Top Quarks: Einführung

Fakultät für Physik

Institut für Experimentelle Teilchenphysik - ETP

TP II - Top-Quarks und Jets

Thomas Müller

Top Quarks: Einführung

22. Mai 2020

Vorlesungen/Übungen zur Top Quark

Vorlesungstermine zur Top-Physik 22. Mai: Top Quarks: Einführung

29. Mai: Top-Quarks: Messungen (1)

19. Juni: Top Quark Messungen (2) und Eigenschaften 17. Juli: Top-Quarks: Eigenschaften und Suchen

24. Juli: Top-Quarks und Higgs Boson

Top-Quark Übungen:

27. Mai: Top-Quark Entdeckung

03. Juni: Messung des Single-Top

Produktionswirkungsquerschnitts

24. Juni: Differentieller Wirkungsquerschnitt

22. Juli: Übung zu tt+Higgs

Übersicht (1)

Das schwerste bekannte Elementarteilchen

Geschichte des Top-Quarks bis zur Entdeckung Top-Quark Produktion: QCD-Vorhersagen

Top-Quark Signatur und Nachweis Produktion einzelner Top-Quarks Top-Quark-Paarproduktion

Differentielle Verteilungen

Quantenzahlen

Masse, Breite und Lebensdauer

Eigenschaften in Produktion und Zerfall

1. Einführung

2. Messungen

3. Eigenschaften

Übersicht (2)

4. Suchen nach BSM

5. Top Quark und Higgs

Anomale Kopplungen Exotische Resonanzen Dunkle Materie

Assoziierte Produktion (tt+X) tt+(b)jets

tt+γ/W/Z tt+Higgs

4-Top Produktion

Literatur und Links

T.M. Liss, F. Maltoni, A.Quadt:

The Top Quark The Review of Particle Physics (2017)

U. Husemann:

Top-Quark Physics: Status and Prospects, https://arxiv.org/abs/1704.01356

M. Cristinziani, M. Mulders:

Top-quark physics at the Large Hadron Collider, http://arxiv.org/abs/1606.00327

W. Bernreuther:

Top Quark Physics at the LHC, J. Phys. G: Nucl. Part Phys. 35 (2008) 083001, http://arxiv.org/abs/0805.1333

“Top Quark Physics at the Precision Frontier”

Workshop, 15-17 May 2019, Fermilab

Quellen vieler Folien

Ulrich Husemann: TP I (WS 16/17): www-ekp.physik.uni- karlsruhe.de/~husemann/teaching/2016_ws/teilchenphysik/

Matthias Mozer, Roger Wolf (KSETA seminar 2018):

www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~rwolf/teaching/ws17-18-kseta.html

Maria Aldaya: Vorlesung über Top-Quarks am KIT 2016 und 2017 http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~mmozer/SS17/

Diese Vorlesung baut früheren Vorlesungen von ThM, U. Husemann,

M. Mozer, R. Wolf, M. Aldaya (DESY/KIT) und A. Meyer (DESY/KIT) auf.

EINFÜHRUNG

1.

Das Top Quark im Standard Modell

Steckbrief

http://pdg.lbl.gov

Das Top Quark im Standard Model

Top Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen: Kopplung mit Higgs Boson ist groß

Particle data group: pdg.lbl.gov m

173 ± 0.4 GeV

Γ

~ 1.4 ± 0.2 GeV τ ~ 5x10

s

https://cds.cern.ch/record/2259332

Top Quark ist ein “normales” Quark Spin 1/2

Starke Wechselwirkung: Farbladung, Wechselwirkung mit Gluonen

Schwache WW: CKM Matrix: V

~ 1:

Top Quark zerfällt (fast) immer in b-Quark und W-Boson

Das Top Quark im Standard Model

Top Quark ist kein “normales” Quark m

173 ± 0.4 GeV

Γ

~ 1.4 ± 0.2 GeV τ ~ 5x10

s

Extrem kurze Zerfallszeit: Möglichkeit, Spin-Eigenschaften des Top- Quarks über Winkelverteilungen direkt zu messen

Das Top Quark im Standard Model

ΛQCD (~200 MeV): QCD Energieskala,

unterhalb von ΛQCD wird die starke Kopplung stark, d.h. nicht perturbativ

Top Masse, W Boson Masse und Higgs Masse

Higgs-Masse ist im SM mit Top- und W-Masse über Schleifenkorrekturen verbunden

Das Top Quark korrigiert (reduziert) die “nackte” Higgs Masse

arXiv:1407.3792

GESCHICHTE DES TOP QUARKS

1.1

Vorgeschichte (bis 1974)

