Physik am LHC und erste Resultate

Präsentation zum Thema: "Physik am LHC und erste Resultate"—  Präsentation transkript:

1 Physik am LHC und erste Resultate
Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September Teil 2

2 Offene fundamentale Fragen
Inhalt Offene fundamentale Fragen LHC-Beschleuniger, inkl. aktueller Stand (Lint, Lmax, bunches) Fundamentale offene Fragen Experimente und ihre Physikziele Bekannte Standardmodellphysik SM-Higgs und SUSY Higgse Supersymmetrie Exotika (BSM-Szenarien) - Extradimensionen - Compositeness - Z’, W’, heavy neutrinos B-Physik Schwerionenphysik C.-E. Wulz

3 Literatur und Quellen J. M. Campbell, J. W. Huston, W. J. Stirling: Hard interactions of quarks and gluons: a primer for LHC physics, 2007 Rep. Prog. Phys arXiv:hep-ph/ v1 T. Han: Collider Phenomenology: Basic Knowledge and Techniques, M. Cacciari, G. Salam: The anti-kT jet clustering algorithm (2008) arXiv:hep-ph/ v2 P. Ryan (ATLAS Collaboration): Single-Top Cross Section Measurements at ATLAS arXiv:hep-ex/ v1 delete: A. Pich: The Standard Model of Electroweak Interactions, C.-E. Wulz

4 Offene fundamentale Fragen
Offene Fragen der Physik Offene fundamentale Fragen Ursprung und Hierarchie der Teilchenmassen Gibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse? Wie muß das Standardmodell erweitert werden? Supersymmetrie, Grand Unified Theories, … Können alle Kräfte vereint werden? Einbindung der Gravitation? Gibt es zusätzliche Dimensionen? Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen? Gibt es mehr als drei Teilchengenerationen? Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos? Was ist die dunkle Energie? Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement Quark-Gluon-Plasma Wie entstand das Universum? C.-E. Wulz

5 Das Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell ist eine Theorie der starken, schwachen und elektromagnetischen Kräfte, formuliert in der Sprache von Quantenfeldtheorien, und der Elementarteilchen, die an diesen Wechselwirkungen teilnehmen. Die Gravitation ist jedoch nicht eingeschlossen. Wechselwirkungen werden durch den Austausch von virtuellen Teilchen vermittelt. Weakness of gravity: magnet can hold a pin against the gravitational pull of the whole earth Exact value for gravitational strength: 6 x 10**-39. Gravitational constant: G = 6.67 x 10**-11 N m**2 kg**-2 Virtual particles: A virtual particle is one that does not precisely obey the m2c4 = E2 − p2c2 relationship for a short time. Virtual particles of larger mass have more limited range. Uncertainty relation: Delta E x Delta t > h quer, h quer = 6.6 x 10**-22 MeVs KRAFT RELATIVE STÄRKE REICHWEITE VERMITTLER Stark 1 10-15 m Gluonen Schwach 10-6 10-18 m W, Z Elektromagnetisch a (10-2) unendlich Photon Gravitationell 10-38 Graviton C.-E. Wulz Ma. Laach, Sep. 2010

6 Teilchen im Standardmodell
Materieteilchen: Fermionen (halbzahliger Spin, s = ½ħ) und ihre Antiteilchen. Es gibt 3 Familien (Generationen) von bis auf ihre Massen identischen Fermionfeldern. Fermionen treten als Leptonen und Quarks auf. Vermittlerteilchen: Eichosonen (ganzzahliger Spin, s = 1ħ). Es gibt 3 Arten von Eichbosonen, entsprechend den 3 durch das Standardmodell beschriebenen Wechselwirkungen. Higgsteilchen: Er wird zur Brechung der elektroschwachen Symmetrie in die Eichsymmetrie der Quantenelektrodynamik (QED) gebraucht. Teilchen, die mit dem Higgsfeld wechselwirken, können sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und erhalten Massen durch Kopplung and das Higgsboson (s = 0ħ). Spin: intrinsic angular momentum. ħ: reduced Planck constant, x 10**-34 Js = 6.6 x 10*-16 eVs. Fermions respect the Pauli exclusion principle. One should not imagine particles actually spinning. What is meant is that additive quantum numbers similar to the laws for spin are involved. Spin was originally conceived as the rotation of a particle around some axis. This picture is correct in so far as spins obey the same mathematical laws as do quantized angular momenta. On the other hand, spins have some peculiar properties that distinguish them from orbital angular momenta: Spin quantum numbers may take on half-integer values; The spin of a charged particle is associated with a magnetic dipole moment with a g-factor differing from 1. This is incompatible with classical physics, assuming that the charge and mass of the particle are distributed evenly in spheres of equal radius. Acquisition of mass through the Higgs field: refraction slows down a photon traversing matter. C.-E. Wulz 6 Ma. Laach, Sep. 2010

