Die Vermessung der Schönheit: Schwere Quarks bei HERA und LHC

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1 Die Vermessung der Schönheit: Schwere Quarks bei HERA und LHC
Physik der schweren Quarks: Von HERA zu LHC Die Vermessung der Schönheit: Schwere Quarks bei HERA und LHC Experiment HERA-B bei HERA / DESY Experiment ATLAS am LHC / CERN Kolloquiums-Vortrag an der Ludwig-Maximilians-Universität München, 15. Oktober 2007 Martin zur Nedden, Humboldt-Universität zu Berlin

2 Inhalt Einführung Physikalische Fragestellungen
Schwere Quarks im Standard-Modell Beschleuniger HERA und LHC Physikalische Fragestellungen Vermessung der Eigenschaften schwerer Quarks Suche nach Phänomenen jenseits des Standard-Modelles Experimentelle Herausforderungen und Resultate Experiment HERA-B (Proton-Nukleus Streuung) Experiment ATLAS (Proton-Proton Streuung) Ausblick auf LHC (ATLAS) B-Physik Physik des top-Quark

3 Inhalt Einführung Physikalische Fragestellungen
Schwere Quarks im Standard-Modell Beschleuniger HERA und LHC Physikalische Fragestellungen Vermessung der Eigenschaften schwerer Quarks Suche nach Phänomenen jenseits des Standard-Modelles Experimentelle Herausforderungen und Resultate Experiment HERA-B (Proton-Nukleus Streuung) Experiment ATLAS (Proton-Proton Streuung) Ausblick auf LHC (ATLAS) B-Physik Physik des top-Quark

4 Motivation Test der Symmetrien der Naturkräfte
Schwere Quarks: eines der wichtigsten Experimentierfelder Test der Symmetrien der Naturkräfte CP-Verletzung Struktur der starken und schwachen Wechselwirkung Starke Kopplungskonstanten Quark-Mischungs-Matrix Suche nach neuer Physik Präzisionsmessungen

5 Quarks und Leptonen Massen in MeV Die Masse des top-Quarks
LADUNG Massen in MeV Die Masse des top-Quarks ist mit 175 GeV riesig … -1 +2/3 -1/3

6 Erzeugung schwerer Quarks
Parton-Dichteverteilungen der Hadronen Partonischer Wirkungsquerschnitt Hadronisation: Bildung von Hadronen mit schweren Quarks Prozess faktorisierbar Erzeugung in hadronischer Wechselwirkung

7 Teilchen mit schweren Quarks
“Hidden” Flavours: Zustände aus Quarks und jeweiligem Antiquark Analogie zum Positronium Spektroskopie der starken Wechselwirkung c-Quarks: und angeregte Zustände (Ψ’, χc, etc.) b-Quarks: und angeregte Zustände (Y’, Y’’, etc.) “Open” Flavours: Zustände mit anderen (leichten) Quarks/Antiquarks c-Quarks: b-Quarks: keine gebundenen Zustände mit top-Quarks Zerfallskanäle J/Ψ , Υ e+e- , μ+μ- : sehr gut rekonstruierbar B0  J/Ψ + X : gut messbare Zerfallslängen b  c + μ + υμ : gut messbare Stoßparameter

8 Der Beschleuniger HERA bei DESY

9 HERA schematisch Ep = 920 GeV H1 (ep) Ee = 27.5 GeV HERMES (eA)
Hadron-Elektron- Ring-Accelerator: Ep = 920 GeV Ee = 27.5 GeV Schwerpunkt: 320 GeV H1 (ep) HERMES (eA) HERA-B (pA) Datennahme: von Oktober 1992 bis Juli 2007 ZEUS (ep) 4 Experimente: H1, HERA-B, ZEUS und HERMES

10 Der Beschleuniger LHC am CERN

11 Der Large Hadron Collider schematisch
Proton-Proton-Kollisionen bei √s = 14 TeV, Strahl-Kreuzungsfrequenz von 40 MHz, Umfang von 27 km Start: Sommer 2008

12 Inhalt Einführung Physikalische Fragestellungen
Schwere Quarks im Standard-Modell Beschleuniger HERA und LHC Physikalische Fragestellungen Vermessung der Eigenschaften schwerer Quarks Suche nach Phänomenen jenseits des Standard-Modelles Experimentelle Herausforderungen und Resultate Experiment HERA-B (Proton-Nukleus Streuung) Experiment ATLAS (Proton-Proton Streuung) Ausblick auf LHC (ATLAS) B-Physik Physik des top-Quark

