Herbstschule für Hochenergiephysik Maria LaachSeptember 2010 Teil 2
Physik am LHC und erste Resultate
Claudia-Elisabeth WulzInstitut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der
Wissenschaften
Ma. Laach, Sep. 2010C.-E. Wulz 2
Offene fundamentale Fragen
LHC-Beschleuniger, inkl. aktueller Stand (Lint, Lmax, bunches)Fundamentale offene FragenExperimente und ihre PhysikzieleBekannte Standardmodellphysik SM-Higgs und SUSY HiggseSupersymmetrieExotika (BSM-Szenarien)- Extradimensionen- Compositeness- Z’, W’, heavy neutrinosB-PhysikSchwerionenphysik
Inhalt
Ma. Laach, Sep. 2010
J. M. Campbell, J. W. Huston, W. J. Stirling: Hard interactions of quarks and gluons: a primer for LHC physics, 2007 Rep. Prog. Phys. 70 89arXiv:hep-ph/0611148v1
T. Han: Collider Phenomenology: Basic Knowledge and Techniques, http://www.pheno.wisc.edu/~than/collider-update.pdf
M. Cacciari, G. Salam: The anti-kT jet clustering algorithm (2008)arXiv:hep-ph/0802.1189v2
P. Ryan (ATLAS Collaboration): Single-Top Cross Section Measurements at ATLASarXiv:hep-ex/0910.3824v1
delete:A. Pich: The Standard Model of Electroweak Interactions, http://arxiv.org/abs/0705.4264
Literatur und Quellen
C.-E. Wulz 3
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Offene fundamentale Fragen
Ursprung und Hierarchie der TeilchenmassenGibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse?
Wie muß das Standardmodell erweitert werden?Supersymmetrie, Grand Unified Theories, …
Können alle Kräfte vereint werden?Einbindung der Gravitation?
Gibt es zusätzliche Dimensionen?Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen?Gibt es mehr als drei Teilchengenerationen?Asymmetrie zwischen Materie und AntimaterieWoraus besteht die dunkle Materie des Kosmos?Was ist die dunkle Energie?Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement
Quark-Gluon-PlasmaWie entstand das Universum?
Offene Fragen der Physik
Das Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell ist eine Theorie der starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte, formuliert in der Sprache von Quantenfeldtheorien, und der Elementarteilchen, die an diesen Wechselwirkungen teilnehmen. Die Gravitation ist jedoch nicht eingeschlossen. Wechselwirkungen werden durch den Austausch von virtuellen Teilchen vermittelt.
KRAFT RELATIVE STÄRKE
REICHWEITE VERMITTLER
Stark 1 10-15 m Gluonen
Schwach 10-6 10-18 m W, Z
Elektromagnetisch a (10-2) unendlich Photon
Gravitationell 10-38 unendlich Graviton
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Teilchen im Standardmodell
Materieteilchen:
Fermionen (halbzahliger Spin, s = ½ħ) und ihre Antiteilchen.Es gibt 3 Familien (Generationen) von bis auf ihre Massen identischen Fermionfeldern. Fermionen treten als Leptonen und Quarks auf.
Vermittlerteilchen:Eichosonen (ganzzahliger Spin, s = 1ħ).Es gibt 3 Arten von Eichbosonen, entsprechend den 3 durch das Standardmodell beschriebenen Wechselwirkungen.
Higgsteilchen:Er wird zur Brechung der elektroschwachen Symmetrie in die Eichsymmetrie der Quantenelektrodynamik (QED) gebraucht. Teilchen, die mit dem Higgsfeld wechselwirken, können sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und erhalten Massen durch Kopplung and das Higgsboson (s = 0ħ).
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C.-E. Wulz 7 Ma. Laach, Sep. 2010
SU(3)C x SU(2)L x U(1)Y
Quarks
Leptonen
Kräfte
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Erste Aufgabe des LHC:
Wiederentdeckung des Standardmodells
Wiedersehen mit alten Bekannten ….
