Das CMS-Experiment Rundgang durch ein Experiment der Hochenergiephysik Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück (Peter Schleper) Universität Hamburg Winter-Semester 2004/05

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Vorlesung 9 QCD Physik schwerer Quarks B Physik Top Physik WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS QCD WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Warum QCD am Tevatron und LHC? Stöße von Protonen mit (Anti)-Protonen, fundamentale Prozesse: Quarks/ Gluonen Verständnis von Parton-Verteilungsfunktionen wichtig. Abdeckung von neuen kinematischen Bereichen in x, Q2(siehe Vorlesung 5) Tests von perturbativer und nicht perturbativer QCD (SM Physik) Suche nach neuer Physik. (Abweichung von SM) 102 103 104 105 106 10 10-1 1 Q2 (Gev2) x 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 (siehe Vorlesung IV) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Inklusive Jet Wirkungsquerschnitte (inkl.: Alle Jet Multiplizitäten) 2<|y|<2.4 |y|<0.5 1.5<|y|<2.0 Gute Übereinstimmung von Theorie und Daten über viele Größenordnungen! Wirkungsquerschnitt als Funktion der Rapidität h enthält Info über PDF: Zusammenhang h, x: x ähnlich kleines h (zentral), x verschiedengroßes h, vorwärts). WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Invariantes Zweijet-Massen-Spektrum Übereinstimmung von Daten und Theorie. Geeignet zur Suche nach Physik jenseits des SM. (Erhöhter WQ bei hoher Masse): Z´, Quarks mit Substruktur,... WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Dijet Ereignis mit größter Masse WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS B-Physik WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Quark Flavor im SM CKM Mixing Matrix ermöglicht Übergänge zwischen Quark-Familien. Quark Schwache  Masse Eigenzustände 3 Winkel 1 komplexe Phase  CP-Verletzung CPV beobachtet m(qi) ≠ m(qj) b u W- weak Masse Wolfenstein Parameterisation A = 0.801 ± 0.025  = 0.2265 ± 0.0024  = 0.189 ± 0.079  = 0.358 ± 0.044 CKMFitter Group: hep-ph/0406184 Stärke der CPV J = A2 6  ~ (710-5)  WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

B-Produktion und Mesonen-Merkzettel B- : bu B0 : db BS : bs J/ : cc D0 : cu D+ : cd K+ : us KS0 : (ds-sd)/sqrt(2) f0 : ss  : (uu+dd-2ss)/sqrt(6) ±, ± : ud WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Eigenschaften des von B Systemen Schwach zerfallene B-Hadronen Neutrale B-Mesonen mischen: 1987 von ARGUS & UA1 beobachtet  Vorhersage eines schweren top Quarks 8 Jahre vor direkter Entdeckung. Hadron Masse [MeV] Lebensd. [ps] 5279 1.67 1.54 5370 1.46 6400 0.5 5624 1.23 Große Masse  Viele Zerfallskanäle >100 beobachtet für Bd kleine QCD Korrekturen Lange Lebensdauer (B) ~ 4 (D) ~ 5 () fliegen O(1mm) an Beschleuniger-Exp. B-Hadronen haben große CPV Struktur der CKM-Matrix md ~ 0.5 ps-1 ; ms > 15 ps-1 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Das B-Dreieck Unitarität von VCKM  6 Dreiecke: Eines hat all Seiten ~ gleich Winkel  CPV in B0  ,,  CPV in B0  J/ K0,,’ CPV in B0  ,,’ K0  CPV in B±  D0 K± (ubcu us) CPV in B0  D(*)+ - Seiten Ru B.R.(B  Xc,u lv) Rt Bd Mixing Andere , CPV im K0 System K+  + v v  K0  0 v v (0,1)    (0,0) (,) Unitarity Triangle WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