13 Zerfallsarten schwerer Quarks
semi-leptonischer Zerfall hadronischer Zerfall Zerfall in einen CP-Eigenzustand: ohne B0 - Oszillation mit B0 - Oszillation

14 Methoden zum B-Nachweis
Impuls des Muons relativ zur Jet-Achse: ptrel basiert auf Jet (Kalorimeter) und MYON Information: b-Jet pp  B+B-   XY Zerfallslänge des B-Hadrons: Spur- und Vertex-Information notwendig: Semileptonischer b-Quark-Zerfall pp  bb X  J/ψ XY   XY Messung von sekundären Vertices

15 Seltene B-Zerfälle Bsμ+μ-
Direkte b → d, s Übergänge (Flavour Changing Neutral Currents) sind im SM verboten und erscheinen in niedrigster Ordung durch Schleifen- Diagramme: Bsμ+μ- Pinguin-Diagramm Box-Diagramm hervorragendes experimentelles Werkzeug: guter Test des SM und möglicher Erweiterungen Information zu QCD-Effekten über lange Distanzen Bestimmung der Kopplungstärken |Vtd| und |Vts|

16 Inhalt Einführung Physikalische Fragestellungen
Schwere Quarks im Standard-Modell Beschleuniger HERA und LHC Physikalische Fragestellungen Vermessung der Eigenschaften schwerer Quarks Suche nach Phänomenen jenseits des Standard-Modelles Experimentelle Herausforderungen und Resultate Experiment HERA-B (Proton-Nukleus Streuung) Experiment ATLAS (Proton-Proton Streuung) Ausblick auf LHC (ATLAS) B-Physik Physik des top-Quark

17 Proton-Kern-Streuung bei HERA-B
920 GeV Protonen am HERA Speicherring Datennahme bis März 2003 p + A  X , s = 41.6 GeV Trigger-Eingangsrate: 5 MHz Speicherrate: 100 Hz

18 HERA-B Detektor und Trigger
p-beam z [cm] C Ti W Elektron-Trigger Myon-Trigger

19 Der HERA-B Datensatz μ+μ- e+e-
150 M di-Lepton Trigger Ereignisse (e+e- und μ+μ-) ~ J/ψ (>1000 pro Stunde) ~ c1+ c2 ~ ψ(2S) 210 M minimum-Bias Ereignisse  1000 ev./s > 1TB/Tag Absolutmessung aller Wirkungsquerschnitte mittels Daten des di-Lepton Triggers bedingt einen unabhägigen J/Y Referenz-Wirkungsquerschnitt aus dem minimum-Bias-Datensatz ( spN(J/Y) ) entries/(25 MeV/c2) m(μ+μ-) [GeV/c2] 103 104 μ+μ- J/ψ ψ′ ~ J/ψ ~ ψ′ σJ/ψ ~ 44 MeV m(e+e-) [GeV/c2] entries/(30 MeV/c2) 103 104 ~ J/ψ ~ ψ′ σJ/ψ ~ 64 MeV e+e- J/ψ ψ′

20 Beauty Produktion bei HERA-B
Suche nach versetzten (sekundären) Vertices RD: =5314 m „open“ pA bb + X J/ + X’ e+ e- , + - „hidden“ Analyse der invarianten Massen pA  Υ + X e+ e- , +- Alle Wirkungsquerschnittsmessung relativ zur direkten J/-Produktion, normiert auf die Messung mit mBias-Daten (NRQCD-Fit)

21 Produktion verborgener Beauty
Myon-Kanal: 30.8 ± 7.4 Elektron-Kanal: 75 ± 14 DY DY comb comb Fit: A· ((1S) + (2S) + (3S)) + B · Drell-Yan + kombinatorischer BG (1S) : (2S) : (3S) fixiert nach Resultaten von E605 Form aus dem MC von Paaren gleicher Ladung

22 Hidden Beauty: Resultate
HERA-B Fit “Craigie”: Normiert zum J/-Referenzwirkungsquerschnitt (mBias):  NLO CEM [Phys.Lett.B638(2006)13]

