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Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Die Entdeckung des Top Quarks [1]

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Präsentation zum Thema: "Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Die Entdeckung des Top Quarks [1]"—  Präsentation transkript:

1 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Die Entdeckung des Top Quarks [1]

2 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Zentrale Fragen: Warum suchte man das Top - Quark? Wie suchte man das Top - Quark? Wie geht es mit dem Top – Quark weiter?

3 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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

4 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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 [2]

5 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Direkte (erfolglose) Suchen nach dem Top - Quark BeschleunigerBetrieben abMaximale Schwerpunkts- energie [GeV] PETRA – 23 SppS – 310 TRISTAN – 30 LEP – 50 SLC [3]

6 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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 [1]

7 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Topproduktion am Tevatron Quark-Antiquark-AnnhilationGluon-Gluon-Fusion 90% 10% [4]

8 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Es gibt 2 Kollaborationen am Tevatron Die CDF KollaborationDie D0 Kollaboration [4] [1]

9 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der CDF Detektor Technische Details: 12m x 12m x 12m 5.000t Magnet mit 1,4 Tesla [1]

10 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Mehrere Detektionssysteme mit verschiedenen Aufgaben [1]

11 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Das Detektionssystem [1]

12 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Silizium Vertex Detektor Kontakte 20µm dicke Siliziumstreifen [1]

13 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Die Driftkammer Oben und unten je ein Detektor in der Mitte eine gasgefüllte Drahtkammer Signal Prinzip: Geladene Teilchen ionisieren GasElektronen driften mit konstanter Geschwindigkeit zu Anodendrähten Genaue Spurrekonstruktion durch Messung der Driftzeit

14 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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

15 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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

16 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Die Myon-Driftkammern Zur Detektion von Myonen werden Driftkammern verwendet. Nur Myonen gelangen in die äußeren Driftkammern [1]

17 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks [1]

18 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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 [4] [5]

19 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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 [4]

20 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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]

21 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Pseudorapidität | η | [4]

22 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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]

23 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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 [5]

24 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Dileptonische Zerfallskanal Zusammenfassung: Nur wenig Ereignisse Aber vergleichsweise geringer Hintergrund Ereignisse CDF 1995: [1]

25 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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: [4]

26 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Der Semileptonische Zerfallskanal Bestimmung 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]

27 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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 [1]

28 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks SLT-Tagging Soft-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

29 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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: Beobachtung des Top–Quarks (1995) [1]

30 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Identifikation des Top-Quark Das Top verglichen mit Hintergrund (CDF 2008) [1]

31 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Identifikation des Top-Quark Erwartete Ereignisse: Hintergrund vs. Top-Produktion (CDF 2008) [1]

32 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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]

33 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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 [1]

34 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks 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]

35 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks CDF 1995 Phys. Rev. Letter 74, 2626

36 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Rekonstruktion der Top-Quark Masse Die ersten Ergebnisse sind noch mit großen Fehlern behaftet. Mit steigender Statistik werden die Fehler kleiner. [1]

37 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Ausblick Vorhersage zur Higgs - MasseProzesse zur Higgs - Erzeugung Einzeltop - Erzeugung Starke Top-Erzeugung am LHC Top-Kenntnisse lassen sich zur Kalibration der Detektoren dort nutzen [4]

38 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Bildnachweis [1] [2] Search for the Top Quark – Peter Erhard [3] Bergmann Schäfer – Lehrbuch der Experimentalphysik – Band 4 Teilchen – de Gruyter 1992 [4] d0.fnal.gov/Run2Physics/top/top_public_web_pages/top_dzero_detector.html [5]www.wikipedia.org

39 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Literatur Top Physics at CDF – Richard E. Hughes 1995 Observation of the Top Quark (D0) – Phys. Rev. Letter Observation of Top Quark Production in ppbar Collisions with CDF at Fermilab – Phys. Rev. Letter 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

40 Daniel Stemmer - Die Entdeckung des Top Quarks Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit [Bilder vom DESY]


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