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 Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik VH-NG-400

Die fundamentalen Bausteine der Natur 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 [DESY] Dunkle Materie „normale” Materie Dunkle Energie U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 2 2

Die Sonderrolle des Top-Quarks Seitenansicht eines Top-Quark-Zerfalls beim CDF-Experiment am Tevatron (24.09.1992) 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? [CDF] U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 3 3

Physik an Hadron-Speicherringen 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 sind „Entdeckungsmaschinen”: 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 CMS 8,5 km LHCb ALICE ATLAS [CERN] ATLAS-Detektor 40 m [ATLAS] U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 4 4

Mein wissenschaftlicher Werdegang Diplomstudium Physik Universität Dortmund (1995–2001) Sommerstudent am NOMAD- Experiment: Neutrino-Kern-Streuung Diplomarbeit am HERA-B-Experiment: Leptonpaare in Proton-Kern-Kollisionen … und Musik! [Late Show with Leon Lederman] 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 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 5 5

Zielsetzung der Nachwuchsgruppe „Top As Key to LHC Physics” Signifikante Beiträge zu zentralen Fragestellungen der Elementarteilchenphysik in der LHC-Ära 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” U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 6 6

Top-Quark-Physik bei ATLAS ATLAS-Detektor 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] Kalibration Top-Paar-Zerfall U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 7 7

Top-Quark-Physik bei ATLAS 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 U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 8 8

Top-Quark-Physik bei ATLAS 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 ` 1 2 3 4 Ereignisse pro 40 GeV/c2 Invariante T-Masse (GeV/c2) 1000 2000 Erwartetes Signal eines schweren Top-Quark bei ATLAS mit 300-fb–1- Datensatz U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 9 9

Siliziumdetektoren für LHC & Super-LHC Der ATLAS-Silizium-Pixeldetektor 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] 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) U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 10 10

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

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 [ATLAS]