23 Suche nach “Open Beauty”: Signale
Suche nach Ereignissen mit versetzten Vertices im J/Ψ – Datensatz Messung des Wirkungsquerschnittes relativ zur direkten J/Ψ-Produktion

24 B-Produktions-Wirkungsquerschnitt
Relative to prompt J/ to minimize uncertainties from efficiencies, luminosity … HERA-B Extrapolation auf den kinematischen Gesamtbereich Normiert auf den Referenzwirkungsquerschnitt pN(J/) = (502  44) nb/N [Phys.Rev.D73(2006)052005]

25 Obere Grenze für D0→μ+μ–
Suche nach einem Signal des FCNC Zerfalles D0→μ+μ– in di-Myon-Daten Beobachtete Ereignisse: 3 Erwarteter Untergrund: 6 Limit (90% CL): bestes Limit zur Zeit der Publikation [Phys. Lett. B596 (2004)173]

26 Proton-Proton-Streuung bei ATLAS

27 Teilchen-Identifikation bei ATLAS
Spurerkennung : - Halbleiter-Detektor - Übergangsstrahlungs-Detektor Energiemessung: - Elektro-Magnetisch - Hadronisch Myon-Spektrometer: Toroid mit Driftröhren

28 Anforderungen an den Trigger
σ rate WW-Rate: ~ 1 GHz BC-Rate: MHz Speicher-Rate: ~ 200 Hz  “online”-Reduktion: % WW-Rate Untergrund Leistungsfähiger Trigger unabdingbar: Selektion der seltenen Ereignisse aus der extrem untergrundreichen LHC Umgebung Physik-Trigger Technische Trigger Speicher-Rate Entdeckungen ET

29 Das Trigger Konzept von ATLAS
Level 1: Reduktion von 1GHz auf 75 kHz (in 2.5 ms) triggert auf (high) pT-Objekte L1-Calo und L1-Muon senden Regions of Interest (RoI) nach LVL2 für e/g/t/jet/m Kandidaten zu einer bestimmten Energieschwelle Reiner Hardware-Trigger, gröbere Granularität Level 2: von 75 kHz auf 1kHz (in 10 ms) benutzt L1-Regions of Interest als “Seed” der Rekonstruktion (volle Granularität) nur Daten innerhalb der RoI werden verwendet: geringer Datentransfer: nur ~2% der Gesamtdaten des Ereignisses Kombination verschiedener Detektor- informationen innerhalb der RoIs. Software-Trigger, Auslese nach L2-Akzeptanz Event-Filter: von 1kHz auf 200 Hz (in 1s) Zugriff auf volle Ereignisinformation, quasi-”offline”-Algorithmen reiner Software-Trigger (hohe Felexibilität)

30 Inhalt Einführung Physikalische Fragestellungen
Schwere Quarks im Standard-Modell Beschleuniger HERA und LHC Physikalische Fragestellungen Vermessung der Eigenschaften schwerer Quarks Suche nach Phänomenen jenseits des Standard-Modelles Experimentelle Herausforderungen und Resultate Experiment HERA-B (Proton-Nukleus Streuung) Experiment ATLAS (Proton-Proton Streuung) Ausblick auf LHC (ATLAS) B-Physik Physik des top-Quark

31 Physikalische Fragestellungen beim LHC
Elektroschwache Symmetriebrechung ? - Suche nach dem Higgs Boson g + - H p Z p H p p g Z + - p e - n m + q c 1 g ~ 2 Erweiterung des Standardmodelles ? - Suche nach SUSY oder anderer “BSM-Physik” Was noch? - top, EW, QCD, B-Physik

32 Schwere Quarks am LHC großer bb Produktions-WQS: ~ 500 µb
(~ 1 bb Paar pro 100 p-p Kollisionen) hoher tt Produktions-WQS: ~830 pb (~ tt Paare pro Jahr) LHC ist eine top-Fabrik Wesentliches Instrument zur Detektor- kalibration und Triggereinstellung Luminositätsphasen: 2008: ~ 100 pb-1 2009: über 1 fb-1 bei Erreichen einer Luminosität von 1033 cm-2 s-1 (~10 fb-1 pro Jahr) Design: “High”-Luminosität: 1034 cm-2s-1 (~100 fb-1 pro Jahr)