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Resonanzen
PDG Masse: 1321.32 GeV
Ξ ΛπSignal : 222 ± 11 EreignisseUntergrund : 28 ± 2 Ereignisse Massenpeak : (3.09 ± 0.01) GeVMassenauflösung: (0.07 ± 0.01) GeV
Ξ-
Λπ-
π-
p
J/y e+e-
J/y m+m-
KS0 p+p-
Ma. Laach, Sep. 2010
Quantenchromodynamik, Jets
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Jets (Fragmentationsprodukte von gestreuten Partonen) sind omnipräsent bei LHC.Die höchsten Dijet-Massen sind bereits höher als √s des Tevatron!“It starts to get interesting” … T. Carli bei ICHEP 2010 Paris
2-Jet Ereignis
420 GeV
320 GeV
2j-invariante Masse 2.55 TeV
Ma. Laach, Sep. 2010
Jetalgorithmen
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Prinzipielle Aufgabe von Jetalgorithmen: Berechnung von Vierervektoren der Partonen bzw. der sie repräsentierenden Jets aus Transversalenergien in Kalorimeterzellen bzw. Teilchenspuren.
Wünschenswerte Eigenschaften:
Boostinvarianz Initial state Partonen im Schwerpunktssystem im allgemeinen nicht in Ruhe bei Hadroncollidern!
InfrarotsicherheitJets sollen unabhängig von “soft”-Komponenten gefunden (underlying event, pileup, etc.) werden.
KollinearitätssicherheitJets sollen gefunden werden, egal ob ein Teilchen oder zwei kollineare Teilchen mit derselben Energie im Spiel sind.
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Konusalgorithmen
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Konusalgorithmen - Nähe im Winkelraum
Jets überspannen Kegel mit fixem Radius im ( , )h f -Raum (DR typisch 0.4 bis 0.7). Es gibt Algorithmen mit oder ohne “seeds”. Kegel können überlappen, daher muss Splitten bzw. Fusionieren vorgesehen sein. Intuitiv, aber im allgemeinen weder infrarot noch kollinear sicher (es gibt verbesserte Versionen wie z.B. SISCone Algorithmus – “seedless infrared safe”).
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kT - Algorithmen
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(Anti-) kT - Algorithmen - Nähe im Impulsraum
p = 1 … kT -Algorithmusp = 0 … Cambridge/Aachen Algorithmusp = -1 … Anti-kT -Algorithmus (heute hauptsächlich in Verwendung bei LHC; Vorteil: Form der Jets ändert sich nicht bei Vorhandensein von soft particles)
i,j … Teilchen oder Pseudojet, B … Strahl (beam)kT, y, f … Transversalimpuls, Rapidität, Azimutdij … Minimaler relativer “Transversalimpuls” zwischen i und j, R ≈ O(1)… RadiusparameterWenn dij < diB ist -> Fusion von i und j (Pseudojet)Wenn nicht, wird i zur Liste von Jets hinzugefügt.
kT … “natürlichere” Form der Jets
Konus
Siehe G. Salams Vortrag!
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Inklusive Jetwirkungsquerschnitte
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Die Messung von Jetspektren ist aus folgenden Gründen wichtig:
• QCD-Tests (running s)• PDF• Signale für neue Physik in der Region mit hohem pT (z.B. Compositeness)-> Schlechte Abschätzung der Fehler in den QCD-Voraussagen (PDF, mR, mF) kann neue Physik vortäuschen, aber auch verbergen! Kenntnis der Energieskala von Jets (jet energy scale) ist ebenfalls enorm wichtig, da Einfluss auf sjet groß!• Untergrundabschätzung für Suchen
mR wird zur Abschätzung des Einflusses von Korrekturen höherer Ordnung variiert, typisch zwischen 0.5 pT und 2pT des höchstenergetischen Jets.
mR ... Renormierungsskala, mF ... Faktorisierungsskala
Ma. Laach, Sep. 2010
Jet Energy Scale
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Aus den Energien der einzelnen Teilchen, die zu einem Jet gehören, sollte man auf die Energie des gestreuten Quarks oder Gluons, aus dem der Jet entstanden ist, rückschließen können.Probleme:- Teilchen, die eigentlich nicht zum Jet gehören, werden zum Jet gezählt- Teilchen, die eigentlich zum Jet gehören, werden nicht gemessen- Bias (Verschiebung des Absolutwerts) durch Abwesenheit von Kalibrationskanälen (z.B. Z -> jets) vor allem am Anfang des LHC-Betriebs- Kalorimetersignale bei gleicher Energie verschieden für elektromagnetische und hadronische Schauer- Energieverlust durch Material vor Kalorimeter und Punchthrough- Unsicherheiten in der Modellierung von hadronischen Schauern, Hadronisierung und underlying events- Noise, Pileup
Zur Zeit sind aufgrund der geringen Statistik die Korrekturen für die Jetenergieskala nur mit Monte Carlo möglich. ATLAS und CMS: zwischen 5% und 9%.
