Teilchenphysik mit h ¨ochstenergetischen Beschleunigern (Tevatron und LHC)

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Teilchenphysik mit h ¨ ochstenergetischen Beschleunigern (Tevatron und LHC)

V11: Top-Quark Physik

8. Januar 2008

Richard Nisius (MPP M ¨ unchen) nisius@mppmu.mpg.de

TU M ¨unchen, WS 07/08, S. Bethke und R. Nisius

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Vorlesungsthemen

1. Einf ¨uhrung: Stand der Teilchenphysik 16.10.07 2. Teilchenphysik: offene Fragen und Projekte 23.10.07 3. Hadronenbeschleuniger: Tevatron und LHC 30.10.07 4. Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (I) 06.11.07 5. Teilchendetektoren an Tevatron und LHC (II) 13.11.07 6. Trigger, Datennahme und Computing 20.11.07 7. Ereignisgeneratoren und Detektor Simulation 27.11.07

8. CP-Verletzung 04.12.07

9. QCD, Jets, Strukturfunktionen 11.12.07

10. Standard Modell Tests 18.12.07

. . .

11. Top-Quark Physik 08.01.08

12. Suche nach dem Higgs-Boson 15.01.08

13. Supersymmetrie 22.01.08

14. Ausblick & Zukunftsprojekte 29.01.08 15. Andere Erweiterungen des Standard Modells 05.02.08

(3)

Ubersicht¨ Einf ¨uhrung WQS Lebensdauer Verzweigungsverh ¨altnis Masse Zukunft Zusammenfassung

Das Top-Quark im Standardmodell

Bekannte Generationen

−Nach der Entdeckung des Bottom (1977) war im SM klar, dass es das Top geben muss.

Situation vor der Entdeckung

e

e Z

q q e

e Z

t q

q

−Da die Beschleunigerenergien zur direkten Produktion nicht ausreichten, kam die einzige Information,Mt = (172.6^+13.2_−10.2) GeV, aus der Gr ¨oße der virtuellen Korrekturen zum Z⁰.

Einschr ¨ankung des Higgs

80.3 80.4 80.5

150 175 200

mH [GeV]

114 300 1000 m_t [GeV]

mW [GeV] ^{68% CL}

∆α LEP1 and SLD LEP2 and Tevatron (prel.)

−Mit dem pr ¨azisen Wert von heute,Mt= (170.9±1.8) GeV, liefert das Top-Quark im SM eine starke Einschr ¨ankung auf den erlaubten Massenbereich des Higgs-Bosons.

Wegen seiner großen Masse spielt das Top-Quark eine zentrale Rolle im Standardmodell.

S. Bethke, R. Nisius WS 07/08 V11 8. Januar 2008 Richard Nisius 3

(4)

Eigenschaften des Top-Quarks

−Die Zerfallsbreite:Γ = ^G^F

8π√ 2m_t³·

„ 1− ^M^W²

m²_t

«2

·

„ 1+2^M^W²

m²_t

«

=1.55GeV.

−Die Lebensdauer:τ= ^~_Γ = ^6.58·10⁻¹⁶

1.55·10⁹ s=4.2·10⁻²⁵s ist wesentlich kleiner als die Zeit zur Hadronformation t≈ ^~_Λ ≈6·10⁻²⁴. Das Top-Quark zerf ¨allt also als freies Teilchen.

−Am Tevatron erfolgt die t¯t Produktion zu etwa 85%im Kanalq¯q→Z/γ→t¯t.

−Da Vtb≈1 werden die Top-Zerf ¨allet¯t→W⁺W⁻b¯bdurch die W Zerf ¨alle klassifiziert.

Es gilt: W⁺→(e⁺νe),(µ⁺νµ),(τ⁺ντ), Nc·(ud),¯ Nc·(c¯s).

−Das sind 9 Kan äle, also 81 M öglichkeiten f ür den ZerfallW⁺W⁻→f¯f. Man benutzt q¯qq¯q =6×6=36,q¯q`ν`=6×4=24 und

`ν``ν`=2×2=4 mit`=e, µ, daτZerf ¨alle inp¯pReaktionen schlecht zu messen sind.

