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Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010Teil 2 Physik am LHC und erste Resultate Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik.

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1 Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010Teil 2 Physik am LHC und erste Resultate Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften

2 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz2 Offene fundamentale Fragen LHC-Beschleuniger, inkl. aktueller Stand (L int, L max, bunches) Fundamentale offene Fragen Experimente und ihre Physikziele Bekannte Standardmodellphysik SM-Higgs und SUSY Higgse Supersymmetrie Exotika (BSM-Szenarien) - Extradimensionen - Compositeness - Z, W, heavy neutrinos B-Physik Schwerionenphysik Inhalt

3 Ma. Laach, Sep J. M. Campbell, J. W. Huston, W. J. Stirling: Hard interactions of quarks and gluons: a primer for LHC physics, 2007 Rep. Prog. Phys arXiv:hep-ph/ v1 T. Han: Collider Phenomenology: Basic Knowledge and Techniques, M. Cacciari, G. Salam: The anti-k T jet clustering algorithm (2008) arXiv:hep-ph/ v2 P. Ryan (ATLAS Collaboration): Single-Top Cross Section Measurements at ATLAS arXiv:hep-ex/ v1 delete: A. Pich: The Standard Model of Electroweak Interactions, Literatur und Quellen C.-E. Wulz3

4 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz4 Offene fundamentale Fragen Ursprung und Hierarchie der Teilchenmassen Gibt 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 Antimaterie Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos? Was ist die dunkle Energie? Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement Quark-Gluon-Plasma Wie entstand das Universum? Offene Fragen der Physik

5 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. KRAFTRELATIVE STÄRKE REICHWEITEVERMITTLER Stark mGluonen Schwach mW, Z Elektromagnetisch (10 -2 ) unendlichPhoton Gravitationell unendlichGraviton 5C.-E. Wulz Ma. Laach, Sep. 2010

6 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). C.-E. Wulz 6Ma. Laach, Sep. 2010

7 C.-E. Wulz7 Ma. Laach, Sep SU(3) C x SU(2) L x U(1) Y Quarks Leptonen Kräfte

8 C.-E. Wulz8 Ma. Laach, Sep Erste Aufgabe des LHC: Wiederentdeckung des Standardmodells Wiedersehen mit alten Bekannten ….

9 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz9 Resonanzen PDG Masse: GeV Ξ Λ π Signal : 222 ± 11 Ereignisse Untergrund : 28 ± 2 Ereignisse Massenpeak : (3.09 ± 0.01) GeV Massenauflösung: (0.07 ± 0.01) GeV Λ π-π- π-π- p J/ e + e - J/ + - K S 0 + -

10 Ma. Laach, Sep Quantenchromodynamik, Jets C.-E. Wulz10 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

11 Ma. Laach, Sep Jetalgorithmen C.-E. Wulz11 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! Infrarotsicherheit Jets sollen unabhängig von soft-Komponenten gefunden (underlying event, pileup, etc.) werden. Kollinearitätssicherheit Jets sollen gefunden werden, egal ob ein Teilchen oder zwei kollineare Teilchen mit derselben Energie im Spiel sind.

12 Ma. Laach, Sep Konusalgorithmen C.-E. Wulz12 Konusalgorithmen - Nähe im Winkelraum Jets überspannen Kegel mit fixem Radius im ( -Raum ( R 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).

13 Ma. Laach, Sep k T - Algorithmen C.-E. Wulz13 (Anti-) k T - Algorithmen - Nähe im Impulsraum p = 1 … k T -Algorithmus p = 0 … Cambridge/Aachen Algorithmus p = -1 … Anti-k T -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) k T, y, … Transversalimpuls, Rapidität, Azimut d ij … Minimaler relativer Transversalimpuls zwischen i und j, R O(1)… Radiusparameter Wenn d ij Fusion von i und j (Pseudojet) Wenn nicht, wird i zur Liste von Jets hinzugefügt. k T … natürlichere Form der Jets Konus

14 Ma. Laach, Sep Inklusive Jetwirkungsquerschnitte C.-E. Wulz14 Die Messung von Jetspektren ist aus folgenden Gründen wichtig: QCD-Tests (running s ) PDF Signale für neue Physik in der Region mit hohem p T (z.B. Compositeness) -> Schlechte Abschätzung der Fehler in den QCD-Voraussagen (PDF, R, F ) kann neue Physik vortäuschen, aber auch verbergen! Kenntnis der Energieskala von Jets (jet energy scale) ist ebenfalls enorm wichtig, da Einfluss auf jet groß! Untergrundabschätzung für Suchen R wird zur Abschätzung des Einflusses von Korrekturen höherer Ordnung variiert, typisch zwischen 0.5 p T und 2p T des höchstenergetischen Jets. R... Renormierungsskala, F... Faktorisierungsskala

15 Ma. Laach, Sep Jet Energy Scale C.-E. Wulz15 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%.

16 Ma. Laach, Sep Jetauflösung C.-E. Wulz16 Jetspektren werden durch Auflösungseffekte verzerrt, daher muss man die Auflösungsfunktion bestimmen und anschließend das tatsächliche Spektrum durch Entfaltung berechnen. Echtes Spektrum: … 4 bis 6, Spektrum fälllt steil ab! Gemessenes Spektrum: Res … Auflösungsfunktion (~ gaussförmig) p T … tatsächlicher Jettransversalimpuls … Detektorauflösung

17 Ma. Laach, Sep Inklusive Jetwirkungsquerschnitte C.-E. Wulz17 Gute Übereinstimmung mit NLO (Ordnung s 3 )... noch... ?

