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 7 Elektroschwache Physik am Tevatron und am LHC QCD (top Physik: in Vorlesung über schwere Quarks) WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Elektroschwache Physik WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Das Fermilab Tevatron 1992-96 Run 1 2001-2005 Run 2a 2006-2008… Run 2b 1.96TeV, 20x mehr Daten 2006-2008… Run 2b 1.96TeV, 150 x mehr Daten CDF DØ Collider Run II Integrated Luminosity delivered ~ .65 fb-1

Teilchenproduktion am Tevatron (LHC) Beschleunigung und Kollision von (Anti)-Protonen: Kollisionen zwischen den Konstituenten: Underlying Event u d g q Hard Scatter Interessante Ereignisse weisen große Impulse senkrecht zum Strahl auf. WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Die Detektoren am Tevatron DZero Run II Upgrades 2T Solenoid Tracking Preshower Verbessertes μ System Trigger, DAQ CDF Run II Upgrades Innere Spurkammern Forward Kalorimeter Erweiterte μ Abdeckung  = -1  = -2 WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Beispiel: Die Kollaboration 644 Mitglieder 73 Institute 18 Länder WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Elektroschwache Physik am Tevatron und LHC: Roadmap Di-Boson Wirkungsquerschnitte Jenseits SM: Di-Bosons Kopplungen Z’-Resonanz anomale q- Kopplungen Tri-Boson Kopplungen W, Z Wirkungs- querschnitte Z Vorwärts-Rückwärts Asymmetrie W Asymmetrie sin2(θW), Quark-Kopplungen Indirekte Γ(W) Beschränken der Higgs Massse W Masse Lepton Universalität Direkte Γ(W) WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

W/Z Produktion und Ereignis-Topologie Analyse sauberer leptonischer Zerfälle Wirkungsquerschnitte groß und gut bekannt: s  br  0.2-2.3 W @ 1Hz at 2x1032 cm-1s-1 Systematische Fehler dominieren: Luminosität ~ 5% PDF ~1-2% Lepton ID (~1-2%) Dominiert durch qq- Annihilation Z energetische Leptonen mit entgegengesetzter Ladung W ± energetisches Lepton + ET Geringer Untergrund WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Inklusive Wirkungsquerschnitte WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

W und Z Wirkungsquerschnitte Test der Konsistenz with SM Kopplungen Beschränkung der Proton Parton-Verteilungsfunktionen (PDF’s) Verständnis von QCD Korrekturen höherer Ordnung WQ vergrößert durch K-Factor q W q W O(as) g q’ q’ g q’ Weitere Gründe für diese Messungen Gutes Verständnis des Detektors wird verlangt: Effizienz, Untergrund, Auflösungen, Luminosität W’s können zur Luminositätsmessung benutzt werden WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

W und Z Wirkungsquerschnitte: Ein Zählexperiment Untergrund Integrierte Luminosität Akzeptanz (Monte Carlo) Effizienzen aus Daten wenn möglich Diese Messungen mit Daten von Sept ’02Jun ‘04 WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Z Produktion (Auswahl) Zwei Leptonen, ET > 25 (20) GeV Wenig Untergrund von QCD, Z   177.3 pb-1 4625 evts total*A ~ 10 (30)% Purity 98% DØ : = 264.9 ±3.9 stat ±9.8 syst ±17.2 lum (pb) (Elektronen) DØ : = 291.3 ±3.0 stat ±6.9 syst ±18.9 lum (pb) (Myonen) WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

W Produktion (Auswahl) Ein Lepton, pT > 25(20) GeV and ET > 25(20) GeV Untergrund: QCD, Wtn, Zee/µµ Longitudinaler Impuls des n unbekannt “transversale Masse”. 177.3 pb-1 116569 evts total*A ~ 23(10)% Purity 97/90% CDF: = 2786 ± 12 stat ± 60 sys ±166 lum (pb) (Myonen) DØ : = 2865 ±8 stat ±75sys ±186 lum (pb) (Elektronen) WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

W/Z WQ: Zusammenfassung Gegenwärtige, vorläufige Ergebnisse Konsistent mit SM Theoretische Rechnung (NNLO) von Hamberg, van Neerven and Matsuura WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Indirekte W Breite Form ratio: SM EW W Breite Perturbative QCD LEP Messung CDF: R(e+μ) = 10.92 ±0.15 stat ± 0.14 syst DØ : R(e) = 10.82 ± 0.16 stat ± 0.28 syst W Breite: ΓW=2078.8 ±41.4 MeV (CDF) Welt Mittelwert = 2118 ±42 Mev Theorie: 2.0921 ± 0.0025 GeV Vcs = 0.967 ±0.030 WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS W/Z mit t-Leptonen t-Zerfallskanäle: leptonisch 1-Prong hadronisch schmaler Jet, 1 Track 3-Prong hadronisch schmaler Jet, 3 Tracks Z t(had.)t (lept) W t(had.) DØ: s(Ztt) = 256 ±16sta ±17sys ±16lumi pb CDF:s.Br (Wtn) = 2.62 ±0.07stat ±0.21sys ±0.16lum nb WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Lepton Universalität CDF: e-m Universalität mit Rm/Re = g2m/g2e gm/ge = 0.998 ±0.004sta ±0.011sys Br(Wtn)/Br(Wen) = 0.99 ±0.04±0.07  gt/ge = 0.99 ± 0.02sta ±0.04sys WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS W und Z Asymmetrien WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Z→e+e− Vorwärts-Rückwärts Asymmetrie P e+ e− θ AFB P Winkel between p and e− f f ’ Z0 / g* Afb erzeugt durch Vektor (V) und axial-Vektor (A) Kopplungen Kombination von V und A Kopplungen steuern zu ds/dcosq dMee bei. Afb  sin2(θW), u, d Kopplungen ans Z. Massen-Abhängigkeit getrennt sensitiv auf u- und d-Quarks Interferenz zwischen Z und g*-Austausch. WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS AFB bei e+e- Sehr präzise Messungen vorheriger Experimente (LEP, SLC, etc.) > 10 fb-1 nötig, um mit LEP II bei sin2(W) konkurieren zu können. Schwierig mit LEPII zu konkurieren im Bereich 120<s<207 GeV WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS AFB Jenseits von LEPII Rosner, J.L.: Phys. Rev. D 54, 1078 (1996) Interessant: Mee> LEP II Energien. Neue WW → Abweichung von AFB und ds/dM von SM Vorhersagen. Z.B. Extra neutrale, schwere Bosonen: Z´s Neue Resonanzen könnten mit g und Z interferieren. Komplimentär zu direkten Suchen. AFB 500 GeV/c2 Z’ Zx Z CDF Run I ~110 pb-1 Mee(GeV/c2) 2.2 s Abweichung von SM WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

W ± Ladungs-Asymmetrie xf(x,Q2) Rapidität: u d – Parton- Verteilungsfuktion: log(x) u Quark hat mehr des Proton-Impulses! [http://durpdg.dur.ac.uk/hepdata/pdf3.html] yW Messung der W Ladungs-Asymmetrie beschränkt Proton PDF. ←Anti-Proton Richtung Proton Richtung→ WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Was wir messen können: Lepton Ladungs-Asymmetrie Pseudorapidität CDF Run I: PRL 81, 5754, (1998) NeutrinoKann y(W) nicht rekonstruieren Benutze h(Lepton) W Produktions-Asymmetrie gefaltet mit V-A Zerfalls-Verteilung Sensitiv auf Quotient der PDFs für u and d Quarks, u(x)/d(x). Am wenigsten beschränkt bei großen Winkeln! WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

W Ladungs-Asymmetrie: Ergebnis Ausnutzen der ET Abhängigkeit Mehr Sensitivität auf W Produktions-Asymmetrie A(yW). Größeres ET: Elektron Richtung ~ W Richtung  Produktions-Asymmetrie verstärkt. Weniger ET: Zerfalls-Asymmetrie verstärkt Daten unter theor. Vorhersage. WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS W Masse und Breite WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Messung der W-Masse: Motivation Drw durch to elektroschwasche Strahlungskorrekturen, dominiert von Top und Higgs. Definiere Wg. top quark Loop Wg. Higgs Loop mW liefert strengen Test des SM of SM und beschränkt mH (Zusammen mit mt). WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Messung der W Boson Masse: Strategie Nutzung leptonischer Zerfallskanäle am Tevatron. Wg. undetektiertem Neutrino: Keine direkte Messung der W Masse möglich. Lösung: Ausnutzung der Korrelation der W Masse mit „transversaler“ W Masse transversalem Impuls des Leptons oder Neutrino Messung auf statistischer Basis: Template Fit. WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS W mass (Tevatron Run I) Fit der Transversalen Masse Fit des Transversalen Lepton-Impulses WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