−Die Bestimmung der Top-Masse ist wichtig, da eine Genauigkeit in der Top-Masse von 1GeV etwa die selbe Einschr ¨ankung der Higgs-Masse liefert wie eine Messung der W-Masse auf 7MeV.

Die Messung von Leptonen, Jets und fehlender Transversalenergie ist wichtig.

(5)

Die verschiedenen Ereignisklassen

Di-lepton Kan ¨ale

−t¯t→

t

b W

eµ

νe

νµ t

b W

eµ

νe

νµ

−Elektronen und Myonen sind leicht zu identifiziern, aber kleine Rate. Die Analy- sen verlangen isolierte Leptonen + E_T^miss. Der Hauptuntergrund ist W + N-Jets.

Lepton + Jets (semileptonische) Kan ¨ale

−t¯t→

t

b W

eµ

νe

νµ t

b W

q q

−Klares Signal mit wenig Untergrund. Die Analysen verlangen isoliertes Lepton + Jets (pt>15−20GeV) + E_T^miss. Der Hauptuntergrund ist W + N-Jets.

Hadronische Kan ¨ale

−t¯t→

t

b W

q

q t

b W

q q

−Gr ¨oßte Zerfallsrate, aber riesiger Untergrund von QCD N-Jetproduktion, deswegen gr ¨oßere Unsicherheiten als Lepton + Jets Kanal.

Kan ¨ale mitτ-Leptonen

−t¯t→

t

b W

τ ντ t

b W

f f

−τ- Zerf ¨alle sind schwer zu identifizieren, deswegen ist dieser Kanal nie Signal, sondern Untergrund in allen Analysen.

Alle Zerfallskan ¨ale werden im Detail untersucht.

(6)

Die Signatur im Di-leptonischen Kanal

Die Prinzipskizze

Der Gang der Dinge:

1) p¯p→t¯t

2) t→W⁺b

¯t→W⁻¯b 3) W⁺→µ⁺ν¯µ

W⁻→e⁻νe

Der Energiefluß

Die Rekonstruktion

Die Entdeckung

−Tevatron p¯p bei

√s≈1800GeV

−Experimente CDF und D0

Das Top-Quark wurde 1995 am Fermilab entdeckt.

(7)

Erste Hinweise of das Top

Ein Ereignis aus dem Jahr 1992

Die Selektionskriterien

−Messung eines isolierten Leptons zur Ereigniskennzeichnung.

−Indiz auf Neutrino durch fehlende Transversalenergie.

−4-Jet Ereignisse f ¨urb¯bund W→qq⁰.

−b-Quark Hinweise aus sekund ¨aren Zerfallspunkten.

−W-Boson aus der Resonanzstruktur in der 2-Jet invarianten Masse.

−Top-Masse aus der Resonanzstruktur in der 3-Jet invarianten Masse.

−Hauptuntergrund is W + N-Jets mit nicht resonanter Massenverteilung.

−Effizienz≈7%und S/N≈2.4.

Eine recht klare Signatur mit beherrschbarem Untergrund.

(8)

Top-Quark Paar Wirkungsquerschnitt am Tevatron und LHC

H ¨aufigkeit der Produktionskan ¨ale

f_q/p

f_q/p fq/p

σˆ^q¯^q→t¯^t

q¯q→t¯t:Tevatron: 85%, LHC 5%.

fg/p

σˆ^gg→^t¯^t

gg→t¯t:Tevatron: 15%, LHC 95%.

Der Wirkungsquerschnitt am LHC

− Lint=5(500)/fb undσ(t¯t) =8(800)pb ergeben 40k (400M) Ereignisse bei Tevatron (LHC).

Die Ereignisrate der Top-Quark Paarproduktion ist sehr hoch.

(9)

Wirkungsquerschnitt im semileptonischen Kanal

Die selektierten Ereignisse ⁶

(GeV) HT

0 100 200 300 400 500 600

Events / 25 (GeV)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

(GeV) HT

0 100 200 300 400 500 600

Events / 25 (GeV)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Data (8.4 pb) t t Non-W QCD Diboson + Single Top W+Heavy Flavor Mistag

-1) CDF Run II Preliminary (695 pb

FIG. 2:HTof candidates before the requirement thatHT>200 GeV.

