KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association
INSTITUTE OF EXPERIMENTAL PARTICLE PHYSICS (IETP) – PHYSICS FACULTY
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Moderne Experimentalphysik III:
Hadronen und Teilchen (Physik VI)
Thomas Müller, Roger Wolf 26. Juni 2018
Institute of Experimental Particle Physics (IETP) 2
Das Top Quark
1/31
Entdeckung
???
Entdeckung 1974
Entdeckung Entdeckung 1977
1964
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Das Top Quark
1/31
Entdeckung 1995
Entdeckung 1974
Entdeckung Entdeckung 1977
1964
Wie kommt es, dass diese Entdeckung so spät erfolgt?
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Das Top Quark im SM
2/31
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Das Top Quark im SM
2/31
● Mit Abstand größte Masse:
Fermion Generationen
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Das Top Quark im SM
3/31
● Mit Abstand größte Masse:
● Kürzeste Lebensdauer:
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Das Top Quark im SM
3/31
● Mit Abstand größte Masse:
● Kürzeste Lebensdauer:
Fermis Goldene Regel:
Phasenraumintegral führt auf Abhängigkeit von der frei werdenden Energie im Endzustand (Sargent-Regel).
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Das Top Quark im SM
4/31
● Mit Abstand größte Masse:
● Kürzeste Lebensdauer:
● Zerfällt schneller, als es Hadronen ausbilden kann ( )!
Im SM gibt es keine freien Quarks.
Die kurze Lebensdauer des Top erlaubt es aber ein quasifreies Quark zu studieren.
Konkrete Konsequenzen im weiteren Verlauf dieser Vorlesung (Folien 18, 22, 24, 25, 28)
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Erzeugung von Top Quarks
5/31
● Noch nie an einem Lepton-Collider beobachtet:
Klarste Messung für steht (noch) aus (siehe Folie 25)
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Erzeugung von Top Quarks
6/31
● An Hadron-Collidern (v.a. durch starke WW in Form von -Paaren):
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Erzeugung von Top Quarks
7/31
● Tevatron -Beschleuniger (1995):
90% 10%
● An Hadron-Collidern (v.a. durch starke WW in Form von -Paaren):
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Erzeugung von Top Quarks
7/31
● LHC -Beschleuniger (2010):
10% 90%
● An Hadron-Collidern (v.a. durch starke WW in Form von -Paaren):
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Erzeugung von Top Quarks
8/31
● LHC -Beschleuniger (2010):
10% 90%
Welchen mittleren Impulsbruchteil benötigen die Partonen im Proton, am LHC und am Tevatron, um ein -Paar erzeugen zu können?
Vergeiche VL-03
● An Hadron-Collidern (v.a. durch starke WW in Form von -Paaren):
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Erzeugung von Top Quarks
8/31
● LHC -Beschleuniger (2010):
10% 90%
Welchen mittleren Impulsbruchteil benötigen die Partonen im Proton, am LHC und am Tevatron, um ein -Paar erzeugen zu können?
Vergeiche VL-03
● An Hadron-Collidern (v.a. durch starke WW in Form von -Paaren):
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Erzeugung von Top Quarks
8/31
● LHC -Beschleuniger (2010):
10% 90%
Welchen mittleren Impulsbruchteil benötigen die Partonen im Proton, am LHC und am Tevatron, um ein -Paar erzeugen zu können?
● An Hadron-Collidern (v.a. durch starke WW in Form von -Paaren):
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Erzeugung von Top Quarks
9/31
Man bezeichnet den LHC als Top- Fabrik. Berechnen Sie die Produk- tionsrate von -Paaren am LHC:
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Erzeugung von Top Quarks
9/31
Man bezeichnet den LHC als Top- Fabrik. Berechnen Sie die Produk- tionsrate von -Paaren am LHC:
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Zerfall von Top Quark Paaren
10/31
● Zerfall über schwache WW (siehe Folie 3)
● Klassifikation nach Zerfall der W-Bosonen (z.B. )
● Elektronen und Myonen einfach im Detektor nachweisbar (siehe VL-05, 06, 07)
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Signatur im Detektor
11/31
● Zerfall über schwache WW (siehe Folie 3)
● Elektronen und Myonen einfach im Detektor nachweisbar (siehe VL-05, 06, 07)
● Klassifikation nach Zerfall der W-Bosonen (z.B. )
Fehlende Transversal- energie
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Signatur im Detektor
12/31
● Zerfall über schwache WW (siehe Folie 3)
● Elektronen und Myonen einfach im Detektor nachweisbar (siehe VL-05, 06, 07)
Identifikation b Quark induzierter Teilchenjets:
Fehlende Transversal- energie
● Klassifikation nach Zerfall der W-Bosonen (z.B. )
● Große b Quarkmasse, relativ zu u, d,s(,c).
