Raimund Ströhmer, LMU München Die Bestimmung der Massen von W-Boson und Top-Quark für den Präzisionstest der elektroschwachen Theorie Raimund Ströhmer, LMU München, Sektion Physik, LS Schaile Motivation Bestimmung der W-Boson Masse am LEP Bestimmung der W-Boson Masse am Tevatron Der Level 2 Myontrigger beim D0 Experiment Messung der Top Masse am Tevatron Silizium-Vertexdetektoren Zukunftsaussichten 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Die elektroschwache Wechselwirkung Fermi hat zur Erklärung des b- Zerfalles eine 4-Fermion Wechselwirkung eingeführt. Um Divergenzen bei hohen Schwerpunktsenergien zu vermeiden, werden massive Eichbosonen eingeführt. Im Standardmodell werden die Massen der Eichbosonen durch den Higgsmechanismus erklärt. Konsistente Theorie mit wenigen Parametern 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Die Masse des W-Bosons In niedrigster Ordnung ist die W-Masse durch 3 Parameter bestimmt. (Üblicherweise: MZ , Gm , a ) Zusätzliche Abhängigkeit von MTop und MHiggs durch Beiträge höherer Ordnung Messung von Mw und MTop testet das Standardmodell auf dem Niveau von Schleifen-Korrekturen. 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Bestimmung der W-Masse am LEP e+e- - Collider: 27 km Umfang LEP I: 1989-1995 ECM= 91 ±3 GeV, 4 x 4 106 Z0 LEP II: 1996-2000 ECM= 161-208 GeV, 4 x 10 103 W-Paare 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München W-Paar Produktion 68% der W-Bosonen zerfallen hadronisch 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Ereignistopologien hadronisch (46%) Keine fehlende Energie. Zuordnung von Jets zu Ws Endzustandswechselw. semileptonisch (44%) Rekonstruktion des Neutrinos aus Impuls- und Energieerhaltung leptonisch (10%) Vollständige kinematische Rekonstr. nicht möglich, Mw aus Energiespektrum 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Kinematische Rekonstruktion Invariante Jetpaar-Masse hat eine Auflösung von etwa 10% (Energieauflösung der Jets) Kinematischer Fit: Bestimmung der Jet- und Lepton-Impulse so dass: Energie-Impuls-Erhaltung erfüllt ist möglichst gute Übereinstimmung mit der Messung Bias durch Anfangszustands-Strahlung. Schwerpunktsenergie muss bekannt sein. 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Massenbestimmung: Methode 1 Vergleich von Daten und simulierten Massenspektren Alle Einflüsse auf das Massenspektrum die in der Simulation enthalten sind, werden automatisch berücksichtigt. Alle Einflüsse auf das Massenspektrum die in Monte Carlo enthalten sind werden automatisch berücksichtigt. 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Massenbestimmung: Methode 2 Bestimmung der Ereigniswahrscheinlichkeit durch Faltung einer Physikfunktion (Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte W-Masse zu produzieren) mit einer Auflösungsfunktion (Wahrscheinlichkeit, dass das beobachtete Ereignis von einer bestimmte W-Masse stammt) 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Systematische Unsicherheiten Strahlenergie Aufgrund des kinematischen Fits Detektorauflösung Kalibrierung mit Z0-Ereignissen Elektromagnetische Korrekturen Anfangs- und Endzustandsstrahlung Virtuelle Korrekturen Hadronisation Endzustandswechselwirkungen 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Hadronisation Übergang von farbigen Quarks und Gluonen in Hadronen kann nur durch Modelle beschrieben werden. Systematische Unsicherheiten wegen: Zuordnung von Teilchen zu Jets Mindestimpuls von Teilchen Schlechte Energieauflösung für neutrale Hadronen Behandlung aller geladenen Teilchen als Pionen Abschätzung des Fehlers durch Vergleich verschiedener Modelle bzw. Modellparameter, die die LEP I Z0-Daten gut beschreiben. 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Endzustandswechselwirkung Zerfallen beide W-Bosonen hadronisch, sind Wechselwirkungen zwischen den Zerfallsprodukten möglich. Bose-Einstein Korrelation: Verstärkte Produktion von identischen Bosonen (unterschiedlicher Ws) nahe im Phasenraum. Color Reconnection: Wechselwirkung von farbigen Objekten von verschiedenen W-Bosonen. Wenn die beiden Ws nicht unabhängig zerfallen, kann das die Massenmessung beeinflussen: Ist der Winkel zwischen Jets von unterschiedlichen Ws kleiner  Winkel zwischen Jets vom selben W größer  größere rekonstruierte Masse. 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Color Reconnection Effekt von Color-Reconnection während der Hadronisation nur durch phänomenologische Modelle beschreibbar. Partonen von unterschiedlichen Ws hadronisieren nicht unabhängig. Erhöhte Produktion von niederenergetischen Teilchen zwischen Jets von unterschiedlichen Ws. Ausschluss von extremen Modellen: Studien des Teilchenflusses zwischen den Jets. Reduktion des Einflusses auf Massenmessung: Bestimmung der Jetrichtung nur mit Teilchen mit Mindesimpuls (typisch 2 GeV). 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Die W-Boson Masse Dominante Fehler in MeV qqln qqqq Komb ISR/FSR 8 Hadronisation 19 18 Detektor 14 10 LEP Strahlenergie 17 Color Recon. - 90 9 Bose-Einstein 35 3 tot. syst. Fehler 31 101 stat. Fehler 32 29 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Das Tevatron am Fermilab bei Chicago Run I: 1992-1995 100 pb-1 bei s = 1.8 TeV Run II: seit 2001 geplant 4-9 fb-1 bei s = 1.96 TeV Detektor Upgrades: Spurkammern (zentrales Magnetfeld für D0) Silizium Vertexdetektoren, Trigger und Elektronik, u.a. 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Die W-Boson Masse am Tevatron Bestimmung aus leptonischen W- Zerfällen (e,m) da zu hoher Untergrund für hadronische Zerfälle Neutrinoenergie kann nicht vollständig rekonstruiert werden da Energie entlang der Strahlachse nicht bekannt ist Benutze: Dominante Fehler: Statistik, Lepton-Energieskala (bestimmt aus Z0- und J/y-Ereignissen)  große Verbesserungen in Run II erwartet 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Der Level 2 Myontrigger bei D0 Bestimmung von Spursegmenten im A- und BC-Layer. Abschätzung des Impulses: Richtungsänderung zwischen A- und BC-Layer im Magnetfeld. Verfügbare Zeit zur Bestimmung der Spursegmente  30ms Unabhängige Bestimmung für Detektorregionen auf einzelnen Prozessoren (80 x 160 MHz DSP) Test von Hitmustern mit Lookup Tabellen (die benutzten DSP arbeiten nur mit integer Zahlen) Effizienz  97% 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Top Produktion Ereignistopologie bestimmt durch W-Zerfälle b Paar-Produktion W 85% Dilepton (e,m) 5% Lepton (e,m)+Jets 29% Nur Jets 46% t +X 20% t 15% t W σtheory ≈ 7 pb b BR( t → Wb) ≈ 100% b-Jet: Identifiziert durch Sekundärvertex oder Lepton 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Bestimmung der Top-Masse Massenspektren Kinematischer Fit unter tt-Hypothese. Benutze c2 um beste Kombination zu wählen. Vergleiche Massenverteilung mit Monte Carlo Template. Ereigniswahrscheinlichkeit Signal- und Untergrund- wahrscheinlichkeit für jedes Ereignis als Funktion von MTop Benutze alle Kombinationen Fehler des neuen D0 Ergebnises entspricht 2.5 mal höherer Statistik - D0 Lepton+jets 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Sekundärer Vertex-Tag D0 Silizium- Vertexdetektor 6 Barrels 12 F-disks 4 H-disks Lange B-Hadron-Zerfallslänge: (ct  450 mm)*Boost  Lxy ~ 3mm Der Zerfall hat hohe Multiplizität. 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Der SVX2/SVX3 Auslesechip Anforderungen: 132 ns Bunch-Spacing 5 ms L1 Entscheidungszeit Auslese für L2 Trigger Auslese nur von Kanälen mit Signal über einer Schwelle Dynamische Pedestal Subtraktion Strahlenhärte (4MRad getestet) Analoge Pipeline 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Der SVX3 Auslese Chip Speichern des analogen Signals in Pipelinezellen. Gleichzeitiges Lesen und Schreiben von unterschiedlichen Pipelinezellen  Totzeitlose Auslese 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Zusammenfassung MTop = 174.3 ± 5.3 GeV/c2 MW= 80.426 ± 0.034 GeV/c2 Das Standardmodell wir auf dem Niveau von Quantenkorrekturen bestätigt. 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München

Raimund Ströhmer, LMU München Aussichten Tevatron Run II und LHC Analysen werden systematisch limitiert sein. MTop : Jetenergie und Endzustandsgluonstrahlung (1-2 GeV) MW : Leptonenergieskala, fehlende Energie (10-20 MeV) Reduktion der systematischen Fehler durch große Kontrollensemble e+ e- Linearbeschleuniger Bestimmung von MTop und MW durch einen Scan der Schwerpunktsenergie an der Paarproduktionsschwelle. Erwartete Genauigkeit: dMTop  200 MeV, dMW  2 MeV, 3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München