W Boson Masse: Ergebnisse WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Direkte W Breite Likelihood Fit > 90 GeV Run 1 Strategie ähnlich wie bei der W Masse: Fit der transversalen Masse (Tail) Likelihood Fit > 90 GeV Run 1 Weniger Modellabhängig als indirekte Messung. Insbesondere: Nicht sensitiv auf extra nicht-SM Zerfälle des W! WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Direkte W Breite: Ergebnis Ziel des Tevatron Run 2: dGW<40 MeV pro experiment WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Zukunft der SM-Messungen Run II / exp. Meas Run I 2 fb-1 15 fb-1 LHC (LC) 77k 2300k 17250k huge 10k 202k 1515k (W) [GeV] 2.158 ± 0.042 ± 0.040 sin2 W (AFB) ± 5.110-4 LEP EW-WG ± 410-4 ± 1.410-4 MW [GeV] 80.451 ± 0.033 ± 0.030 ± 0.017 (± 0.01) MH/ MH ind >50% 35% 25% 18%(14%) WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Diboson-Physik WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Selbst-Kopplungen der Eichboson t-channel u-channel s-channel Selbst-Kopplungen sind direkte Konsequenz der non-abelschen SU(2)L x U(1)Y Eichsymmetrie. Feynman-Diagramme mit trilinearen Selbst-Kopplungen tragen zur Vektor-Boson- Paarproduktion bei. Kopplungen vom SM hervorgesagt. Studie der Eichboson-Kopplungen in Vektor Boson Paaren: Wg, WW, WZ, Zg, ZZ. SM (Tree Level): el. Quadrupolmoment: QeW = - e (k-l) / M2W Zusammenhang zwischen WWg and WWZ Kopplungen und statischen W Eigenschaften: magn. Dipolmoment: mW = e(1+k+l) / 2MW WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Di-Boson Signale W γ Z γ Triple Boson Coupling Non SM! WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS WWg and WWZ Kopplungen Tevatron Run 1: Elektroschwache Kopplung von W zu g und W zu Z beobachtet. Wg and WW Prozesse beobachtet. WZ Ereignis-Kandidaten. Limits auf Anomale Kopplungen: Kombination aus Wg, WW und WZ Ergebnissen: eng + mng Run II: Mit 2 fb-1 (Run II) 2000 eng+mng events per exp. Sensitivität auf anom. Kopplungen ~2-3X besser. WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

ZZg, Zgg, and ZZZ Kopplungen Z+photon Endzustand Test von ZZg and Zgg Kopplungen ZZg und Zgg = 0 im SM (keine s-Kanal Diagramme) PRD 4/1/98 Mit 2 fb-1 (Run II) ~600 Zg Ereignisse/Exp. 5x bessere Sensitivität auf Limits. Erstes ZZZ Limit. nng 14 pb-1 & eeg + mmg 110 pb-1 ZZg Limit bei 95% CL WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS QCD mit W und Z Bosonen WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Modifikationen aufgrund von QCD: QCD mit W und Z Bosonen q W q W O(as) g q’ q’ g q’ Modifikationen aufgrund von QCD: Boson bekommen transversalen Impuls ( < PT > ~ 10 GeV ) Boson + jet Ereignisse ( W + 1 jet ~ 7%, ETjet > 25 GeV ) Inklusive Wirkungsquerschnitte verstärkt (K factor ~ 18%) Perturbative QCD für große pT (PT ³ 30 GeV): Rechnungen bis zu O(as2) LQCD < PT < 10 GeV): Resummation von großen Logarithmen Darunter: Empirische Parameter, aus Daten extrahiert. WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS W and Z pT W pT Arnold-Kauffman Nucl. Phys. B349, 381 (91). O(as2), b-space, MRSA’ (after detector simulation) Z pT Theorie kombiniert: Perturbative bei hohem pT, Resummation bei geringem pT, Fit zu Daten bei sehr kleinem pT. WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Globale elektroschwache Fits Enormer Erfolg des Standardmodells! Wir suchen nach der Abweichung, die dieses (zu) schöne Bild zerstört! WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS Zusammenfassung Extrem reiches Programm von Standardmodell Messungen am Tevatron und am LHC. Einer der Höhepunkte ist die Messung der W-Masse (Fehler im sub-1/1000 Bereich) Standardmodell hat in den letzten 30 Jahren sehr gute Dienste geleistet. Es wird aber Zeit für eine Wachablösung! Sie Vorlesung über Physik jenseits des SM. WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS