3.11.2003raimund ströhmer, lmu münchen1 die bestimmung der massen von w-boson und top-quark für...

3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

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Die Bestimmung der Massen von W-Boson und Top-Quark für den Präzisionstest der elektroschwachen Theorie

•Motivation•Bestimmung der W-Boson Masse am LEP•Bestimmung der W-Boson Masse am Tevatron

- Der Level 2 Myontrigger beim D0 Experiment•Messung der Top Masse am Tevatron

-Silizium-Vertexdetektoren•Zukunftsaussichten

Raimund Ströhmer, LMU München, Sektion Physik, LS Schaile


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Die elektroschwache Wechselwirkung

Fermi hat zur Erklärung des Zerfalles eine 4-Fermion Wechselwirkung eingeführt.

Um Divergenzen bei hohenSchwerpunktsenergien zu vermeiden, werden massive Eichbosonen eingeführt.

Im Standardmodell werden die Massen der Eichbosonen durch den Higgsmechanismus erklärt.

Konsistente Theorie mit wenigen Parametern


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Die Masse des W-Bosons

In niedrigster Ordnung ist die W-Masse durch 3 Parameter bestimmt.(Üblicherweise: MZ , G)

Zusätzliche Abhängigkeit von MTop und MHiggs durch Beiträge höherer Ordnung

Messung von Mw und MTop testet das Standardmodell auf dem Niveau von Schleifen-Korrekturen.


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Bestimmung der W-Masse am LEP

e+e- - Collider: 27 km Umfang LEP I: 1989-1995ECM= 91 ±3 GeV, 4 x 4 106 Z0

LEP II: 1996-2000ECM= 161-208 GeV,4 x 10 103 W-Paare


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W-Paar Produktion

68% der W-Bosonenzerfallen hadronisch


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Ereignistopologien

hadronisch (46%)Keine fehlende Energie.Zuordnung von Jets zu WsEndzustandswechselw.

semileptonisch (44%)Rekonstruktion des Neutrinosaus Impuls- und Energieerhaltung

leptonisch (10%)Vollständige kinematische Rekonstr. nicht möglich, Mw ausEnergiespektrum


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Kinematische Rekonstruktion

Invariante Jetpaar-Masse hat eine Auflösung von etwa 10% (Energieauflösung der Jets)

Kinematischer Fit: Bestimmung der Jet- und Lepton-Impulse so dass:• Energie-Impuls-Erhaltung erfüllt ist• möglichst gute Übereinstimmung mit der Messung

Bias durch Anfangszustands-Strahlung.Schwerpunktsenergie muss bekannt sein.


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Massenbestimmung: Methode 1

Alle Einflüsse auf das Massenspektrum die in Monte Carlo enthalten sind werden automatisch berücksichtigt.

Vergleich von Daten und simulierten Massenspektren

Alle Einflüsse auf das Massenspektrum die in der Simulation enthalten sind, werden automatisch berücksichtigt.


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Massenbestimmung: Methode 2Bestimmung der Ereigniswahrscheinlichkeit durch Faltung

einer Auflösungsfunktion (Wahrscheinlichkeit, dass das beobachtete Ereignis von einer bestimmte W-Masse stammt)

einer Physikfunktion (Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte W-Masse zu produzieren)

mit


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Systematische Unsicherheiten

Strahlenergie - Aufgrund des kinematischen Fits

Detektorauflösung- Kalibrierung mit Z0-Ereignissen

Elektromagnetische Korrekturen- Anfangs- und Endzustandsstrahlung - Virtuelle Korrekturen

HadronisationEndzustandswechselwirkungen


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Hadronisation

Abschätzung des Fehlers durch Vergleich verschiedener Modelle bzw. Modellparameter, die die LEP I Z0-Daten gut beschreiben.

Übergang von farbigen Quarks und Gluonen in Hadronen kann nur durch Modelle beschrieben werden.

Systematische Unsicherheiten wegen:Zuordnung von Teilchen zu JetsMindestimpuls von TeilchenSchlechte Energieauflösung für neutrale HadronenBehandlung aller geladenen Teilchen als Pionen


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Endzustandswechselwirkung

Zerfallen beide W-Bosonen hadronisch, sind Wechselwirkungen zwischen den Zerfallsprodukten möglich.Bose-Einstein Korrelation: Verstärkte Produktion von identischen Bosonen (unterschiedlicher Ws) nahe im Phasenraum.Color Reconnection: Wechselwirkung von farbigen Objekten von verschiedenen W-Bosonen.

Wenn die beiden Ws nicht unabhängig zerfallen, kann das die Massenmessung beeinflussen: Ist der Winkel zwischen Jets von unterschiedlichen Ws kleiner Winkel zwischen Jets vom selben W größer größere rekonstruierte Masse.