7 Quarks Kräfte Leptonen SU(3)C x SU(2)L x U(1)Y
SU(2)L x U(1)Y -> U(1)em Leptonen SU(3)C x SU(2)L x U(1)Y C.-E. Wulz Ma. Laach, Sep. 2010

8 Erste Aufgabe des LHC: Wiederentdeckung des Standardmodells
Wiedersehen mit alten Bekannten …. C.-E. Wulz Ma. Laach, Sep. 2010

9 Resonanzen J/y  m+m- p Λ π- Ξ  Λπ Ξ- Signal : 222 ± 11 Ereignisse
PDG Masse: GeV Ξ  Λπ Signal : 222 ± 11 Ereignisse Untergrund : 28 ± 2 Ereignisse Massenpeak : (3.09 ± 0.01) GeV Massenauflösung: (0.07 ± 0.01) GeV Blaue Box gehört zu J/psi in e+e- J/y  e+e- KS0  p+p- C.-E. Wulz

10 Quantenchromodynamik, Jets
2-Jet Ereignis 420 GeV 320 GeV 2j-invariante Masse 2.55 TeV Jets (Fragmentationsprodukte von gestreuten Partonen) sind omnipräsent bei LHC. Die höchsten Dijet-Massen sind bereits höher als √s des Tevatron! “It starts to get interesting” … T. Carli bei ICHEP 2010 Paris C.-E. Wulz

11 Jetalgorithmen Prinzipielle Aufgabe von Jetalgorithmen: Berechnung von Vierervektoren der Partonen bzw. der sie repräsentierenden Jets aus Transversalenergien in Kalorimeterzellen bzw. Teilchenspuren. Wünschenswerte Eigenschaften: Boostinvarianz Initial state Partonen im Schwerpunktssystem im allgemeinen nicht in Ruhe bei Hadroncollidern! Infrarotsicherheit Jets sollen unabhängig von “soft”-Komponenten gefunden (underlying event, pileup, etc.) werden. Kollinearitätssicherheit Jets sollen gefunden werden, egal ob ein Teilchen oder zwei kollineare Teilchen mit derselben Energie im Spiel sind. nicht collinear safe: Divergenzen in perturbativen Rechnungen mit höheren Ordnungen C.-E. Wulz

12 Konusalgorithmen Konusalgorithmen - Nähe im Winkelraum
Jets überspannen Kegel mit fixem Radius im (h,f)-Raum (DR typisch 0.4 bis 0.7). Es gibt Algorithmen mit oder ohne “seeds”. Kegel können überlappen, daher muss Splitten bzw. Fusionieren vorgesehen sein. Intuitiv, aber im allgemeinen weder infrarot noch kollinear sicher (es gibt verbesserte Versionen wie z.B. SISCone Algorithmus – “seedless infrared safe”). Traditioneller Algorithmus: Cone algorithms mit Kalorimeterzellen. Delta eta ist boost invariant! SISCone Algorithm: seedless infrared safe cone jet algorithm Seed: Zelle mit dem höchsten ET See D. Elvira D0 fermilab web page (bookmarked): copy on kT_jetalgo.ppt C.-E. Wulz