1960s: viele, viele subatomare Teilchen (“Teilchen-Zoo”)

Vorschlag: Quark Modell (Gell-Mann, Zweig 1964):

Drei Quark-Flavours:

Up (u), Down (d), Strange (s)

Erklärung für Hadronen (Mesonen and Baryonen):

Iso-Dublet (u, d) mit Q = (+2/3, -1/3), S = 0 Iso-Singlet s mit Q = -1/3, S = -1

Cabbibos Postulat (1963):

Quarks “mischen” (nur in geladenen Strömen) Masseneigenzustand ≠ Flavour-Eigenzustand In der schwachen Wechselwirkung sind d und s

Quarks ‘gedreht’ in schwache Eigenzustände d’ = d cosθC + s sinθC

Erklärung für schwache Ströme, in denen s an u koppelt (z.B. K⁺m⁺n_m),

GIM Mechanismus (Glashow, Iliopoulos, Maiani, 1970):

Warum ist das Verzweigungsverhältnis von K⁰ → μμ so klein (~10^-8) ?

Vorgeschichte (bis 1974)

GIM Mechanismus (Glashow, Iliopoulos, Maiani, 1970):

Warum ist das Verzweigungsverhältnis von K⁰ → μμ so klein (~10^-8) ?

Hypothese: Es gibt ein 4. Quark, das Charm (c) Quark

→ Strangeness-ändernde neutrale Ströme heben sich auf

→ Negative Interferenz zwischen u und c Diagrammen, exakt falls mu=mc

→ Abschätzung der Charm-Masse aus BR

Vorgeschichte (bis 1974)

Vorgeschichte (bis 1974)

Experimenteller Befund: CP-Verletzung bei neutralen Kaonen (Christenson, Cronin, Fitch, Turlay, 1964)

Quark-Mischung beschrieben durch unitäre Matrix:

2×2 Matrix: ein freier, reeller Parameter (Cabibbo-Winkel θC):

gleiches Verhalten von Teilchen und Antiteilchen → keine CP-Verletzung

3×3 Matrix: vier Parameter (3 Winkel und 1 Phase), CKM-Matrix:

Wolfenstein-Parameterisierung (λ = sin θC)

Entdeckungen (70er Jahre)

“November Revolution” (1974):

Experimenteller Nachweis des Charm Quarks Entdeckung des J/ψ (SLAC and BNL) Interpretation als cc̅-Zustand

Entdeckung des t-Leptons (Perl et al., 1975) t-Neutrino, n_t, entdeckt im Jahr 2000

Nachweis eines 5. Quarks: Bottom (b) (Lederman et al., 1977):

Entdeckung des ϒ-Mesons (Upsilon) am Fermilab

Interpretation als bb̅-Zustand

1.Quark der 3.Familie → up oder down-type?

p + Be  e⁺ + e^- + X

quarks

leptons

B-Quark Quantenzahlen

Zerfallsbreite der ϒ Resonanz

(DORIS e⁺e^– Speicherring, 1978)

Γee verbunden mit b Quarkladung Folgerung: Ladung q = –1/3

Vorwärts-Rückwärts-Asymmetry (AFB) in e⁺e^– → bb̅ (PETRA, 1984)

Unterschiedliche Vorhersagen für Isospin-Singlet and Dublet

Messung: I3= –1/2, q = –1/3

Folgerung: b ist ein down-type Quark

Iso-Partnerteilchen des Bottom-Quarks:

Das Top-Quark

[Phys. Lett. B146 (1984) 437]

Indirekte Suchen (1980er)

Effekte schwerer Teilchen: häufig zuerst in Schleifen beobachtet:

B⁰-B̅⁰ Oszillationen (ARGUS, DESY, 1987)

Produktion via ϒ(4S) Resonanz:

e⁺e^– → ϒ(4S) → B⁰B̅⁰

Mischung zwischen B⁰ and B̅⁰ via Box-Diagramme (vergl. GIM)

d

Fully reconstructed BB mixing event

Indirekte Suchen (1980er)

Semileptonische Zerfälle der beiden B Mesonen:

B → ℓnX → Ladung der Leptonen teilweise gleich !