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Color Reconnection

Partonen von unterschiedlichen Ws hadronisieren nicht unabhängig.Erhöhte Produktion von niederenergetischen Teilchen zwischen Jets von unterschiedlichen Ws.

Ausschluss von extremen Modellen: Studien des Teilchenflusses zwischen den Jets.Reduktion des Einflusses auf Massenmessung: Bestimmung der Jetrichtung nur mit Teilchen mit Mindesimpuls (typisch 2 GeV).

Effekt von Color-Reconnection während der Hadronisation nur durch phänomenologische Modelle beschreibbar.


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Die W-Boson MasseDominante Fehler in MeV qql qqqq Komb

ISR/FSR 8 8 8

Hadronisation

19 18 18

Detektor 14 10 14

LEP Strahlenergie

17 17 17

Color Recon. - 90 9

Bose-Einstein - 35 3

tot. syst. Fehler 31 101 31

stat. Fehler 32 35 29


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Das Tevatron

am Fermilab bei Chicago

Run I: 1992-1995100 pb-1 bei s = 1.8 TeV

Run II: seit 2001geplant 4-9 fb-1 bei s = 1.96 TeV

Detektor Upgrades: Spurkammern (zentrales Magnetfeld für D0) Silizium Vertexdetektoren, Trigger und Elektronik, u.a.


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Die W-Boson Masse am Tevatron

Bestimmung aus leptonischen W- Zerfällen (e

- da zu hoher Untergrund für hadronische Zerfälle

Neutrinoenergie kann nicht vollständig rekonstruiert werden- da Energie entlang der

Strahlachse nicht bekannt ist Benutze: )cos1)((p(2pm l T lTT

Dominante Fehler: Statistik, Lepton-Energieskala (bestimmt aus Z0- und J/-Ereignissen) große Verbesserungen in Run II erwartet


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Der Level 2 Myontrigger bei D0Bestimmung von Spursegmenten im A- und BC-Layer.Abschätzung des Impulses: Richtungsänderung zwischen A- und BC-Layer im Magnetfeld.

Verfügbare Zeit zur Bestimmung der Spursegmente s Unabhängige Bestimmung für Detektorregionen auf einzelnen Prozessoren (80 x 160 MHz DSP)Test von Hitmustern mit Lookup Tabellen

(die benutzten DSP arbeiten nur mit integer Zahlen) Effizienz


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Top Produktion

Paar-Produktion85%

15%

tW

b

tW

b

BR( t → Wb) ≈ 100%

σtheory ≈ 7 pb

b-Jet: Identifiziert durchSekundärvertex oder Lepton

Ereignistopologie bestimmt durchW-Zerfälle

Dilepton (e 5%

Lepton (eJets 29%

Nur Jets 46% +X 20%


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Bestimmung der Top-Masse

Massenspektren - Kinematischer Fit unter tt-

Hypothese.- Benutze um beste Kombination

zu wählen.- Vergleiche Massenverteilung mit

Monte Carlo Template.

Ereigniswahrscheinlichkeit- Signal- und Untergrund-

wahrscheinlichkeit für jedes Ereignis als Funktion von MTop

- Benutze alle Kombinationen- Fehler des neuen D0 Ergebnises

entspricht 2.5 mal höherer Statistik

25.4GeV/c180.1 D0 Lepton+jets

-


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Sekundärer Vertex-Tag

6 Barrels

12 F-disks 4 H-disksD0 Silizium-Vertexdetektor

Lange B-Hadron-Zerfallslänge: (cm)Boost Lxy ~ 3mm

Der Zerfall hat hohe Multiplizität.


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Der SVX2/SVX3 Auslesechip

132 ns Bunch-Spacing5 s L1 EntscheidungszeitAuslese für L2 Trigger- Auslese nur von Kanälen mit

Signal über einer Schwelle - Dynamische Pedestal

Subtraktion

Strahlenhärte (4MRad getestet)

Anforderungen:

Analoge Pipeline


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Der SVX3 Auslese Chip

Speichern des analogen Signals in Pipelinezellen.Gleichzeitiges Lesen und Schreiben von unterschiedlichen Pipelinezellen Totzeitlose Auslese


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Zusammenfassung

Das Standardmodell wir auf dem Niveau von Quantenkorrekturen bestätigt.

MTop = 174.3 ± 5.3 GeV/c2

MW= 80.426 ± 0.034 GeV/c2


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Aussichten

Tevatron Run II und LHC- Analysen werden systematisch limitiert sein.

MTop : Jetenergie und Endzustandsgluonstrahlung (1-2 GeV)

MW : Leptonenergieskala, fehlende Energie (10-20 MeV)- Reduktion der systematischen Fehler durch große Kontrollensemble

ee Linearbeschleuniger- Bestimmung von MTop und MW durch einen Scan der

Schwerpunktsenergie an der Paarproduktionsschwelle. - Erwartete Genauigkeit: MTop200 MeV, MW2 MeV,

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