(cm) τ Vertex c

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Number of jets

0 20 40 60 80 100 120 140 160

(cm) τ Vertex c

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

Number of jets

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Data (8.2 pb) t t Non-W QCD Diboson + Single Top W+Heavy Flavor Mistag

-1) CDF Run II Preliminary (695 pb

FIG. 3: Distribution of thecτmeasurement for vertex-tagged jets in the candidate events.

≥3-Jets

−Signal: E_T^`>20GeV, E_T^miss>20GeV, E_T^jet>15GeV. Hauptuntergrund: W + N-Jets.

−Gute Unterscheidung durch HT=PE_T>8,|η|<2.4

Jets ET+E_T^`+E_T^miss. Mindestens 1 b-Jet

5 Jet multiplicity 2 jets 3 jets ≥4 jets

Mistags 2.9±0.51.7±0.41.0±0.5 Wbb 14.8±4.0 4.7±1.21.4±0.4 Wcc 2.3±0.80.4±0.10.2±0.1 Single Top 2.4±0.50.1±0.00.0±0.0 Diboson 0.9±0.20.2±0.10.1±0.0 Non-W QCD 1.0±0.20.6±0.10.2±0.1 Total Pred 24.3±4.8 7.7±1.42.9±0.7 Corrected Total 24.2±4.8 7.2±1.31.9±0.5 Top(6.7±0.8 pb) 7.3±1.6 20.4±4.5 31.9±7.1

Observed 29 33 46

TABLE V: Prediction for the number of double-tagged events (SecVtx-SecVtx). Corrected total comes from thet¯tcross section measurement where the pretag sample is corrected for thett¯contribution. The expected number oft¯tevents is calculated using the theoretical cross section of 6.7 pb.

double-tagging eﬃciency fort¯tevents is given in Table II, and the predicted background contributions to the sample are summarized in Table V. We measure a cross section of 8.8^+1.2−1.1(stat.)^+2.0−1.3(syst.) pb in the double-tagged sample..

Figure 1 shows the number of jets in taggedW+jet events together with a histogram representing the components of the background. Figure 2 shows theHTdistribution for all candidates, before the requirement ofHT>200 has been applied. Figure 3 shows the distribution of thecτmeasurement for vertex-tagged jets in the candidate events.

Figure 4 shows the number of jets in double-taggedW+jets events.

Jet Multiplicity W+1 jet W+2 jet W+3 jet W+≥ 4 jet 0

200 400 600 800 1000 1200

Jet Multiplicity W+1 jet W+2 jet W+3 jet W+≥ 4 jet 0

200 400 600 800 1000

1200 Data

(8.2pb) t t Non-W QCD Diboson Single Top Wc Wcc Wbb Mistag

-1) CDF RUN II Preliminary(695pb

Number of Events

FIG. 1: Observed tagged events as a function of jet multiplicity, after requiringHT>200 GeV for events with at least 3 jets.

The colored histogram represents the background contributions to each bin. (The pretag sample has been corrected fort¯t contribution.)

H_T>200GeV

Ereignisse mit 2 b-Jets

7

FIG. 4: Observed double-tagged events as a function of jet multiplicity. The colored histogram represents the background contributions to each bin.

Acknowledgments

We thank the Fermilab staﬀ and the technical staﬀs of the participating institutions for their vital contributions.

This work was supported by the U.S. Department of Energy and National Science Foundation; the Italian Istituto Nazionale di Fisica Nucleare; the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology of Japan; the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada; the National Science Council of the Republic of China; the Swiss National Science Foundation; the A.P. Sloan Foundation; the Bundesministerium fuer Bildung und Forschung, Germany; the Korean Science and Engineering Foundation and the Korean Research Foundation; the Particle Physics and Astronomy Research Council and the Royal Society, UK; the Russian Foundation for Basic Research; the Comision Interministerial de Ciencia y Tecnologia, Spain; and in part by the European Community’s Human Potential Programme under contract HPRN-CT-20002, Probe for New Physics.