Zeitintegrierte Oszillationswahrscheinlichkeit → hängt ab von Differenz Δmd der Massen-

eigenzustände und der Zerfallsbreite Γ

Δmd hängt ab von Top-Quark Masse:

Experimentelle Messung: starke Oszillationen: Δmd ≈ 0.5 ps^–1

with

Elektroschwache Präzisionsdaten

Top-Quark-Schleifen in Strahlungskorrekturen, z.B. W/Z Masse

→ quadratische Abhängigkeit von der Top-Masse

Sensitivität auf Top-Masse auch in anderen elektroschwachen Observablen

with

Dr enthält alle 1-Schleifen-

Korrekturen von Top and Higgs

Elektroschwache Präzisionsdaten: Nov. 1994

[CERN/PPE/94-187]

Tevatron (1992-2011)

Proton-Antiproton Collider am Fermilab (Chicago)

Run-I (1992-1996):

Energie: √s = 1.8 TeV Int. Luminosität: L = 100 pb

Run-II (2001-2011):

Energie: √s = 1.96 TeV Int. Luminosität: L = 10 fb

Genügend Energie und

Luminosität, um reelle

Top-Quarks (paarweise)

zu produzieren

CDF 1994: Suche nach Ereignissen

mit W-Bosonen und b-Jets (in Kanälen mit 1 und 2 Leptonen)

1-Lepton-Kanal: 4 Jets erwartet.

Befund: Überschuss in den Daten (entspricht 2.8 σ)

Tevatron: Juli 1994

PRL 73 (1994) 225

LEP, SLD, pp, vN Kombination: m

=

Suchen: Nov 1994

_

ee collider limits CDF

hadron collider limits EW-fits

[CERN/PPE/94-187]

Top-Massengrenzen nur wenig abhängig von der

damals noch unbekannten Higgs-Masse

24. Februar 1995: gleichzeitige

Veröffentlichungen von CDF und D0

Entdeckung !

_

PRL74, 2632 (1995) PRL74, 2626 (1995)

4.6σ

4.8σ

Top Quark und Jet Physik - Top Quarks: Einführung 22. Mai 2020

24. Februar 1995: gleichzeitige

Veröffentlichungen von CDF und D0 2. März 1995: Seminar am Fermilab

30

Entdeckung !

PRL74, 2632 (1995) PRL74, 2626 (1995)

4.6σ

4.8σ

Mehr Details:

https://events.fnal.gov/colloquium/events/event/the-formative-years-of-the-top-quark/

EPS Prize 2019 geht an CDF and D0

Physik des Top Quarks: 1995 — 2019

•

•

•

•

1000e Ereignisse 100te Millionen Top-Ereignisse 36 Ereignisse

•

•

•

CMS

•

•

~ 7000 Top Quark Paare pro Stunde (8 TeV)

•

•

•

•

•

Top-Quark Fabrik LHC

ATLAS LHCb

CMS

Heute: Beispiel Masse

_______ __ ___ __ __________ CMS Run-I Combination __________

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/LHCPhysics/LHCTopWGSummar

TOP QUARK PRODUKTION:

VORHERSAGEN

1.2

Top-Quark Paarproduktion (in e

e

)

Aller-einfachster Fall: ee → tt̅

(bisher leider kein solches Experiment)

Erinnerung: Wirkungsquerschnitt ist proportional zu |Matrixelement|

und

Phasenraumfaktor

e^–

γ/Z*

t t _

Top-Quark Paarproduktion (in e

e

)

Aller-einfachster Fall: ee → tt̅

(bisher leider kein solches Experiment)

Erinnerung: Wirkungsquerschnitt ist proportional zu |Matrixelement|

und Phasenraumfaktor

Feynman-Regeln: systematischer Satz von Rechenregeln für Matrixelemente

e⁺ e^–

γ/Z*

t t _

Impulsanteil des Partons im Proton

Proton-Strahlen = Breitband-Parton-Strahlen

pp-Wirkungsquerschnitt ist die Summe der Parton-Parton- Wirkungsquerschnitte

(integriert über die Partonen- Impulsverteilung)

t

t

_

x_i = p_i / p₁

Top-Quark Paarproduktion (in pp oder pp)

f_i(x_i) f_j(x_j)

x_i p₁

x_j p₂

PDFs

(describe the momentum distribution of partons in proton)

Hadronisierung Parton distribution functions (PDF) Partonischer Wirkungsquerschnitt

x_i = p_i / p₁ Impulsanteil des Partons im Proton

Proton-Strahlen = Breitband-Parton-Strahlen

In der Praxis: benötige vollständige Beschrei- bung der Ereignisse (vergl. Jets-Vorlesung)

Top-Quark Paarproduktion (in pp oder pp)