33 Generelle Strategie zur B-Physik bei ATLAS
ATLAS hat gute Möglichkeiten für B-Physik-Analysen: präzise Vertex- und Spurdetektoren, gute Myonidentifikation, hochauflösende Kalorimetrie, flexibles B-Physik-Triggerschema auf LVL2 und EF B-Physikprogramm für alle Luminositätsphasen von LHC: Präzisionsmessungen bereits nach einem Jahr Datennahme möglich Messung des inklusiven b-Produktions-Wirkungsquerschnittes in der Anfangsphase Suche nach seltenen Zerfällen bei höheren Luminositäten Messungen mit Entdeckungspotential für Physik jenseits des SM: Messung CP-verletzenden Parameter, deren Werte im SM extrem klein sind (z.B. in Bs  J/() ) Messungen seltener B-Zerfälle (Bd  K* , Bd  K* , Bs   , Bs   , Bs   , B   ) Fokus auf Bereiche, zu denen die B-Fabriken keinen Zugang haben: hauptsächlich Bs, Baryonen und Hadronen mit zwei schweren Quarks: (Bs  Ds , Bs  J/() , b  J/0 , …)

34 Trigger-Strategien zur B-Physik
beschränkte Bandbreite für B-Trigger (ca. 10%): hoch selektive und effiziente B-Triggerstrategien notwendig. c- und b-Ereignisse enthalten v.a. Teilchen bei niedrigem pT: schwierig zu triggernde Ereignisse (Untergrund) viele b-Zerfälle enthalten J/ψ-Mesonen: gut geeignet zur Kalibration, Optimierung und Verständnis des Detektors und des Triggers B-Trigger basieren auf single-m bzw. auf di-m im Endzustand bei verschiedenen Schwellen: Phasen niedriger Lumi: single-m und di-m Trigger Phasen höherer Lumi: nur di-m Trigger ATLAS m-Raten bei 14 TeV und 1033cm-2s-1 total single-m h (Hadronen) b (Beauty) c (Charm) J/Y total di-m

35 Sensitivität auf FCNC Extraktion der oberen Grenze von Br (Bs μμ)
ATLAS kann die Sensitivität der Vorhersage des SM erreichen Die Messung von Bsμμ ist auch fortführbar bei der Design-Luminosität von 1034cm-2s-1.

36 Top-Zerfallskanäle Charakteristisches Signal:
Lepton + vermisste Energie Nur Jets im Endzustand: Dominanter BG von QCD-Multijet-Ereignissen

37 Top – Physik bei ATLAS Messung der top-Quark Masse
mittels mt = mjjb (mjj = mW) Paarproduktion von top-Quarks Nachweis über Lepton und ETmiss Zerfall von top-Quarks Verzweigungsverhältnisse / Kopplungen seltene Zerfälle: z.B. t  g//Z q (q=u,c: FCNC) Single top-Produktion ideale “Standard-Kerze” Detektorkalibration und Triggeroptimierung

38 Single-Top Produktion
direkte Bestimmung der Kopplungsstärke des t-W-b Vertex: W-Gluon-Fusion: sensitiv auf Modifikationen der Kopplungen des top-Quarks an andere SM-Teilchen Wt: sensitiv auf FCNC W*: sensitiv auf neue, schwere W’-Bosonen wesentlich geringerer Anteil an der top-Produktion bei LHC W-Gluon-Fusion t-Kanal Direkte Produktion, Wt-Prozess W*-Prozess s-Kanal

39 Zusammenfassung Präzise Vermessungen bei HERA-B
s(pA  bb+X) = 14.9 ± 3.3 nb/nucleon s(pA  U+X) = 4.4 ± 1.1 pb/nucleon Obere Grenze von BR(D0μ+μ-) < 2 *10-6 für FCNC Vorbereitung von ATLAS auf den Start von LHC Reichhaltiges Programm zur B- und top-Physik Große Sensitivität auf Physik jenseits des Standardmodelles durch Präzisionsmessungen mit schweren Quarks Start der Datennahme im Sommer 2008

40 Backup-Folien Produktion schwerer Quarks Nachweiß von top-Quarks
Der HERA-B Referenzwirkungsquerschnitt Bestätigung der B-Flavour bei HERA-B Resultate von H1 (ep-Streuung) Der ATLAS Trigger Test der Datennahme von ATLAS Top-Quark Kopplungen bei ATLAS/LHC