● Lebensdauer der ausgebildeten B-Had- ronen
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Top Quark Paare im CMS Detektor
13/31
Auswahl:
● Isoliertes Elektron/Myon
● Fehlende Transversalenergie
● 1 b Quark induzierter Teilchenjet(1)
(1) oberhalb einer gewissen Schwelle der transversalen Enerige.
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Top Quark Paare im CMS Detektor
13/31
Auswahl:
● Isoliertes Elektron/Myon
● Fehlende Transversalenergie
● 1 b Quark induzierter Teilchenjet(1)
Auswahl:
● Isoliertes Elektron/Myon
● Fehlende Transversalenergie
● 2 b Quark induzierte Teilchenjets(1)
● 4 Teilchenjets insgesamt(1)
(1) oberhalb einer gewissen Schwelle der transversalen Enerige.
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14/31
Produktion von Top Quarks
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Differentielle Wirkungsquerschnitte
15/31
● Sensitiv auf Matrixelement ● Sensitiv auf Impulsverteilung der Partonen im Proton
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Ladungsasymmetrie
16/31
● Messe Asymmetrie zwischen und in dileptonischen -Zerfällen
● Keine Asymmetrie in führender Ordnung, geringer Effekt in höherer Ordnung
Inklusiv: Differentiell in :
● Messung erlaubt Rückschlüsse auf Physik jenseits des SM
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Ladungsasymmetrie
17/31
Vorwärts-Rückwärtsasym- metrie (Tevatron):
Erlaubt Auschluß verschiedner Modelle
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Spin-Korrelationen (Produktion)
18/31
● Beiträge verschiedener Spin-Amplituden für -Annihilation und -Fusion:
● Erlaubt Test der QCD (über Produktionsmecha- nismus) + der Spin Struktur des Top Quarks
● Limits auf Beiträge supersymmetrischer Topsquark Partner
● Limits auf chromo-magnetische und -elektrische Dipolmomente
● Bestimmung aus Template-Fit (für jede Amplitude)
Dominiert an Produktionsschwelle Dominiert oberhalb
Produktionsschwelle
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19/31
Zerfall des Top Quarks
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Bestimmung von
20/31
Suche Top Quarks, die nicht in b Quarks zerfallen
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Suche nach FCNC
21/31
Suche Top Quarks, die nicht in b Quarks zerfallen
Explizite Zerfallskanäle
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W-Helizität (Zerfall)
22/31
● Der -Vertex bestimmt die Helizitätszustände des W-Bosons:
@ NNLO QCD precision
Bestimmung aus Template-Fit Transversal
polarisiert
Linkshändig polarisiert
Rechtshändig polarisiert
Messung aus Winkelverteilungen
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23/31
Produktion von Paaren in Assoziation mit
Eichbosonen
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24/31
● Test der schwachen Kopplungsstruktur des Top Quarks:
Dritte Komponente der
SU(2)L (siehe VL-17 Folie 7)
NB: das sind nicht die einzigen beitregenden Diagramme
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25/31
● Test der elektrischen Ladung des Top Quarks:
● Messung von in eingechränktem Phasenraum:
● Messung kompatibel mit (siehe Folie 5)
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26/31
Masse des Top Quarks
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Masse des Top Quarks
27/31
● Standardmethoden:
● Matrixelement Methode: Verwende in LO Matrixelement als freien Fitparameter und Transferfunktionen (aus Simulation) für Detektorauflösung.
● Ideogramm Methode: Interpoliere zwi- schen Templates für mit korrelierte Variablen aus Simulation.
● Alternative Methoden:
Erfordert Entfaltung von Detektoreffekten
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Masse des Top Quarks
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● Welche Masse wird tatsächlich gemessen?
● Bestimmung aus Endzustand
modellbehaftet (Hadronisationsmodelle)
● Modellunabhängige Bestimmung der Pol- masse aus Wirkungsquerschnitt (hängt über Propagatorterme von Polmasse ab)
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● Kürzlich: Entdeckung der Top Quark assoziierten Higgsboson-Produktion:
29/31
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Das Top Quark im Higgs Sektor
● Yukawa-Kopplung im SM:
30/31
(Top Quark Masse)
(Vakuumerwartungswert)
● D.h. Kopplung an das Higgs Boson im SM von der Ordnung 1
● Konstellation aus Top Quark, W Boson und Higgs Boson Masse nahe an Grenze zur Metastabilität des Universums
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Gliederung der Vorlesung
31/31
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