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

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

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

5 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

6 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

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

8 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

9 W/Z Produktion und Ereignis-Topologie
Analyse sauberer leptonischer Zerfälle Wirkungsquerschnitte groß und gut bekannt: s  br  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

10 Inklusive Wirkungsquerschnitte
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11 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

12 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

13 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 : = ±3.9 stat ±9.8 syst ±17.2 lum (pb) (Elektronen) DØ : = ±3.0 stat ±6.9 syst ±18.9 lum (pb) (Myonen) WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

14 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 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

15 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

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

17 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

18 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS
Lepton Universalität CDF: e-m Universalität mit Rm/Re = g2m/g2e gm/ge = ±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

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

20 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

21 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

22 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

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

24 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

25 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

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

27 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

28 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

29 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

30 W Boson Masse: Ergebnisse
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31 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

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

33 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] ± 0.033 ± 0.030 ± 0.017 (± 0.01) MH/ MH ind >50% 35% 25% 18%(14%) WS 2004/06 Schörner-Sadenius, Steinbrück: CMS

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

35 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

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

37 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

38 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

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

40 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

41 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

42 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

43 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