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3.11.2003Raimund Ströhmer, LMU München1 Die Bestimmung der Massen von W-Boson und Top-Quark für den Präzisionstest der elektroschwachen Theorie Motivation.

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1 Raimund Ströhmer, LMU München1 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

2 Raimund Ströhmer, LMU München2 Die elektroschwache Wechselwirkung Fermi hat zur Erklärung des  Zerfalles eine 4-Fermion Wechselwirkung eingeführt. Um Divergenzen bei hohen Schwerpunktsenergien zu vermeiden, werden massive Eichbosonen eingeführt. Im Standardmodell werden die Massen der Eichbosonen durch den Higgsmechanismus erklärt. Konsistente Theorie mit wenigen Parametern

3 Raimund Ströhmer, LMU München3 Die Masse des W-Bosons In niedrigster Ordnung ist die W-Masse durch 3 Parameter bestimmt. (Üblicherweise: M Z, G   ) Zusätzliche Abhängigkeit von M Top und M Higgs durch Beiträge höherer Ordnung Messung von M w und M Top testet das Standardmodell auf dem Niveau von Schleifen-Korrekturen.

4 Raimund Ströhmer, LMU München4 Bestimmung der W-Masse am LEP e + e - - Collider: 27 km Umfang LEP I: E CM = 91 ±3 GeV, 4 x 4  10 6 Z 0 LEP II: E CM = GeV, 4 x 10  10 3 W-Paare

5 Raimund Ströhmer, LMU München5 W-Paar Produktion 68% der W-Bosonen zerfallen hadronisch

6 Raimund Ströhmer, LMU München6 Ereignistopologien hadronisch (46%) Keine fehlende Energie. Zuordnung von Jets zu Ws Endzustandswechselw. semileptonisch (44%) Rekonstruktion des Neutrinos  aus Impuls- und Energieerhaltung leptonisch (10%) Vollständige kinematische Rekonstr. nicht möglich, M w aus Energiespektrum

7 Raimund Ströhmer, LMU München7 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.

8 Raimund Ströhmer, LMU München8 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.

9 Raimund Ströhmer, LMU München9 Massenbestimmung: Methode 2 Bestimmung 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

10 Raimund Ströhmer, LMU München10 Systematische Unsicherheiten Strahlenergie -Aufgrund des kinematischen Fits Detektorauflösung -Kalibrierung mit Z 0 -Ereignissen Elektromagnetische Korrekturen -Anfangs- und Endzustandsstrahlung -Virtuelle Korrekturen Hadronisation Endzustandswechselwirkungen

11 Raimund Ströhmer, LMU München11 Hadronisation Abschätzung des Fehlers durch Vergleich verschiedener Modelle bzw. Modellparameter, die die LEP I Z 0 -Daten gut beschreiben. Übergang von farbigen Quarks und Gluonen in Hadronen kann nur durch Modelle beschrieben werden. Systematische Unsicherheiten wegen: Zuordnung von Teilchen zu Jets Mindestimpuls von Teilchen Schlechte Energieauflösung für neutrale Hadronen Behandlung aller geladenen Teilchen als Pionen

12 Raimund Ströhmer, LMU München12 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.

13 Raimund Ströhmer, LMU München13 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.

14 Raimund Ströhmer, LMU München14 Die W-Boson Masse Dominante Fehler in MeV qql qqqqKomb ISR/FSR Hadronisation Detektor LEP Strahlenergie 17 Color Recon Bose-Einstein tot. syst. Fehler stat. Fehler

15 Raimund Ströhmer, LMU München15 Das Tevatron am Fermilab bei Chicago Run I: pb -1 bei  s = 1.8 TeV Run II: seit 2001 geplant 4-9 fb -1 bei  s = 1.96 TeV Detektor Upgrades: Spurkammern (zentrales Magnetfeld für D0) Silizium Vertexdetektoren, Trigger und Elektronik, u.a.

16 Raimund Ströhmer, LMU München16 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: Dominante Fehler: Statistik, Lepton-Energieskala (bestimmt aus Z 0 - und J/  -Ereignissen)  große Verbesserungen in Run II erwartet

17 Raimund Ströhmer, LMU München17 Der Level 2 Myontrigger bei D0 Bestimmung 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 

18 Raimund Ströhmer, LMU München18 Top Produktion Paar-Produktion 85% 15% t W b t W b BR( t → Wb ) ≈ 100% σ theory ≈ 7 pb b-Jet: Identifiziert durch Sekundärvertex oder Lepton Ereignistopologie bestimmt durch W-Zerfälle Dilepton (e  5% Lepton (e  Jets 29% Nur Jets 46%  +X 20%

19 Raimund Ströhmer, LMU München19 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 M Top -Benutze alle Kombinationen -Fehler des neuen D0 Ergebnises entspricht 2.5 mal höherer Statistik D0 Lepton+jets -

20 Raimund Ströhmer, LMU München20 Sekundärer Vertex-Tag 6 Barrels 12 F-disks 4 H-disks D0 Silizium- Vertexdetektor Lange B-Hadron-Zerfallslänge: (c  m)  Boost  L xy ~ 3mm Der Zerfall hat hohe Multiplizität.

21 Raimund Ströhmer, LMU München21 Der SVX2/SVX3 Auslesechip 132 ns Bunch-Spacing 5  s L1 Entscheidungszeit Auslese für L2 Trigger -Auslese nur von Kanälen mit Signal über einer Schwelle -Dynamische Pedestal Subtraktion Strahlenhärte (4MRad getestet) Anforderungen: Analoge Pipeline

22 Raimund Ströhmer, LMU München22 Der SVX3 Auslese Chip Speichern des analogen Signals in Pipelinezellen. Gleichzeitiges Lesen und Schreiben von unterschiedlichen Pipelinezellen  Totzeitlose Auslese

23 Raimund Ströhmer, LMU München23 Zusammenfassung Das Standardmodell wir auf dem Niveau von Quantenkorrekturen bestätigt. M Top = ± 5.3 GeV/c 2 M W = ± GeV/c 2

24 Raimund Ströhmer, LMU München24 Aussichten Tevatron Run II und LHC -Analysen werden systematisch limitiert sein. M Top : Jetenergie und Endzustandsgluonstrahlung (1-2 GeV) M W : Leptonenergieskala, fehlende Energie (10-20 MeV) -Reduktion der systematischen Fehler durch große Kontrollensemble e  e  Linearbeschleuniger -Bestimmung von M Top und M W durch einen Scan der Schwerpunktsenergie an der Paarproduktionsschwelle. -Erwartete Genauigkeit:  M Top  200 MeV,  M W  2 MeV,


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