
0.02758±0.00035
0.02749±0.00012
68% CL
incl. low Q2 data
4
∆χ2
mW [GeV]
mH
∼ ln m
W/Z
80.4
3
2
80.3
mH [GeV]
114
300
150
1
∆α
1000
175
mt [GeV]
0
200
Excluded
30
Preliminary
100
mH [GeV]
→ Indirekte Vorhersage der Higgs-Boson-Masse:
mH =87+36
−27 GeV and mH < 160 GeV at 95% C.L.
300
Die Suche nach dem Higgs-Boson
Verzweigungsverhältnisse
1
WW
bb
ZZ
—1
BR(H)
10
τ+τ—
cc
gg
tt
—2
10
γγ Z γ
—3
10
50
100
200
M H [GeV]
500
1000
Problem: Produktion eines Higgs-Bosons 1000mal seltener als Top-Quarks
→ alle mögliche Zerfalls- und Produktionskanäle werden untersucht
Zerfälle: H→ bb̄, H→ τ +τ −, H→ γγ, H→W+W−, H→ZZ
Produktionskanäle: pp̄ →H, pp̄ →WH, pp̄ →ZH, pp̄ →qqH
Die Suche nach dem Higgs-Boson
Isolation des Higgs-Signals:
–
Rekonstruktion der invarianten Masse
–
Multivariate Methoden (neuronale Netze, Decision Trees etc.)
gg→H Produktion, H→W+W−
∫
L dt = 1.9 fb
data
WW
WZ
ZZ
tt
Wγ
W+jets
DY
CDF Run II Preliminary
W + 2 jets / 2 b-tags
Data
W + jets
QCD
tt
Wbb
other
WH
102
115 GeV (x10)
10
10 × mH (160)
140
120
100
Events / 0.04
L = 1.7 fb-1
DØ Preliminary
103
Events / 0.04
Events
WH Produktion, H→ bb̄
80
-1
12
10
8
6
60
4
2
40
0
0.4
1
0.5
50
100
150
200
250
300
Dijet Mass (GeV)
Sensitivität nur durch Kombination aller Kanäle
0.7
0.8
0.9
1
LR (H→WW, high S/B)
20
0
0.6
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
LR (H→WW, high S/B)
Kombinierte Auswertung CDF und DØ
Hervorragende Übungsaufgabe zur Statistik für Fortgeschrittene
–
28 verschiedene Kanäle werden kombiniert
–
Hypothesentests mit Verteilungen der multivariaten Diskriminanten
L dt = 1.9 fb
tt
Wγ
W+jets
DY
Events
-1
-1
103
L = 1.7 fb-1
DØ Preliminary
W + 2 jets / 2 b-tags
Data
W + jets
QCD
tt
Wbb
other
WH
102
100
80
12
10
115 GeV (x10)
8
35
Data
W+HF
Mistag
t t (6.7pb),Single top
Diboson
NonW
Higgs (120 GeV) × 10
Background error
30
25
20
5
10
6
60
CDF Run II Preliminary (1.7 fb )
Number of events
120
Events / 0.04
Events / 0.04
10 × mH (160)
4
15
4
3
2
2
40
0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1
LR (H→WW, high S/B)
20
0
10
1
0.5
0.55
0.6
0.65
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
LR (H→WW, high S/B)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
NN output - 2 tags
0
0
CDF II Preliminary Ldt = 0.97 - 1.02 fb
-1
Data - Double Tag
4
Standard Model Backgrounds
2
ZH → llbb X 10 (MH = 120 GeV/c )
3.5
3
2.5
2
1
0.7
0.5
5
0
∫
5
4.5
1.5
10-1
1
10
Data
QCD
Z+jets
Z+bb(cc)
tt
WZ
ZZ
ZH 115
DØ Preliminary
Number of Events
∫
data
WW
WZ
ZZ
CDF Run II Preliminary
140
Number of Events / 0.05
→ 28 NN/LR/Massen-Verteilungen
-2
10-0.4
-0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.8
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
NNopHiggs120
1
1.2 1.4 1.6 1.8
Neural Network output
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
NN Projected Slice (Z+jets vs ZH)
> 50 verschiedene Quellen für systematische Fehler werden berücksichtigt
–
inkl. Korrelationen von Bin-zu-Bin und Kanal-zu-Kanal
→ >50 300x300 Kovarianzmatrizen...
Systematische Unsicherheiten müssen durch Fits an Daten eingeschränkt werden
→ sehr komplizierte Prozedur...
–
verschiedene Methoden (Bayesian, mod. frequentist) und 4 unabhängige Programme zur gegenseitigen Überprüfung
→ Ergebnisse stimmen überein
95% CL Limit/SM
Ergebnis (Winterkonferenzen 2008)
10 2
Tevatron Run II Preliminary, L=1.0-2.4 fb-1
LEP Limit
10
1
Tevatron Expected
Tevatron Observed
±1σ
CDF Exp
±2σ
D∅ Exp
SM
March 10, 2008
110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
2
mH(GeV/c )
–
Noch kein Hinweis auf das Higgs-Boson
–
Massenbereich um 160 GeV beinahe ausgeschlossen
–
Bis 2010 dreifache Datenmenge: es wird interessant!
Projektion
–
Noch kein Hinweis auf das Higgs-Boson
–
Massenbereich um 160 GeV beinahe ausgeschlossen
–
Bis 2010 dreifache Datenmenge: es wird interessant!
Zusammenfassung
Trotz enormen Erkenntnisgewinns in 16 Jahren Tevatronbetrieb, viele ungeklärte Fragen:
–
Warum gibt es zusätzliche Kopien der Elementarteilchen, und wieviele gibt es?
Tevatron: Entdeckung des vermutlich letzten Bausteins, Top-Quark
Warum drei Kopien? unklar
–
Was bestimmt die Massen der Elementarteilchen?
Antwort: die Kopplungen an das Higgs-Boson (Tevatron: bisher kein Higgs-Boson)
Neue Frage: Was bestimmt die Kopplungen an das Higgs-Boson? unklar
–
Warum existieren wir, und warum zerfallen wir nicht?
Tevatron: keine neuen Quellen von CP-Verletzung → unklar
–
Was ist dunkle Materie und dunkle Energie?
Dunkle Materie: Supersymmetrie? Kein Hinweis in Tevatron-Daten → unklar
Dunkle Energie: unklar
–
Gibt es eine “Theory Of Everything”?
unklar (einziger Kandidat: String-Theorie)
Eine gute Grundlage für 16 Jahre Teilchenphysik am LHC!