Die Entdeckung des Top
Quarks
Zentrale Fragen:
• Warum suchte man das Top - Quark?
• Wie suchte man das Top - Quark?
• Wie geht es mit dem Top – Quark weiter?
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
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]
Direkte (erfolglose) Suchen nach dem Top - Quark
Beschleuniger Betrieben ab Maximale
Schwerpunkts- energie [GeV]
PETRA 1979 23 – 23
SppS 1981 310 – 310
TRISTAN 1986 30 – 30
LEP 1989 50 – 50
SLC 1989 50 - 50
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]
Topproduktion am Tevatron
Quark-Antiquark-Annhilation Gluon-Gluon-Fusion
[4] [4]
Es gibt 2 Kollaborationen am Tevatron
Die CDF Kollaboration Die D0 Kollaboration
[4]
[1]
Der CDF Detektor
Technische Details:
12m x 12m x 12m 5.000t
Magnet mit 1,4 Tesla
Mehrere Detektionssysteme mit verschiedenen Aufgaben
[1]
Das Detektionssystem
Der Silizium Vertex Detektor
Kontakte 20µm dicke
Siliziumstreifen
[1]
Die Driftkammer
Oben und unten je ein Detektor in der Mitte eine gasgefüllte Drahtkammer
Signal Prinzip:
Geladene Teilchen ionisieren Gas Elektronen driften mit konstanter Geschwindigkeit zu Anodendrähten Genaue Spurrekonstruktion durch Messung der Driftzeit
Das elektromagnetische Kalorimeter
Photomultiplier Lichtleiter
Szinitilationsmaterial
Zur Detektion von Elektronen, Positronen und Photonen ab 100 MeV
Durch Bremsstrahlung und Paarerzeugung wird Kaskade von Teilchen erzeugt
Das hadronische Kalorimeter
Szintillationsmaterial
Absorbermaterial
Durch Kernreaktionen entstehen hadronische Schauer
Mit nur geringer
Energiedeposition im Szintillationsmaterial
darum ist die Genauigkeit geringer als im em.
Kalorimeter
Photomultiplier Lichtleiter
Die Myon-Driftkammern
Zur Detektion von Myonen werden Driftkammern
verwendet.
Nur Myonen gelangen in die äußeren Driftkammern
[1] [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
CKM-Matrix
[4]
[5]
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
Der Dileptonische Zerfallskanal
• 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.
Auswahlkriterien für Ereignisse:
[4]
Pseudorapidität | η |
Der Dileptonische Zerfallskanal
• 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.
Auswahlkriterien für Ereignisse:
[4]
Der Dileptonische Zerfallskanal
Haupthintergrund nach Wichtigkeit:
Berechnen des Hintergrunds mittels QCD und Simulieren der Ereignisse mit Monte Carlo
Der Dileptonische Zerfallskanal
Zusammenfassung:
• Nur wenig Ereignisse
• Aber vergleichsweise geringer Hintergrund
Ereignisse CDF 1995:
[1]
Der Semileptonische Zerfallskanal
• 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 Auswahlkriterien für Ereignisse:
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]
SVX-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%
Secondary-Vertex-Tagging
SLT-Tagging
Soft-Leptonic-Tagging Nachweis der Bottom-Quarks
erfolgt indirekt über den Nachweis von sekundären Leptonen aus B-Zerfällen
Diese Leptonen haben kleinen Impuls (= soft)
Problem: „softe“ Leptonen aus anderen Prozessen
Beispiele für soft-leptonische Zerfälle
Der Semileptonische Zerfallskanal
Zusammenfassung:
• Deutlich höhere Ereignisrate als Dileptonischer Zerfall
• Wesentlicher größer Hintergrund als Dileptonischer Zerfallskanal
Ereignisse CDF 1995:
Identifikation des Top-Quark
Das Top verglichen mit Hintergrund (CDF 2008)
[1]
Identifikation des Top-Quark
Erwartete Ereignisse: Hintergrund vs. Top-Produktion (CDF 2008)
All-Jet Zerfallskanal
• 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
Auswahlkriterien für Ereignisse:
[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
Rekonstruktion der Top-Quark Masse aus semileptonischem Zerfall
Man verwendet Hypothesentests zur Massenrekonstruktion
Man weist den gemessenen Jets Partonen zu
Kleinstes Top-Masse (eines Events)
Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
[1]
CDF 1995
Phys. Rev. Letter 74, 2626
Rekonstruktion der Top-Quark Masse
Die ersten Ergebnisse sind noch mit großen Fehlern behaftet.
Mit steigender Statistik werden die Fehler kleiner.
[1]
[1]
Ausblick
Vorhersage zur Higgs - Masse Prozesse zur Higgs - Erzeugung
Einzeltop - Erzeugung
Starke Top-Erzeugung am LHC Top-Kenntnisse lassen sich zur
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
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
