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Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks
Die Entdeckung des Top Quarks
[1]
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Zentrale Fragen:
• Warum suchte man das Top - Quark?
• Wie suchte man das Top - Quark?
• Wie geht es mit dem Top – Quark weiter?
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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
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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
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Direkte (erfolglose) Suchennach 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
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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
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Topproduktion am Tevatron
Quark-Antiquark-Annhilation Gluon-Gluon-Fusion
90% 10%
[4] [4]
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Es gibt 2 Kollaborationen am Tevatron
Die CDF Kollaboration Die D0 Kollaboration
[4]
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Der CDF Detektor
Technische Details:
12m x 12m x 12m
5.000t
Magnet mit 1,4 Tesla
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Mehrere Detektionssysteme mit verschiedenen Aufgaben
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Das Detektionssystem
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Der Silizium Vertex Detektor
Kontakte
20µm dicke Siliziumstreifen
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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
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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
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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
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Die Myon-Driftkammern
Zur Detektion von Myonen werden Driftkammern verwendet.
Nur Myonen gelangen in die äußeren Driftkammern
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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
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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
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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]
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Pseudorapidität |η|
[4]
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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]
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Der Dileptonische Zerfallskanal
Haupthintergrund nach Wichtigkeit:
Berechnen des Hintergrunds mittels QCD und Simulieren der Ereignisse mit Monte Carlo
Erwartete Zahl von Hintergrundereignissen
Drell-Yan-Prozess
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Der Dileptonische Zerfallskanal
Zusammenfassung:• Nur wenig Ereignisse• Aber vergleichsweise geringer
Hintergrund
Ereignisse CDF 1995:
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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 Auswahl auch dileptonisch sein könnten werden verworfen
Auswahlkriterien für Ereignisse:
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Der Semileptonische ZerfallskanalBestimmung 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]
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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
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SLT-TaggingSoft-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
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Der Semileptonische Zerfallskanal
Zusammenfassung:
• Deutlich höhere Ereignisrate als Dileptonischer Zerfall
• Wesentlicher größer Hintergrund als Dileptonischer Zerfallskanal
Ereignisse CDF 1995:
Zusammen mit Dileptonischem Kanal Hintergrundswahrscheinlichkeit: 1:1.000.000
Beobachtung des Top–Quarks (1995)
[1]
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Identifikation des Top-Quark
Das Top verglichen mit Hintergrund (CDF 2008)
[1]
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Identifikation des Top-Quark
Erwartete Ereignisse: Hintergrund vs. Top-Produktion (CDF 2008)
[1]
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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]
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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
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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]
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CDF 1995
Phys. Rev. Letter 74, 2626
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Rekonstruktion der Top-Quark Masse
Die ersten Ergebnisse sind noch mit großen Fehlern behaftet.
Mit steigender Statistik werden die Fehler kleiner.
[1]
[1]
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Ausblick
Vorhersage zur Higgs - Masse Prozesse zur Higgs - Erzeugung
Einzeltop - ErzeugungStarke Top-Erzeugung am LHC
Top-Kenntnisse lassen sich zur Kalibration der Detektoren dort nutzen
[4]
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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
![Page 39: Die Entdeckung des Top Quarks](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062500/56815414550346895dc2119e/html5/thumbnails/39.jpg)
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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
![Page 40: Die Entdeckung des Top Quarks](https://reader036.vdokument.com/reader036/viewer/2022062500/56815414550346895dc2119e/html5/thumbnails/40.jpg)
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Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit
[Bilder vom DESY]