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Ulrich Husemann Yale University in Zusammenarbeit mit Klaus Mönig, Deutsches Elektronen-Synchrotron Thomas Lohse, Humboldt-Universität zu Berlin Das Top-Quark.

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Präsentation zum Thema: "Ulrich Husemann Yale University in Zusammenarbeit mit Klaus Mönig, Deutsches Elektronen-Synchrotron Thomas Lohse, Humboldt-Universität zu Berlin Das Top-Quark."—  Präsentation transkript:

1 Ulrich Husemann Yale University in Zusammenarbeit mit Klaus Mönig, Deutsches Elektronen-Synchrotron Thomas Lohse, Humboldt-Universität zu Berlin Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik VH-NG-400 Auswahlsitzung der zu fördernden Nachwuchsgruppen im Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft 14. November 2007

2 22 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Die fundamentalen Bausteine der Natur 2 Dunkle Energie Dunkle Materie normale Materie [DESY] Standardmodell der Elementarteilchenphysik: Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen Kräfte: starke Wechselwirkung – elektromagnetische Wechselwirkung – schwache Wechselwirkung Experimentelle Bestätigung des Standardmodells an Teilchen- beschleunigern mit hoher Präzision seit mehr als 30 Jahren Standardmodell ist unvollständig: Ungelöste Frage: wie erhalten Elementarteilchen ihre Masse? Präzisionsmessungen: Probleme bei Beschreibung von Prozessen oberhalb von 1 Tera-Elektronvolt (TeV) Energie? Kosmologie: nur 4% der Energie im Universum durch normale Materie Standardmodell der Elementarteilchenphysik: Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen Kräfte: starke Wechselwirkung – elektromagnetische Wechselwirkung – schwache Wechselwirkung Experimentelle Bestätigung des Standardmodells an Teilchen- beschleunigern mit hoher Präzision seit mehr als 30 Jahren Standardmodell ist unvollständig: Ungelöste Frage: wie erhalten Elementarteilchen ihre Masse? Präzisionsmessungen: Probleme bei Beschreibung von Prozessen oberhalb von 1 Tera-Elektronvolt (TeV) Energie? Kosmologie: nur 4% der Energie im Universum durch normale Materie

3 33 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Die Sonderrolle des Top-Quarks 3 Top-Quark entdeckt am Tevatron (1995), seitdem: detaillierte Vermessung der Eigenschaften Große Masse: Punktförmiges Teilchen, aber Masse vergleichbar mit Goldatom Extrem kurze Lebensdauer, bildet keine gebundenen Zustände Neue Physik mit Top-Quarks? Hat das Top-Quark die im Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften? Gibt es noch schwerere Teilchen, die in Top-Quarks zerfallen? Was trägt das Top-Quark zum Mechanismus der Massenerzeugung bei? Top-Quark entdeckt am Tevatron (1995), seitdem: detaillierte Vermessung der Eigenschaften Große Masse: Punktförmiges Teilchen, aber Masse vergleichbar mit Goldatom Extrem kurze Lebensdauer, bildet keine gebundenen Zustände Neue Physik mit Top-Quarks? Hat das Top-Quark die im Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften? Gibt es noch schwerere Teilchen, die in Top-Quarks zerfallen? Was trägt das Top-Quark zum Mechanismus der Massenerzeugung bei? Seitenansicht eines Top- Quark-Zerfalls beim CDF- Experiment am Tevatron ( ) [CDF]