41 Formation des Endzustandes
PDF Hadronisation: Prozess über große Entfernung: (~1/(mcv)) nicht-perturbative Rechnung + Kenntnisse anderer Experimente qq Formation: Prozess über kleine Entfernung (~1/mc) / bei hohem Impuls:  perturbative Rechnung

42 Entdeckung des Top-Quarks
1995 am Beschleuniger TEVATRON in Proton-Antiproton Reaktionen

43 Top-Quark Zerfallskanäle
Nachweis in verschiedenen Kanälen Elektron-Kanal Jets Myon-Kanal

44 J/ψ-Referenzwirkungsquerschnitt (MinB)
Ti W α = 0.96  0.01 (fixed to E866) Resultat: [Phys.Lett.B638(2006)407]

45 Messung der J/y-Produktion (mBias)
Referenz-Messung mit unabhägigem Datensatz (minimum-Bias Trigger) HERA-B Bestimmung des Referenz-Wirkungsquerschnittes basiert auf einem NRQCD inspirierten Fit. [F. Maltoni, hep-ph/ ] Fit Resultat bei der HERA-B Energie von s = 41.6 GeV unter der Verwendung aller Daten:

46 Bestätigung der B Flavour
τ = 1.39 ± 0.19 ps Langlebige Ereigniskandidaten um die J/ψ-Masse Verträglichkeit der B Lebensdauer mit der Erwartung von 1.54 ps (PDG)

47 Messung von Charm-Quarks
Produktion von Charm-Quarks mittels Boson-Gluon-Fusion Identifikation von D*+ mittels der Massendifferenz ΔM der invarianten Massen Suche nach Charm über den Zerfalls- Kanal von D*-Mesonen

48 Beauty-Signatur I: Lebensdauer
Grundlage für: sekundäre Vertices: Messung der Zerfallslänge Impaktparameter: eine Spur oder Kombination mehrerer Spuren ep-Wechselwirkung Auflösung des H1-Vertexdetektors (Si-Halbleiterdetektor)

49 Beauty-Signatur II: Masse
Pythia: Modellrechnungen (Monte Carlo) ep-Wechselwirkung: b-Quark-Produktion Signalanreicherung bei großem pTrel bzw. bei großen Impaktparametern δ

50 Beauty-Messungen von HERA
Wichtige Beiträge zu Tests der QCD und Entwicklung von Modellen Große Unsicherheiten bei kleinen Q2 (Photoproduktion)

51 ATLAS Multi-Level-Trigger
<2.5 ms ~10 ms ~1 s HLT ~1-2 kHz out ~100 Hz out LVL1: Hardware LEVEL 1 TRIGGER Hardware: FPGAs ASICs verwendet gröbere Granularität des Kalorimeter und Myon-Information identifiziert Regions of Interest zur weiteren Bearbeitung LEVEL 2 TRIGGER volle Granularität innerhalb RoI bestätigt LVL1-Trigger kombiniert Infos verschiedener Detektoren innerhalb der RoI HLT:basiert auf Ssoftware EVENT FILTER verfeinert LVL2 Selektion mittels “offline-artiger” Algorithmen hat bessere Alignment- und Kalibrationsdaten zur Verfügung Zugriff auf vollständige Ereignis- information (nach Auslese)

52 Test der Datennahme von ATLAS
Test-Datennahme mit kosmischen Myonen vom – : großes Augenmerk auf die Funktionalität des Monitorings und der Kontrolle der Datenqualität Transferieren der Daten über GRID erfolgreicher Test, nächster Test im Oktober/November

53 top-Quark Kopplungen Zerfall des top-Quarks als reiner V-A-Prozess zu über 99.9% via t W+b SM: BR(tWX)=100% Messung der Kopplungen guter Test des SM Große Sensitivität auf Physik jenseits des Standard-Modelles Selektion des top-Paares: 1. b-Jet (Lepton) Selektion des Zerfallskanales: 2. b-Jet (Lepton) 1 b-Jet: Events, davon 2 b-Jets: Events 1 Lepton: Events, davon 2 b-Jets: Events Mit 10 fb-1 an Luminosität: CDF-Resultat: R2b/1b= 0.99 ± 0.29  |V|tb > 0.75 (95% C.L.)