B-Tagging - - B Zerfallsprodukte Zerfallslaenge einige mm Stoss Impact Parameter Zerfallsvertex B Zerfallsprodukte b-Quarks sind wichtig in vielen Bereichen: Higgs- Physik (ZHbb) Top-Physik ( t->Wb) B-Physik b-Quarks haben eine endliche Lebensdauer zerfallen nach einigen mm (bcW, buW) versetzte Spuren, evtl. Weiche Leptonen von Wln b -Tagging Methoden: Vertex Tag (zweiter versetzter Vertex) versetzte Spuren: Impact Parameter Tag Soft Lepton Tag: m, (e) - - b c, u W- WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Wo wir heute stehen Param Mode Messung sin 2 0.726 ± 0.037 0.39 ± 0.10  (100 ± 10)o  Acp(BD(*)K) (77 ± 25)o |Vcb| x 103 BD(*)/Xc lv 41.4 ± 2.1 |Vub| x 103 BXu lv 4.66 ± 0.43 |K| x 103 KL, KS 2.282 ± 0.017 md (ps-1) Bd mixing 0.502 ± 0.007 ms (ps-1) Bs mixing > 14.5 HFAG summer 2004 Frage: Reicht die CKM Phase aus, CPV in Flavor-verändernden Prozessen zu erklären? SM Fit Wahrscheinlichkeit ~ 70% Möglicherweise ja. (jedenfalls dominiert die CKM Phase die CPV) CKMFitter – ICHEP 04 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS B Mixing Schwache  Masse Eigenzustände  Neutrale B Mesonen können mischen Zeitliche Evolution WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Bd BS Schnelle Oszillation: BS Mixing schwer zu beobachten. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Status von Mixing heute md = 0.502 ± 0.007 ps-1 30 eigene Messungen! ms > 14.5 ps-1 (95% CL) Heavy Flavour Averaging Group Winter 2004 Update WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Die Bs Analyse 1) Bs Identifikation: Ds(*) ln BR ~ 10% mehr Stat’s, schlechteres t Ds(*) n (bbarcbar u dbar) BR ~0.5% weniger Stat’s, bessere t Ds  , K*0K  KK, K*K 2) Für Mixing Analyse: Bestimmung der “Proper Time” (Eigenzeit im Meson-System): Wie oft oszilliert das Meson Zerfallslänge Lxy ct = L /  brauchen B-Impuls! 3) Gemischt oder nicht gemischt Flavor bei Produktion Flavor beim Zerfall 4) Fit von ms. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Mixing Analyse II Flavor-Tagging bei Produktion mithilfe der “anderen Hemisphere” Weiches Lepton-Tag (Myon) -Ladung  b-Ladung Jet Ladungs-Tag Flavor-Tagging bei Produktion mithilfe der ”gleichen Hemisphere” Ladung des führenden nicht-Bs Hadron B**  B h oder Fragmentation Flavor-Tagging beim Zerfall D-Ladung  b-Ladung Bs   Ds X ~25 / pb-1 WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

“B0”  D*- + X (JetQ+SST) Bd Mixing Kontroll-Sample B   D* X ~100 pb-1 cd “B+”  D0 + X (JetQ+SST) DØ Preliminary: 200 pb-1 Unmix-Mix Asym(t) “B0”  D*- + X (SLT) “B0”  D*- + X (JetQ+SST) ctvis (m) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS B Rekonstruktion bei D0 Bd  J/ Ks0 B±  J/ K± X(3872)  J/ + - B   D* X ’  J/ + - WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Top-Physik WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Top Physik: Einführung 1995 Entdeckung des top quark am Fermilab CDF, PRL 74, 2626 (1995) DØ, PRL 74, 2632 (1995) SM Quark Sektor vollständig Schwerstes bekanntes SM Teilchen Test von SM Parameter Suchen jenseits des SM Experimentelle Herausforderung: Geringer Wirkungsquerschnitt und großer Untergrund. Das Tevatron ist zur Zeit der einzige Beschleuniger, der solch schwere Teilchen erzeugen kann! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Top Physik: Einführung Schwerstes bekanntes Teilchen: 180 GeV  Messung der Eigneschaften des am wenigsten bekannten Quarks  Top Quark Masse beschränkt Higgs Mass  Sensitiv auf neue Physik  Kurze Lebensdauer: nacktes Quark (keine Fragmentation) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Top Produktion und Zerfall Am Tevatron werden Top Quarks hauptsächlich paarweise durch starke WW erzeugt. Zerfall im SM 100% nach Wb Klassifikation der top Zerfälle nach W Zerfall: 85% 15% % e   qq 1.2 2.5 14.8 44.4 WQ für die Top-Paar-Produktion bei 1.96 TeV: 6.7 pb Top Zerfallskanäle: di-lepton, lepton+jets, all jets WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Auswahl von Top-Ereignissen “Di-Lepton” Mode  geringer Untergrund: Bi-Bosons, Drell-Yan, ...  