[1] M. Cacciari, et al., JHEP404, 68 (2004).

[2] F. Abe, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A271, 387 (1988); D. Amidei, et al., Nucl. Instum. Methods Phys. Res.

A350, 73 (1994); F. Abe, et al., Phys. Rev. D52, 4784 (1995); P. Azzi, et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A360, 137 (1995); The CDFII Detector Technical Design Report, Fermilab-Pub-96/390-E

[3] CDF Collaboration, Public Note 7801.

[4] D. Acosta et al. (CDF Collaboration), Phys. Rev.D71, 052003 (2005).

N= 108

−b-Jet Identifizierung durch sekund ¨are Zerfallspunkte mit L>7.5σL.

−Gefordert wird entweder HT>200GeVund ein identifizierter b-Jet, oder zwei b-Jets.

−Resultat:σ_t¯_t=8.2±0.6(stat)±1.0(sys) pb.

Dies ist mit etwa 14%Genauigkeit die zur Zeit pr ¨aziseste Messung.

(10)

Zusammenfassung aller Messungen des Wirkungsquerschnitts

Resultate von D0

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 DØ Run II Preliminary

σ(pp→tt) [pb]

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 dilepton (topological)

l+jets (topological) dilepton/l+jets combined dilepton (topological) ltrack/emu combined NEW l+jets (b-tagged) all-jets (b-tagged)

Cacciari et al. JHEP 0404:068(2004), m_top = 175 GeV 230 pb^–1

8.6^+3.2–2.7 +1.1 –1.1pb

230 pb^–1

6.7^+1.4–1.3 +1.6 –1.1pb

230 pb^–1

7.1^+1.2–1.2 +1.4 –1.1pb

370 pb^–1

8.6^+2.3–2.0 +1.2 –1.0pb

370 pb^–1

8.6^+1.9–1.7 +1.1 –1.1pb

370 pb^–1

8.1^+1.3–1.2pb

350 pb^–1

5.2^+2.6–2.5 +1.5 –1.0pb

all-jets (b-tagged) NEW

360 pb^–1 12.1^+4.9–4.9

+4.6 –4.6pb

Resultate von CDF

) (pb) t

→ t p σ(p

0 2 4 6 8 10 12 14

0 8

Cacciari et al. JHEP 0404:068 (2004) Kidonakis,Vogt PRD 68 114014 (2003)

=175 GeV/c2 Assume mt CDF Preliminary*

Combined

*

±0.4

±0.6

±0.5

) 7.3

(L= 760 pb-1 (stat) ± (syst) ± (lumi) All-hadronic: Vertex Tag

* 2.2±0.5

±3.3

±1.7

) 8.0

(L= 311 pb-1 MET+Jets: Vertex Tag

*

±0.4

0.9

±1.4

±1.2

) 6.1

(L= 311 pb-1

Lepton+Jets: Soft Muon Tag 1.0±0.3

±1.3

±3.3

) 5.3

(L= 193 pb-1 Lepton+Jets: Vertex Tag

*(L= 695 pb-1₎ 8.2±0.6±0.9±0.5

Lepton+Jets: Kinematic ANN

*(L= 760 pb-1₎ 6.0±0.6±0.9±0.3

Dilepton

*(L= 750 pb-1₎ 8.3±1.5±1.0±0.5

−Laufende Verbesserung der Messungen unter Einschluss von immer mehr Daten.

−Konsistente Messungen mit verschiedenen Methoden in allen Zerffallskan ¨alen.

−Die pr ¨azisesten Resultate erzielt man im semileptonischen Kanal.

Der Paarwirkungsquerschnitt am Tevatron ist auf etwa 10%genau bestimmt.

(11)

Bestimmung der Lebensdauer

µm)

0 ( Track d

-400 -200 0 200 400

arbitrary units

10^-3 10^-2 10^-1

Electron BG Template

Tau Conv.