4 44 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Physik an Hadron-Speicherringen 4 Tevatron (bis 2009/10): Proton- Antiproton-Kollisionen bei Energien von 2 TeV Neu: Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton-Kollisionen bei bisher unerreichten 14 TeV, Inbetriebnahme: 2008 Vielzweckexperimente: ATLAS, CMS LHC: Revolution des physikalischen Weltbilds erwartet Hadron-Speicherringe sindEntdeckungsmaschinen: höchste verfügbare Energien, höchste Ereignisraten Schwieriges experimentelles Umfeld: interessante Ereignisse müssen von großem Untergrund getrennt werden (1 Top-Antitop-Paar in 100 Millionen Kollisionen) Tevatron (bis 2009/10): Proton- Antiproton-Kollisionen bei Energien von 2 TeV Neu: Large Hadron Collider (LHC) Proton-Proton-Kollisionen bei bisher unerreichten 14 TeV, Inbetriebnahme: 2008 Vielzweckexperimente: ATLAS, CMS LHC: Revolution des physikalischen Weltbilds erwartet Hadron-Speicherringe sindEntdeckungsmaschinen: höchste verfügbare Energien, höchste Ereignisraten Schwieriges experimentelles Umfeld: interessante Ereignisse müssen von großem Untergrund getrennt werden (1 Top-Antitop-Paar in 100 Millionen Kollisionen) Luftbildaufnahme: LHC [CERN] 8,5 km ATLAS ALICE LHCb CMS ATLAS-Detektor 40 m [ATLAS]

5 55 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Mein wissenschaftlicher Werdegang 5 Diplomstudium Physik Universität Dortmund (1995–2001) Sommerstudent am NOMAD- Experiment: Neutrino-Kern-Streuung Diplomarbeit am HERA-B-Experiment: Leptonpaare in Proton-Kern-Kollisionen Diplomstudium Physik Universität Dortmund (1995–2001) Sommerstudent am NOMAD- Experiment: Neutrino-Kern-Streuung Diplomarbeit am HERA-B-Experiment: Leptonpaare in Proton-Kern-Kollisionen Promotionsstudium Physik Universität Dortmund und Universität Siegen (2001–2005) Leptonpaar-Trigger bei HERA-B Kerneffekte in der Produktion von J/ψ- Mesonen (hadronische Umgebung) Promotionsstudium Physik Universität Dortmund und Universität Siegen (2001–2005) Leptonpaar-Trigger bei HERA-B Kerneffekte in der Produktion von J/ψ- Mesonen (hadronische Umgebung) Postdoctoral Associate University of Rochester und Yale University (2005–heute) Top-Quark-Physik am Hadron- Speicherring Tevatron Leiter der Siliziumdetektor-Gruppe des CDF-Experiments Postdoctoral Associate University of Rochester und Yale University (2005–heute) Top-Quark-Physik am Hadron- Speicherring Tevatron Leiter der Siliziumdetektor-Gruppe des CDF-Experiments … und Musik! [Late Show with Leon Lederman]

6 66 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Zielsetzung der Nachwuchsgruppe 6 Top-Quark-Physik bei ATLAS Inbetriebnahme des ATLAS-Detektors: Top-Ereignisse als Kalibrationssignale Genaue Vermessung der Eigenschaften des Top-Quarks mit großen Datensätzen Suche nach Neuer Physik mit Top- Quarks Top-Quark-Physik bei ATLAS Inbetriebnahme des ATLAS-Detektors: Top-Ereignisse als Kalibrationssignale Genaue Vermessung der Eigenschaften des Top-Quarks mit großen Datensätzen Suche nach Neuer Physik mit Top- Quarks Siliziumdetektoren für LHC und Super-LHC Zentrales Detektorelement für Top- Physik und Suche nach Neuer Physik: hochpräzise Silizium-Vertexdetektoren Inbetriebnahme und Betrieb des ATLAS-Silizium-Pixeldetektors Entwicklung von Siliziumdetektoren für LHC-Upgrade zu Super-LHC Siliziumdetektoren für LHC und Super-LHC Zentrales Detektorelement für Top- Physik und Suche nach Neuer Physik: hochpräzise Silizium-Vertexdetektoren Inbetriebnahme und Betrieb des ATLAS-Silizium-Pixeldetektors Entwicklung von Siliziumdetektoren für LHC-Upgrade zu Super-LHC Top As Key to LHC Physics Signifikante Beiträge zu zentralen Fragestellungen der Elementarteilchenphysik in der LHC-Ära Top As Key to LHC Physics Signifikante Beiträge zu zentralen Fragestellungen der Elementarteilchenphysik in der LHC-Ära

7 77 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Top-Quark-Physik bei ATLAS 7 Phase I: Inbetriebnahme Herausforderung: komplexer neuer ATLAS-Detektor (100 Millionen Auslesekanälen) Top-Quarks ideal zur Optimierung der Detektor-Leistungsfähigkeit: Große Datensätze, bekannte Masse, diverse Zerfallskanäle Test aller wichtigen Signaturen im Detektor: Jets aus leichten und schweren Quarks, geladene Leptonen, Neutrinos Signatur im Detektor ähnelt Signalen Neuer Physik Phase I: Inbetriebnahme Herausforderung: komplexer neuer ATLAS-Detektor (100 Millionen Auslesekanälen) Top-Quarks ideal zur Optimierung der Detektor-Leistungsfähigkeit: Große Datensätze, bekannte Masse, diverse Zerfallskanäle Test aller wichtigen Signaturen im Detektor: Jets aus leichten und schweren Quarks, geladene Leptonen, Neutrinos Signatur im Detektor ähnelt Signalen Neuer Physik ATLAS-Detektor Top-Paar-Zerfall Kalibration [ATLAS]

8 88 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Top-Quark-Physik bei ATLAS 8 Phase II: Top-Physik in der LHC-Ära Aufbau auf große Top-Physik- Erfahrung am Tevatron, z. B. Abschätzung von Untergründen aus Daten Optimierung der Monte-Carlo- Simulation mit ersten Daten Vermessung der Eigenschaften des Top mit hoher Präzision Dilepton-Zerfallskanal: große Datensätze, geringer Standardmodell-Untergrund Beispiel: Wirkungsquerschnitt für Top-Antitop-Produktion Top als Untergrund für Suchen nach Neuer Physik, z. B. Higgs- Boson-Zerfall in zwei W-Bosonen Phase II: Top-Physik in der LHC-Ära Aufbau auf große Top-Physik- Erfahrung am Tevatron, z. B. Abschätzung von Untergründen aus Daten Optimierung der Monte-Carlo- Simulation mit ersten Daten Vermessung der Eigenschaften des Top mit hoher Präzision Dilepton-Zerfallskanal: große Datensätze, geringer Standardmodell-Untergrund Beispiel: Wirkungsquerschnitt für Top-Antitop-Produktion Top als Untergrund für Suchen nach Neuer Physik, z. B. Higgs- Boson-Zerfall in zwei W-Bosonen Top-Dilepton-Zerfall

9 99 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Top-Quark-Physik bei ATLAS 9 Phase III: Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks Fortführung und Erweiterung der Suche nach Neuer Physik mit Top Beispiel: modellunabhängige Suche nach flavorverletzenden neutralen Strömen (meine derzeitige Forschung bei CDF) LHC-Erwartung: Verbesserung der Sensitivität um Faktor 100–1000 Erstmalige Überprüfung attraktiver Modelle Neuer Physik, z. B. Little- Higgs-Modelle Erweiterter Top-Quark-Sektor verantwortlich für elektroschwache Symmetriebrechung Suche nach vorhergesagtem schweren Partner des Top-Quarks Unerwartete Neue Physik? Phase III: Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks Fortführung und Erweiterung der Suche nach Neuer Physik mit Top Beispiel: modellunabhängige Suche nach flavorverletzenden neutralen Strömen (meine derzeitige Forschung bei CDF) LHC-Erwartung: Verbesserung der Sensitivität um Faktor 100–1000 Erstmalige Überprüfung attraktiver Modelle Neuer Physik, z. B. Little- Higgs-Modelle Erweiterter Top-Quark-Sektor verantwortlich für elektroschwache Symmetriebrechung Suche nach vorhergesagtem schweren Partner des Top-Quarks Unerwartete Neue Physik? Einträge Diskriminante basierend auf invarianten Massen ` ` Ereignisse pro 40 GeV/c 2 Invariante T-Masse (GeV/c 2 ) Erwartetes Signal eines schweren Top-Quark bei ATLAS mit 300-fb –1 - Datensatz