13 kT - Algorithmen (Anti-) kT - Algorithmen - Nähe im Impulsraum
p = 1 … kT -Algorithmus p = 0 … Cambridge/Aachen Algorithmus p = -1 … Anti-kT -Algorithmus (heute hauptsächlich in Verwendung bei LHC; Vorteil: Form der Jets ändert sich nicht bei Vorhandensein von soft particles) i,j … Teilchen oder Pseudojet, B … Strahl (beam) kT, y, f … Transversalimpuls, Rapidität, Azimut dij … Minimaler relativer “Transversalimpuls” zwischen i und j, R ≈ O(1)… Radiusparameter Wenn dij < diB ist -> Fusion von i und j (Pseudojet) Wenn nicht, wird i zur Liste von Jets hinzugefügt. kT … “natürlichere” Form der Jets Konus Traditioneller Algorithmus: Cone algorithms mit Kalorimeterzellen. Delta eta ist boost invariant! SISCone Algorithm: seedless infrared safe cone jet algorithm Seed: Zelle mit dem höchsten ET See D. Elvira D0 fermilab web page (bookmarked): copy on kT_jetalgo.ppt Siehe G. Salams Vortrag! C.-E. Wulz

14 Inklusive Jetwirkungsquerschnitte
Die Messung von Jetspektren ist aus folgenden Gründen wichtig: QCD-Tests (running s) PDF Signale für neue Physik in der Region mit hohem pT (z.B. Compositeness) -> Schlechte Abschätzung der Fehler in den QCD-Voraussagen (PDF, mR, mF) kann neue Physik vortäuschen, aber auch verbergen! Kenntnis der Energieskala von Jets (jet energy scale) ist ebenfalls enorm wichtig, da Einfluss auf sjet groß! Untergrundabschätzung für Suchen mR wird zur Abschätzung des Einflusses von Korrekturen höherer Ordnung variiert, typisch zwischen 0.5 pT und 2pT des höchstenergetischen Jets. The jet cross section is written in terms of the convolution of hard scattering process and parton momentum distributions in the proton Renormalization(μR)/Factorization(μF) scale uncertainties (arise from the perturbative calculation of the perturbative cross section at fixed order). Study of 1: μR and μF have been varied independently between 0.5 Ptmax and 2 Ptmax (Ptmax is the transverse momentum of the leading jet) ~10% uncertainty at 1 TeV mR ... Renormierungsskala, mF ... Faktorisierungsskala C.-E. Wulz

15 Jet Energy Scale Aus den Energien der einzelnen Teilchen, die zu einem Jet gehören, sollte man auf die Energie des gestreuten Quarks oder Gluons, aus dem der Jet entstanden ist, rückschließen können. Probleme: - Teilchen, die eigentlich nicht zum Jet gehören, werden zum Jet gezählt - Teilchen, die eigentlich zum Jet gehören, werden nicht gemessen - Bias (Verschiebung des Absolutwerts) durch Abwesenheit von Kalibrationskanälen (z.B. Z -> jets) vor allem am Anfang des LHC-Betriebs - Kalorimetersignale bei gleicher Energie verschieden für elektromagnetische und hadronische Schauer - Energieverlust durch Material vor Kalorimeter und Punchthrough - Unsicherheiten in der Modellierung von hadronischen Schauern, Hadronisierung und underlying events - Noise, Pileup Zur Zeit sind aufgrund der geringen Statistik die Korrekturen für die Jetenergieskala nur mit Monte Carlo möglich. ATLAS und CMS: zwischen 5% und 9%. Erklaerung siehe auch T. Dorigo html file C.-E. Wulz

16 Jetauflösung Jetspektren werden durch Auflösungseffekte verzerrt, daher muss man die Auflösungsfunktion bestimmen und anschließend das tatsächliche Spektrum durch Entfaltung berechnen. Echtes Spektrum: a … 4 bis 6, Spektrum fälllt steil ab! Gemessenes Spektrum: Res … Auflösungsfunktion (~ gaussförmig) pT’ … tatsächlicher Jettransversalimpuls s … Detektorauflösung Siehe Seiten 3-4 QCD-CMS-Jetcross_sec.pdf – CMS jet paper C.-E. Wulz

17 Inklusive Jetwirkungsquerschnitte
alpha2 … LO, alpha3 … NLO etc. For better visibility the spectra are multiplied by arbitrary factors (indicated in the legend). NP … nichtperturbative Korrekturen Gute Übereinstimmung mit NLO (Ordnung as3) ... noch ... ? C.-E. Wulz

