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
2
Messung der Masse des Top-Quarks
(2) statistische Unsicherheit:
Top-Quarks zerfallen, mittlere Lebensdauer <t> = 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
3
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
4
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
5
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
6
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
7
Messung der Masse des Top-Quarks
Messung der Masse des Top-Quarks: eher so...
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
8
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 =
11. 10. 2006
ΣEi ,
i
Einheit: GeV/c2
ptop = Σpi
i
Messung der Masse des Top-Quarks
9
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
10
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
Messung der Masse des Top-Quarks
11
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
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
12
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
13
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
Messung der Masse des Top-Quarks
14
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 <= 209 GeV
Paarproduktion:
Mindestenergie 350 GeV
einzelne Produktion: Reaktionsrate zu klein
=> e+e- -Linearbeschleuniger! (vgl. Vortrag von Ariane Frey)
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
15
Produktion von Top-Quarks
Der Tevatron-Collider: (“derzeit weltweit einzige Top-Produktionsstätte”)
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
16
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
Messung der Masse des Top-Quarks
17
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
Messung der Masse des Top-Quarks
18
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)
Messung der Masse des Top-Quarks
19
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
20
Zerfall von Top-Quarks
Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses:
Top-Quarks zerfallen: t -> bW+
in Zerfallszeit: <t> = 4.4·10-25s (“vor der Bildung von Hadronen”)
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
21
Zerfall von Top-Quarks
Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses:
Top-Quarks zerfallen: t -> bW+
in Zerfallszeit: <t> = 4.4·10-25s (“vor der Bildung von Hadronen”)
W-Bosonen zerfallen:
W -> e  ~ 10% (vgl. -Zerfall)
W ->  ~ 10%
W ->  ~ 10%
W -> qq' ~ 70%
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
22
Zerfall von Top-Quarks
Topologie eines Top-Antitop-Ereignisses:
Top-Quarks zerfallen: t -> bW+
in Zerfallszeit: <t> = 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”
Messung der Masse des Top-Quarks
23
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)
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
24
Die Zerfallsprodukte
Messung der Zerfallsprodukte im Detektor:
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
25
Die Zerfallsprodukte
Messung der Zerfallsprodukte im Detektor:
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
26
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
Messung der Masse des Top-Quarks
27
Spurdetektor
Spurdetektor in homogenem Magnetfeld (parallel zur
Strahlachse)
=> Messung des Transversalimpulses pt über den
Krümmungsradius ρ
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
28
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
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
29
Myon-Detektor
Spurdetektor außerhalb des Kalorimeters
Konzept: nur Myonen hinterlassen hier noch Spuren
DØ-Myondetektor
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
30
Gesamtansicht
DØ-Installation
CDF-Installation
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
31
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
32
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)
Messung der Masse des Top-Quarks
33
Selektion der Ereignisse
tt-Produktion und Zerfall
Ereignis im Detektor:
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
34
Selektion der Ereignisse
tt-Produktion und Zerfall
Ereignis im Detektor:
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
35
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
36
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
37
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
38
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 << Ei
=> |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
Messung der Masse des Top-Quarks
39
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!
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
40
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
41
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
42
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
43
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
44
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
Messung der Masse des Top-Quarks
±1.2 GeV/c2
(repräsentative Werte
für eine Einzelmessung)
Detektor-Kalibration
45
Systematische Unsicherheiten
Unsicherheiten aufgrund von Farbladungen
Farbladungen sind immer erhalten, also:
11. 10. 2006
Messung der Masse des Top-Quarks
46
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
47
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
48
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
49
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
50
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
51
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”