10 10 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Siliziumdetektoren für LHC & Super-LHC 10 ATLAS-Silizium-Pixeldetektor Siliziumdetektoren: zentrale Bedeutung für Identifikation von Top-Quark-Ereignissen und Neuer Physik durch Präzisions- Spurfindung und B-Tagging Herausforderung: komplexer neuer Detektor, 80 Millionen Auslesekanäle Teilnahme an Inbetriebnahme und Betrieb, Studien zur Leistungsfähigkeit Fundierte experimentelle Ausbildung für Doktorandinnnen und Doktoranden Wichtige Servicearbeit für ATLAS: Sichtbarkeit in der Kollaboration Meine Servicearbeit bei CDF: Leitung der Siliziumdetektor-Gruppe (2006/7) ATLAS-Silizium-Pixeldetektor Siliziumdetektoren: zentrale Bedeutung für Identifikation von Top-Quark-Ereignissen und Neuer Physik durch Präzisions- Spurfindung und B-Tagging Herausforderung: komplexer neuer Detektor, 80 Millionen Auslesekanäle Teilnahme an Inbetriebnahme und Betrieb, Studien zur Leistungsfähigkeit Fundierte experimentelle Ausbildung für Doktorandinnnen und Doktoranden Wichtige Servicearbeit für ATLAS: Sichtbarkeit in der Kollaboration Meine Servicearbeit bei CDF: Leitung der Siliziumdetektor-Gruppe (2006/7) Neuartige Siliziumdetektoren für Super-LHC LHC-Upgrade (Super-LHC ab 2015): Anforderungen an Siliziumdetektoren: Dünne strahlungsharte Sensoren Infrastruktur: Mechanik, Kühlung, serielle Stromversorgung Aufgaben der Nachwuchsgruppe: Teilnahme an Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu Siliziumdetektoren für Super-LHC Enge Zusammenarbeit mit anderen Gruppen geplant (DESY, MPI München, Bonn) Neuartige Siliziumdetektoren für Super-LHC LHC-Upgrade (Super-LHC ab 2015): Anforderungen an Siliziumdetektoren: Dünne strahlungsharte Sensoren Infrastruktur: Mechanik, Kühlung, serielle Stromversorgung Aufgaben der Nachwuchsgruppe: Teilnahme an Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu Siliziumdetektoren für Super-LHC Enge Zusammenarbeit mit anderen Gruppen geplant (DESY, MPI München, Bonn) Der ATLAS-Silizium-Pixeldetektor [ATLAS]

11 11 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) Geplante Zusammenarbeit 11 Nachwuchsgruppe Dr. Ulrich Husemann Top-Quark-Physik bei ATLAS Siliziumdetektoren Nachwuchsgruppe Dr. Ulrich Husemann Top-Quark-Physik bei ATLAS Siliziumdetektoren Weiterreichende Kooperationen ATLAS-D (Helmholtz-Allianz) ATLAS-Kollaboration Weiterreichende Kooperationen ATLAS-D (Helmholtz-Allianz) ATLAS-Kollaboration DESY diverse Gruppen (geplante Zusammenarbeit mit MPI München und Univ. Bonn) Siliziumdetektoren DESY diverse Gruppen (geplante Zusammenarbeit mit MPI München und Univ. Bonn) Siliziumdetektoren 1 Doktorand/ Doktorandin DESY Dr. Klaus Mönig Top-Quark-Physik bei ATLAS DESY Dr. Klaus Mönig Top-Quark-Physik bei ATLAS HU Berlin Prof. Dr. Thomas Lohse Prof. Dr. Heiko Lacker Top-Quark-Physik bei ATLAS Siliziumdetektoren HU Berlin Prof. Dr. Thomas Lohse Prof. Dr. Heiko Lacker Top-Quark-Physik bei ATLAS Siliziumdetektoren Einbindung in Lehre 1/2 Doktorand/ Doktorandin 1/2 Techniker Postdoc 2 Doktoranden/ Doktorandinnen

12 [ATLAS] Large Hadron Collider (LHC) Neue Ära der Elementarteilchenphysik Revolution im Verständnis der fundamentalen Struktur der Materie steht bevor Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik Wichtigstes Kalibrationssignal Zentrale Rolle in Suche nach Neuer Physik Large Hadron Collider (LHC) Neue Ära der Elementarteilchenphysik Revolution im Verständnis der fundamentalen Struktur der Materie steht bevor Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik Wichtigstes Kalibrationssignal Zentrale Rolle in Suche nach Neuer Physik


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