Wenig statistik: ~5% for e, m decays “Lepton+Jets” Mode (bester Mode)  6x größere Statistik als Di-Lepton  Untergrund hauptsächlich W+jets  Sauberer Datensatz durch b-Tagging erreicht werden “All Jets” Mode  ~50% Verzweigungsverhältnis  hoher QCD Untergrund, jet-Kombinatorik Auswahl von Ereignissen mit  Leptonen mit großem Pt  Mehrere Jets mit großem Et  Großer fehlender Transversalimpuls Et(n)  Versetzter Vertex für b-Jets WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Top-Wirkungsquerschnitte WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Beispiel: DØ Top Wirkungsquerschnitt im Lepton+jets Kanal Ereignissauswahl (Topologische Methode) Leptonen mit großem Pt großer fehlender Transversalimpuls mindestens 4 jets(kein b Tagging) Top Auswahl mittels topologischer Diskriminante. Single b tag Double b tag Alternative: Tagging der Jets aus b-Zerfällen mithilfe “Displaced Vertex Algorithmus” Untergrund wird stark reduziert. WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Run II Top Quark Wirkungsquerschnitt: Übersicht Erfolgreiches Programm von Top Analysen in vielen Kanälen. Ergebnisse konsistent mit NNLO SM Vorhersage für 1.96 TeV: 6.7pb WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Top-Masse WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Messung der Top Quark Masse Fundamentaler Parameter im Standardmodell. Top Masse beschränkt Higgs Masse (zusammen mit W Masse). Neue Run I Messung im l+jets Kanal von DØ von D (125 pb-1): “Matrix Element Methode” Benötigt genaue Kentniss von Top Quark Zerfall und Detektor Response.  Wahrscheinlichkeitsfunktion für jedes Ereignis als Funktion von mt Phasenraum x LO ME Wahrscheinlichkeit für Observable x wenn y produziert wurde (Bsp: Quark ET  Jet ET) PDFs Gegenwärtig präziseste Messung der Top-Masse! mt = 180.13.6(stat)3.9(syst) GeV WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Run II Top Masse (Beispiele) di-Leptons “Dynamical Likelihood Method” ~ D0 “Matrix Element Methode” Präziseste Run II Messung bisher. Ideogram Template mt = 1706.5(stat)+10.2/-5.7(syst) GeV mt = 177.55.8(stat)7.1(syst) GeV WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Zusammenfassung Top Masse Systematischer Fehler dominiert jetzt! (Jet energy scale) Neues Run I Ergebnis (aufgrund neuer D0 Methode) mt = 178.04.3 GeV (Vorher: mt = 174.35.1 GeV) WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Single Top WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Single Top Quark Produktion ss =0.88±0.07 pb Elektroschwache Produktion von top Quarks Direkte Messung von Vtb möglich! WQ nicht klein: 40% ttbar! Aber: Experimentell schwierig: Großer Untergrund von W+jets, ttbar, multijets b-tagging besonders wichtig st =1.98±0.21 pb Bisher noch nicht entdeckt! Tevatron Run 1 Limits: CDF: ss < 18 pb, st < 13 pb, ss+t < 14 pb DØ: ss < 17 pb, st < 22 pb Entdeckung erwartet am Tevatron mit 1-2 fb-1! WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Run II Erwartungen WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Zusammenfassung QCD: Vorstoßen in neue kinematische Bereiche am Tevatron und LHC: PDF Beschränkung Messung von SM Physik Physik jenseits des SM? B-Physik: Sehr aktives Gebiet am Tevatron. CP-Verletzung. Beobachtung von BS Mixing mit 1-2 fb-1. Top Physik: Schwerstes bisher bekanntes SM Teilchen Produktion bisher nur am Tevatron Top Masse eines der wichtigsten SM Parameter Single Top im Run II... WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS