Das CMS-Experiment Rundgang durch ein Experiment der Hochenergiephysik

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

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

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

4 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

5 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

6 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

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

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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 = ± 0.025  = ±  = ± 0.079  = ± 0.044 CKMFitter Group: hep-ph/ Stärke der CPV J = A2 6  ~ (710-5)  WS 2004/05 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

10 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

11 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

12 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

13 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

14 Wo wir heute stehen Param Mode Messung sin 2 0.726 ± 0.037
± 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

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

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

17 Status von Mixing heute
md = ± 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

18 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

19 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

20 “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

21 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

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

23 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

24 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

25 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

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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

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

28 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

29 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

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

31 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

32 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

33 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

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

35 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

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

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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