QCD Prompt

CDF Run 2 Preliminary

Elektron Untergrund

µm)

0 ( d

-200 -100 0 100 200

mµEvents/5

0 2 4 6 8 10 12 14 16

µm 1.9

± data: RMS=33.4 µm) best fit (RMS=41.3 CDF Run 2 Preliminary

318 pb-1 Impact parameter of lepton

Die Datenverteilung

−Falls das Top-Quark eine l ¨angere Lebensdauer hat, oder langlebige Teilchen in Top-Quarks zerfallen, starten die Leptonen aus dem W-Zerfall nicht vomp¯pWechselwirkungspunkt.

−Die G ¨ute der Lebensdauermesung wird durch die Impaktparameteraufl ¨osungσd₀bestimmt.

−Signal: Semileptonische (97 e, 68µ) Ereignisse mit identifizierten b-Jets f ¨urLint= 318/pb.

µm)

top ( τ c

0 10 20 30 40 50

(-ln(likelihood))∆

0 2 4 6 8 10

12 CDF Run 2 Preliminary

318 pb-1

Likelihood vs Zerfallsl ¨ange

−Aufl ¨osung aus den Z⁰→µ⁺µ⁻Daten, d0Templates aus Simulationen f ¨ur verschie- dene cτWerte, Anpassung von wahrscheinlichstem cτdurch Likelihood Funktion.

−Resultat: cτ <52.2µm, bei einer Standard Modell Erwartung von cτ ≈10⁻¹⁰µm.

Kein Hinweis auf langlebige Top-Quarks oder neue schwere Teilchen mit Topzerf ¨allen.

(12)

Das Verzweigungsverh ¨altnis t → b im e(µ)+Jets Kanal

R=

t b W

f f

t q

W f f

= ^|V^tb^|²

|V_tb|²+|V_ts|²+|V_td|², SM: 0.9980≤R≤0.9984 mit 90%CL.

f f

−Simulation vont¯t→W⁺W⁻ + b¯b/bq/q¯q Ereignissen zur Bestimmung der (Mis)-Tag-Wahrscheinlichkeiten. Simultane Anpasung von N_t¯_tund R.

−Resultat: R=1.02⁺₋^0.19_0.17 Dies bedeutet: R>0.61 und|Vtb|>0.78 mit 95%CL.

Auch hier wurde keine Abweichung vom Standardmodell gefunden.

(13)

Top-Quark Massenbestimmung

topo lhood

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 10 20 30 40 50

topo lhood

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0 10 20 30 40 50

topological likelihood fit

+jets µ

=28.7 + 11.2 - 10.5 Ntop

=77.6 + 13.0 - 12.7 Nwjt

=12.7 + 2.8 - 2.6 Nqcd top wjt qcd

D0 Run II Preliminary

Generelle ¨Uberlegungen

−Die Top-Quark Masse ist ein wichtiger Parameter des SM.

−Es gibt Messungen in allen Kan ¨alen: Di-Lepton=`ν``ν`, Lepton + Jets=`ν`q¯qund Hadronisch= q¯q q¯q.

−Es gibt eine Reihe von Methoden: Template, . . . .

−Die beste Genauigkeit erzielt man mit Anpassungen in multidimensionalen R ¨aumen.

−In den genauesten Messungen ist die Messgenauigkeit durch systematische Unsicherheiten limitiert.

2) (GeV/c Mtop 140160180200220 JES

0.8 0.9 1 1.1 1.2

Acceptance

0.02 0.03 0.04

CDF Run II Preliminary

Systematische Limitierung

−Der wichtigste Beitrag kommt von der Jet-Energie-Skala (JES), die oft zusammen mit der Masse angepasst wird.

−Messungen mit verschiedenen systematichen Unsicher- heiten werden als Konsistenzproben der pr ¨azisesten Messungen verwendet.

Die Messungen werden Schritt um Schritt genauer.

(14)

Top-Quark Massenbestimmung - Matrixelement Methode

Reconstructed mass (GeV) 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190

Likelihood

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1.2 913pb-1

0+1+2 Tags D0 Run II Preliminary

249 Events ) (stat.) GeV

3.7 3.7

± = (169.4 Mtop

Angepasste Masse

e+4-Jets

JES 0.920.940.960.98 1 1.021.041.061.08 1.1 1.12

Likelihood

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1.2 _-1

913pb 0+1+2 Tags D0 Run II Preliminary

249 Events ) (stat.)

0.024 0.024

± JES = (1.039

Angepasste JES

e+4-Jets

−Selektion: Lepton + 4-Jets Ereignisse mit b-Tagging.Hauptuntergrund: W + 4-Jets.

−Die Ereigniswahrscheinlichkeit: P(~x,mt,JES,f_t¯_t) =f_t¯_tP_t¯_t(~x,mt,JES) + (1−f_t¯_t)Pbgd(~x).

−Die Signalwahrscheinlichkeit wird durch das LO Matrixelement aus PYTHIA angen ¨ahert:

P_t¯_t= _σ ¹

t¯t(m_t,JES)×Pjet

permω_i R P

flav dq1dq2f_q₁_/pf_q₂/¯p

M(q₁q₂→t¯t→~y)

2q₁q₂s dΦ6W(~x, ~y,JES).

2-dimensionales Resultat

(GeV) Mtop 150 155 160 165 170 175 180 185

JES

0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08

1.1 913pb-1

0+1+2 Tags Calibrated 2D Likelihood D0 RunII Preliminary

−Simultane Anpassung von mtund JES liefert das Resultat.

−Resultat: mt=170.9±2.4(stat + JES) ±1.2(syst) Dies ist die genaueste D0 Messung von mt.

(15)

Die Kombination der Massenmessungen

Ein langer Weg

0 100 200 300

1990 1995 2000

T.Dorigo 2002

Year Mass(GeV/c2)

Exp. lower limits (proton colliders)

Exp. lower limits (e⁺e^- colliders) Th. upper limits

Th. estimates with error band

Exp. measurements

World average:

M_t=174.3 +- 5.1 GeV/c²

M_top [GeV/c²]

Mass of the Top Quark (*Preliminary)

Measurement M_top [GeV/c²]

CDF-I di-l 167.4 ± 11.4

D∅-I di-l 168.4 ± 12.8

CDF-II di-l 164.5 ± 5.6

D∅-II di-l* 172.5 ± 8.0

CDF-I l+j 176.1 ± 7.3

D∅-I l+j 180.1 ± 5.3

CDF-II l+j* 170.9 ± 2.5

D∅-II l+j* 170.5 ± 2.7

CDF-I all-j 186.0 ± 11.5

CDF-II all-j* 171.1 ± 4.3

CDF-II lxy 183.9 ± 15.8

χ² / dof = 9.2 / 10

Tevatron Run-I/II* 170.9 ± 1.8

150 170 190

Die Top-Masse ist heute auf 1.1%bekannt.

(16)

Single-Top Produktion - eine erste Evidenz

t-Kanal Produktion q

g q⁰

W b t b

q

b q⁰

W t

−Erwartung:σ(mt=175GeV) =

 2pb 245pb

Wt-Produktion

+ g

b b

t

W

+ 0pb 62pb

S-Kanal Produktion

+ q⁰

q W

t

b

+ 1pb f ¨ur Tevatron 10pb f ¨ur LHC

b-Tagged Top Mass [GeV]

100 150 200 250 300

Events

0 5 10 15 20 25 30

100 150 200 250 300

0 5 10 15 20 25 30

DØ Run II Preliminary L = 0.9 fb^-1

20 40 60 80

0 10 20 30 40 50 60 70

20 40 60 80

0 10 20 30 40 50 60 70

QCD

W + light jets

Wcc + jets

Wbb + jets

lep + jets

→ t t

dilepton

→ t t signal: tb

signal: tqb

DATA

Interpretation der Daten

−Ein leichter ¨Uberschuss in den Daten.

−Interpretiert als Single-Top Produktion, mitσt/σs=0.44, liefert:

σ(p¯p→tb+tbq) =4.8⁺₋^1.6_1.4.

−Die Berechnung der Wahrscheinlichkeit einer Fluktuation des Untergrunds ohne Signal liefert eine 3.2σEvidenz.

Eine genaue Messung erst am LHC.

(17)

Die Top-Quark Messungen am LHC

ATLAS Atlantis Event name: JiveXML_5200_01392 run: 5200 event: 1392 Geometry: <default>

-4 0 X (m) 4

-440Y (m)

15

5 25 ET (GeV)

0 180 360

φ -5

-3 -1

1 3

5 η

-4 0 Z (m) 4

-440ρ (m)

-6 0 X (cm) 6

-660Y (cm)

t¯t→b¯bµνµq⁰¯q

Ver ¨anderungen zu Tevatron

−H ¨ohereLintundσ_t¯_t.

−Weniger Untergrund aus W+N-Jets aber mehr Untergrund durch MI.

−Bessere b-Jet Erkennung (boost).

−Feiner segmentiertes Kalorimeter.

Erwartete Resultate

−σ_t¯_tin allen Kan ¨alen

−mtauch Konsistenz, mt↔σ_t¯_t.

−Spin, W-Helizit ¨at.

−Seltene Zerf ¨alle R= ^|V^tb^|²

|V_tb|²+|V_ts|²+|V_td|².

−Single-t, Trennung der Diagramme.

−FCNC t→Z⁰q?

−t¯tResonanzen?

−. . .

Ab Herbst kann die Jagd beginnen.

(18)

Die Bedeutung der Top-Masse f ¨ ur das SM und seine Erweiterungen

80.2 80.3 80.4 80.5

140 160 180 200

m_H [GeV]

70 300 1000 m_t [GeV]

mW [GeV]

Preliminary indirect Data direct Data

12/1997

80.2 80.3 80.4 80.5 80.6

130 150 170 190 210

m_H [GeV]

90 300 1000 m_t [GeV]

mW [GeV]

Preliminary 68% CL

LEP1, SLD, νN Data LEP2, pp⁻ Data

2/1999

80.2 80.3 80.4 80.5 80.6

130 150 170 190 210

m_H [GeV]

113 300 1000 m_t [GeV]

mW [GeV]

Preliminary 68% CL

LEP1, SLD, νN Data LEP2, pp⁻ Data

2/2001

160 165 170 175 180 185

mt [GeV]

80.20 80.30 80.40 80.50 80.60 80.70

MW [GeV]

SM

MSSM

MH = 114 GeV

MH = 400 GeV

light SUSY

heavy SUSY

SM MSSM both models Heinemeyer, Hollik, Stockinger, Weber, Weiglein ’07 experimental errors: LEP2/Tevatron (today)

68% CL

95% CL 10/2007 −1997: mW = (80.41 ±0.09 ) GeV,mt= (175.6±5.5) GeV

−2007: mW = (80.374±0.015) GeV,mt= (170.9±1.8) GeV Ein Ausblick in die Zukunft

−Mit immer genaueren Werten f ¨ur mWund mtkann die Higgs-Masse eingeschr ¨ankt, oder Hinweise auf Physik jenseits des SM gewonnen werden.

In ein paar Jahren wissen wir deutlich mehr.

(19)

Zusammenfassung

−Nach der Entdeckung des Bottom-Quarks 1977 war im Standard Modell klar, dass es das Top-Quark geben musste und die Suche war er ¨offnet.

−Erst 1995, mit der Entdeckung des Top-Qarks durch CDF und D0 am Tevatron wurde dieser bis heute letzte Quark Baustein gefunden.

−Mit seiner großen Masse und kurzen Lebensdauer hat das Top-Quark Alleinstellungs- merkmale im SM. Es zerf ¨allt als freies Quark, und bildet keine gebunden Zust ¨ande.

Es sollte die st ¨arkste Kopplung an dem Mechanismus zur Massenerzeugung haben.

−Die Tevatron Experimente haben schon einige Eigenschaften des Top-Quarks wie Masse und Produktionswirkungsquerschnitt bestimmt, leiden aber unter kleinen Ereignisraten.

−Am LHC erwarten wir uns wesentlich verbesserte Messungen der Top-Quark Eigenschaften, und mit ein wenig Gl ¨uck auch Kopplungen an das Higgs-Boson, oder an Physik jenseits des Standardmodells.

N ¨achste Vorlesung: Vorlesung 12, 15. Januar 9:15 Uhr, Prof. S.Bethke.