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Jetauflösung
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Jetspektren werden durch Auflösungseffekte verzerrt, daher muss man die Auflösungsfunktion bestimmen und anschließend das tatsächliche Spektrum durch Entfaltung berechnen.
Echtes Spektrum: a … 4 bis 6, Spektrum fälllt steil ab!
Gemessenes Spektrum:Res … Auflösungsfunktion (~
gaussförmig)pT’ … tatsächlicher
Jettransversalimpuls s … Detektorauflösung
Ma. Laach, Sep. 2010
Inklusive Jetwirkungsquerschnitte
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Gute Übereinstimmung mit NLO (Ordnung as3) ... noch ... ?
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Compositeness
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Fermionen könnten eine Substruktur haben (Präonen).
Kontaktwechselwirkung
Q << LCQ << LCQ << LC
Neue WW
LC … Compositeness-Skalah … Interferenzparameter (±1)g … Diracmatrizeny … Diracspinoreng2/4p = 1
Achtung: Nachweis von Kontaktwechselwirkungen ist nicht unbedingt Beweis für Compositeness, da andere neue Phänomene ebenfalls durch eine Kontakt-wechselwirkungs-Lagrangedichte beschrieben werden können!
Ma. Laach, Sep. 2010
Compositeness in 2-Jet-Verteilungen
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CMS
2.7 (aktuelles Limit)
Dh ... Pseudorapiditätsdifferenz der zwei höchstenergetischen Jets
Verhältnisse im Gegensatz zu Wirkungsquerschnitten fast nicht abhängig von PDF. Bis mindestens LC = 10 TeV sollte man bei LHC Hinweise auf Compositeness erhalten können.
Ma. Laach, Sep. 2010
Compton-StreuungAnnihilation
Direkte Photonproduktion
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Das Studium der Produktion von isolierten Photonen (Photonen in Jets kommen meist aus Zerfällen von p und h Mesonen) ist aus folgenden Gründen wichtig:
• Präzisionstests für perturbative QCD• Gluonenverteilung im Proton, PDF• Kalibration der Jetenergieskala• Untergrund für z.B. H , gg G , gg f* fg
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W, Z• W und Z sind die ersten messbaren elektroschwachen Prozesse bei LHC• Tests für perturbative QCD und Partondichtefunktionen (W-Ladungsasymmetrie)• Genaue Kalibration der Detektoren mit Z • Luminositätsmessung• Untergrund für neue Physik
Ma. Laach, Sep. 2010C.-E. Wulz 22
Bevorzugt für Analyse: Leptonische Zerfallskanäle W -> en, W -> mn
… transversale Masse (Jacobi-Peak)
Vektorsumme von ET in den einzelnen Kalorimeterzellen (i=1,n) ist Null falls kein Neutrino vorhanden ist, anderenfalls Falls Myonen vorhanden sind, muss man ihren Impuls berücksichtigen, da sie minimal ionisierende Teilchen sind. Hermetizität des Detektors!
Ma. Laach, Sep. 2010
W+ und W- werden am LHC mit unterschiedlichen Raten erzeugt, da u- gegenüber d-Quarks dominieren.
W
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Z
Z -> e+e-, Z -> m+m-
ATLAS:σ (Z ll) = 0.83 ± 0.07 (stat) ± 0.06 (syst) ± 0.09 (lumi) nb
σ (Z ee) = 0.72 ± 0.11 (stat) ± 0.10 (syst) ± 0.08 (lumi) nb
σ (Z μμ) = 0.89 ± 0.10 (stat) ± 0.07 (syst) ± 0.10 (lumi) nb
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Z -> mm
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1. Beauty-Ereignis: B+ (bu) -> K+ + J/y_
B: = 1.6 t ps, Zerfallslänge ca. 2 mm
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Flavour Tagging Identifikation von Jets aus Fragmentation von (hauptsächlich) b-Quarks:• Präzisionsmessungen auf den Gebieten von Top- und Higgs-Physik• Entdeckung von Supersymmetrie und anderer neuer Physik• Unterdrückung von Untergrund aus leichteren Quarks• Luminositätsmessung• Untergrund für neue Physik
Zerfallslänge L: Distanz Sekundärvertex – Primärvertex b-Hadronen: ct ≈ 450 mm, L = bgc t ≈ einige mmImpaktparameter einer Spur: Kürzester Abstand zum Primärvertex (3-dimensional oder transversal)
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ATLAS Pixeldetektor
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B-Tagging bei CDF
Massenverteilung für das W + ≥ 4 Jets Sample ohne b-Tagging. Gelb: Untergrund (ohne tt)
Massenverteilung für das W + ≥ 4 Jets Sample mit b-Tagging.Untergrund ohne (punktiert) und mit tt (strichliert) ist ebenfalls eingezeichnet.