Top-Quark Paarproduktion (LO)

Betrachte Prozess: qq̅ → tt̅

Berechnung ähnlich wie QED Prozess e⁺e^– → tt̅

Zusätzlich: Summieren über Farbfaktoren

Minimale Virtualität des Gluon-Propagator: s > 4 mt2

→ Produktionsschwelle

Differentieller Wirkungsquerschnitt (Mandelstam Variable t̂):

Totaler Wirkungsquerschnitt im Limit hoher Energie

ŝ = (p_q+p_q̅)² t̂ = (p_q - p_t)² û = (p_q - p_t̅)²

Betrachte Prozess: gg → tt̅

Differentieller Wirkungsquerschnitt:

Totaler Wirkungsquerschnitt (fällt steiler mit ŝ ab als qq̅)

ŝ = (p_g1+p_g2)² t̂ = (p_g1 - p_t)² û = (p_g1 - p_t̅)²

Top-Quark Paarproduktion (LO)

mit

Top-Quark Paarproduktion (LO)

QCD Feynman-Diagramme in führender Ordnung:

Partonverteilungsfunktionen:

x: Impulsanteil des Partons im Proton

Parton Distribution Functions (PDF):

universelle Eigenschaft des Protons, d.h. unabhängig vom Prozess

PDF können perturbativ nicht berechnet werden, werden experimentell bestimmt

Parton-Parton Schwerpunktenergie:

ʲ_CMS= ŝ = x_i x_j s = x_i x_j (p₁+p₂)² = x_i x_j E²_CMS

√s 1.96 TeV 7 TeV 8 TeV 13 TeV x

0,18 0,048 0,043 0,026

x: Impulsanteil des Partons im Proton

Top-Quark Paarproduktion (in pp oder pp)

x: Impulsanteil des Partons im Proton

LHC

Tevatron gg/gq ~90% ~15%

qq̅ ~10% ~85%

Tevatron LHC

(13 TeV)

Top-Quark Paarproduktion (in pp oder pp)

Paarproduktion in nächstführender Ordnung, d.h. Beiträge bis zur Ordnung αS3

|Matrix-Element|² für reelle Abstrahlungen, z.B.

Interferenz von LO Diagrammen and virtuellen Korrekturen O(αS3), z.B.

Neue Beiträge von Diagrammen mit qg, qg im Anfangszustand, z.B.

Top-Quark Paarproduktion (NLO)

NNLO

NNLO: Korrekuren bis zur Ordnung αS4:

[P. Uwer]

Vergleich LO, NLO, NNLO

NNLO: drastisch reduzierte Normierungsunsicherheit:

nur noch etwa ~5%

Czakon, Fiedler, Mitov PRL 110 (2013) 252004

NNLO NLO

LO

Ergebnis: “k-Faktoren” (14 TeV):

NLO/LO: 1.5

NNLO/LO: 1.7

Top-Quark-Paarproduktion heute:

ZUSAMMENFASSUNG

Zusammenfassung

Das Top Quark hat alle Eigenschaften eines normalen Quarks, aber seine Masse ist extrem groß

→ extrem kleine Lebensdauer, kürzer als Zeitskala der Hadronisierung

→ besonderer Zugang zu Eigenschaften des “freien” Quarks

Top Quark spielt es im Standard Modell eine besondere Rolle.

→ Starke Kopplung an das Higgs

→ Top-, W- und Higgs-Masse im Standard Modell über Schleifen-korrekturen miteinander verbunden → Reduktion der “bare” Higgs-Masse und Konsistenztests der Theorie

Vorhersagen und Suchen nach dem Top-Quark seit den 70er Jahren

Entdeckung 1995 am Tevatron (CDF, D0)

Zusammenfassung

Tevatron bis 2011: erste genaue Vermessung der Eigenschaften LHC seit 2008:

→ Top-Quark Fabrik !!!

→ Bereits einige 100 Millionen Top-Quarks (ATLAS und CMS)

Erwartung: Top Quark Produktion

→ paarweise über starke Wechselwirkung

→ einzeln über schwache Wechselwirkung

Theoretische Vorhersagen für Produktions-Wirkungsquerschnitte:

Faktorisierungsansatz:

→ harter Streuprozess (Matrixelement) störungstheoretisch berechenbar

→ Partonverteilungen (PDF), universell, aus Experiment ermittelt

→ zusätzlich (nicht besprochen): Hadronisierung existieren heute in

Rechnungen bis NNLO existieren für Top, Unsicherheit etwa 5%.

BACKUP