18 Ma. Laach, Sep Compositeness C.-E. Wulz18 Fermionen könnten eine Substruktur haben (Präonen). Kontaktwechselwirkung Q << C Neue WW C … Compositeness-Skala … Interferenzparameter (±1) … Diracmatrizen … Diracspinoren g 2 /4 = 1 Achtung: Nachweis von Kontaktwechselwirkungen ist nicht unbedingt Beweis für Compositeness, da andere neue Phänomene ebenfalls durch eine Kontakt-wechselwirkungs-Lagrangedichte beschrieben werden können!

19 Ma. Laach, Sep Compositeness in 2-Jet-Verteilungen C.-E. Wulz19 CMS 2.7 (aktuelles Limit)... Pseudorapiditätsdifferenz der zwei höchstenergetischen Jets Verhältnisse im Gegensatz zu Wirkungsquerschnitten fast nicht abhängig von PDF. Bis mindestens C = 10 TeV sollte man bei LHC Hinweise auf Compositeness erhalten können.

20 Ma. Laach, Sep Compton-StreuungAnnihilation Direkte Photonproduktion C.-E. Wulz20 Das Studium der Produktion von isolierten Photonen (Photonen in Jets kommen meist aus Zerfällen von und Mesonen) ist aus folgenden Gründen wichtig: Präzisionstests für perturbative QCD Gluonenverteilung im Proton, PDF Kalibration der Jetenergieskala Untergrund für z.B. H G f* f

21 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz21 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

22 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz22 Bevorzugt für Analyse: Leptonische Zerfallskanäle W -> e, W -> … transversale Masse (Jacobi-Peak) Vektorsumme von E T 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 W + und W - werden am LHC mit unterschiedlichen Raten erzeugt, da u- gegenüber d-Quarks dominieren. W

23 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz23 Z Z -> e + e -, Z -> + - 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

24 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz24 Ma. Laach, Sep Z -> Z ->

25 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz25 1. Beauty-Ereignis: B + (bu) -> K + + J/ 1. Beauty-Ereignis: B + (bu) -> K + + J/ _ B: ps, Zerfallslänge ca. 2 mm

26 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz26 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: c 450 m, L = c einige mm Impaktparameter einer Spur: Kürzester Abstand zum Primärvertex (3-dimensional oder transversal)

27 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz27 ATLAS Pixeldetektor

28 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz28 B-Tagging bei CDF Massenverteilung für das W + 4 Jets Sample ohne b-Tagging. Gelb: Untergrund (ohne tt) mit b-Tagging. Massenverteilung für das W + 4 Jets Sample mit b-Tagging. Untergrund ohne (punktiert) und mit tt (strichliert) ist ebenfalls eingezeichnet. - -

29 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz29 Top-Antitop LHC: 87% LHC: 13% Das Top-Quark ist aus mehreren Gründen interessant: Hohe Masse: m t = (173 ± 0.6 stat. ± 1.1 sys. ) GeV (Tevatron) Yukawa-Kopplung t = ± > 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 -> e, (leptonisch), W -> + Jet (semileptonisch)

30 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz30 + Jets Topkandidat p b W+W+ t W-W- l-l- p b-jet l+l+ 14. Juli 2010 Rekonstruierte Topmasse: 210 GeV Massen der Jets ohne b-Tag (3 Kombinationen): 104, 105 und 151 GeV Selektion: 1 mit hohem p T E T miss > 100 GeV 4 Jets, davon mindestens einer mit b-Tag Mehr Statistik wird noch für endgültige Bestätigung gebraucht!

31 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz31 Single Top Dominant bei Tevatron und LHC Klein bei Tevatron, signifikant bei LHC s-Kanal Drell-Yan t-Kanal Wt-Kanal Tevatron Klein bei Tevatron und LHC LHC 14 TeV t: (246 ± 10.2) pb s: (10.7 ± 0.7) pb Wt: (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. _ _

32 Präzisionsmessungen C.-E. Wulz 32Ma. Laach, Sep … Gemessener Mittelwert Schleifenkorrekturen 0.5% (18.5 )! 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:

33 Globale Fits C.-E. Wulz 33 Fitparameter: M Z, M H, m t, had (5) (M Z 2 ), S (M Z 2 ), m c, m b aus Messungen bei SLC, LEP, Tevatron. Grünes Band: 1 -Ergebnis für die erlaubte Higgs- Masse, die sich aus allen Messungen ergibt. Messpunkte: wenn man z.B. M Z im globalen Fit ignoriert, kann man noch immer die Higgsmasse fitten. Man würde dann einen sehr niedrigen Wert bekommen, ( ) GeV. Die Z-Breite Z hat jedoch überhaupt keinen Einfluss. Ma. Laach, Sep. 2010

34 34 BACKUP

35 35

36 Ma. Laach, Sep C.-E. Wulz36 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. _ t-Kanal W-g-Fusion s-Kanal Drell-Yan Klein bei Tevatron und LHC Dominant bei Tevatron und LHC Klein bei Tevatron, signifikant bei LHC


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