- -
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Top-Antitop
LHC: 87%
LHC: 13%Das Top-Quark ist aus mehreren Gründen interessant:• Hohe Masse: mt = (173 ± 0.6 stat. ± 1.1 sys.) GeV (Tevatron)
• Yukawa-Kopplung lt = 0.996 ± 0.006 -> vielleicht spezielle Rolle bei der elektroschwachen Symmetriebrechung?
• Zerfall noch vor Hadronisierung (Lebensdauer kürzer als Hadronisierungszeit)• Genaue Messung der Topmasse schränkt den möglichen Higgsmassenbereich ein
(7 TeV) ≈ 163 pb, (14 TeV) ≈ 920 pb (NNLO) – 4% mit 100 pb-1 erreichbar Verzweigungsverhältnis (BR) t -> Wb fast 100%Ausgezeichnete Zerfallskanäle:
W -> en, mn (leptonisch), W -> + Jet (semileptonisch)
Ma. Laach, Sep. 2010C.-E. Wulz 30
m + Jets Topkandidat
p bW+
t
W-
€
b l-
€
t p
b-jet
b-jet
l+
14. Juli 2010
m
Rekonstruierte Topmasse:210 GeV
Massen der Jets ohne b-Tag (3 Kombinationen): 104, 105 und 151 GeV
Selektion:1 m mit hohem pT
ETmiss > 100 GeV
4 Jets, davon mindestens einer mit b-Tag
Mehr Statistik wird noch für endgültige Bestätigung gebraucht!
Ma. Laach, Sep. 2010C.-E. Wulz 31
Single Top
Dominant bei Tevatronund LHC
Klein bei Tevatron,signifikant bei LHC
s-KanalDrell-Yan
t-Kanal
Wt-Kanal
Tevatron
Klein bei Tevatronund LHC
LHC 14 TeV
t: (246 ± 10.2) pbs: (10.7 ± 0.7) pbWt: (66.5 ± 3) pb
Die elektroschwache Produktion von Einzel-Tops (1. Nachweis 2006 am Tevatron) erfolgt mit viel geringeren Wirkungsquerschnitten als von tt-Paaren, so dass diese nicht für erste LHC-Physik relevant sind. Untergrund hauptsächlich tt.
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Präzisionsmessungen
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… Gemessener Mittelwert
Schleifenkorrekturen 0.5% (18.5 s)! Diese hängen u.a. von der Higgsmasse ab.
… “Tree level” Wert
Präzisionsmessungen erlauben durch Quantenschleifen höhere Massenskalen zu erforschen, als die Massen der in Reaktionen direkt involvierten Teilchen.
Beispiele:
Globale Fits
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Fitparameter: MZ , MH , mt , Dahad(5)(MZ
2), aS (MZ2), mc , mb aus Messungen
bei SLC, LEP, Tevatron. http://www.cern.ch/Gfitter
Grünes Band: 1s-Ergebnis für die erlaubte Higgs-Masse, die sich aus allen Messungen ergibt.
Messpunkte: wenn man z.B. MZ im globalen Fit ignoriert, kann man noch immer die Higgsmasse fitten. Man würde dann einen sehr niedrigen Wert bekommen, (53+43-22) GeV. Die Z-Breite GZ hat jedoch überhaupt keinen Einfluss.
Ma. Laach, Sep. 2010
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BACKUP
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Single Top
Die elektroschwache Produktion von Einzel-Tops (1. Nachweis 2006 am Tevatron) erfolgt mit viel geringeren Wirkungsquerschnitten als von tt-Paaren, so dass diese nicht für erste LHC-Physik relevant sind.
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t-KanalW-g-Fusion
s-KanalDrell-Yan
Klein bei Tevatronund LHC
Dominant bei Tevatronund LHC
Klein bei Tevatron,signifikant bei LHC