18 Fermionen könnten eine Substruktur haben (Präonen).
Compositeness Fermionen könnten eine Substruktur haben (Präonen). Kontaktwechselwirkung Q << LC Neue WW compositeness-LHC.pdf, Compositeness_Thesis.pdf Vielleicht ließen sich die Teilchenmassen dadurch erklären, brauche also keinen Higgsmechanismus. Kontaktwechselwirkung: analog Fermitheorie für die schwache WW (ohne W, Z) Präonen sind im linken Bild (Substruktur). Achtung: Nachweis von Kontaktwechselwirkungen ist nicht unbedingt Beweis für Compositeness, da andere neue Phänomene ebenfalls durch eine Kontakt-wechselwirkungs-Lagrangedichte beschrieben werden können! LC … Compositeness-Skala h … Interferenzparameter (±1) g … Diracmatrizen y … Diracspinoren g2/4p = 1 C.-E. Wulz

19 Compositeness in 2-Jet-Verteilungen
2.7 (aktuelles Limit) CMS compositeness-LHC.pdf Right diagram: The solid curve indicates ratio in CMS from QCD compared to QCD plus quark contact interaction at 15, 10, and 5 TeV. Verhältnisse im Gegensatz zu Wirkungsquerschnitten fast nicht abhängig von PDF. Bis mindestens LC = 10 TeV sollte man bei LHC Hinweise auf Compositeness erhalten können. Dh ... Pseudorapiditätsdifferenz der zwei höchstenergetischen Jets C.-E. Wulz

20 Direkte Photonproduktion
Das Studium der Produktion von isolierten Photonen (Photonen in Jets kommen meist aus Zerfällen von p und h Mesonen) ist aus folgenden Gründen wichtig: Präzisionstests für perturbative QCD Gluonenverteilung im Proton, PDF Kalibration der Jetenergieskala Untergrund für z.B. H  gg, G  gg, f*  fg Compton-Streuung Annihilation ATLAS hat paper herausgebracht. arXiv: : Ausser bei niedrigem ET(gamma) ist Übereinstimmung gut C.-E. Wulz

21 W, Z W und Z sind die ersten messbaren elektroschwachen Prozesse bei LHC Tests für perturbative QCD und Partondichtefunktionen (W-Ladungsasymmetrie) Genaue Kalibration der Detektoren mit Z Luminositätsmessung Untergrund für neue Physik FEWZ: Melnikow und Petriello MSTW: Martin-Stirling-Thorne-Watt Parton Distribution Functions C.-E. Wulz

22 W Bevorzugt für Analyse: Leptonische Zerfallskanäle
W -> en, W -> mn … transversale Masse (Jacobi-Peak) EWK: andere EWK backgrounds (Drell-Yan, W -> tau nu, Z -> tau tau. Letzter Term in missing Ex,y: Korrektur für dE/dx der Myonen im Kalorimeter Beachte: wenig Untergrund! Vektorsumme von ET in den einzelnen Kalorimeterzellen (i=1,n) ist Null falls kein Neutrino vorhanden ist, anderenfalls Falls Myonen vorhanden sind, muss man ihren Impuls berücksichtigen, da sie minimal ionisierende Teilchen sind. Hermetizität des Detektors! W+ und W- werden am LHC mit unterschiedlichen Raten erzeugt, da u- gegenüber d-Quarks dominieren. C.-E. Wulz Ma. Laach, Sep. 2010

23 Z Z -> e+e-, Z -> m+m- ATLAS: σ (Z  ll) = 0.83 ± 0.07 (stat) ± 0.06 (syst) ± 0.09 (lumi) nb σ (Z  ee) = ± 0.11 (stat) ± 0.10 (syst) ± 0.08 (lumi) nb σ (Z  μμ) = 0.89 ± 0.10 (stat) ± 0.07 (syst) ± 0.10 (lumi) nb C.-E. Wulz

24 Z -> mm C.-E. Wulz Ma. Laach, Sep. 2010

25 1. Beauty-Ereignis: B+ (bu) -> K+ + J/y
_ B: t = 1.6 ps, Zerfallslänge ca. 2 mm C.-E. Wulz

26 Flavour Tagging Identifikation von Jets aus Fragmentation von (hauptsächlich) b-Quarks: Präzisionsmessungen auf den Gebieten von Top- und Higgs-Physik Entdeckung von Supersymmetrie und anderer neuer Physik Unterdrückung von Untergrund aus leichteren Quarks Luminositätsmessung Untergrund für neue Physik beta gamma = p (B-Hadron) / M (B-Hadron) c, M (B-Hadron ca. 5 GeV) Zerfallslänge L: Distanz Sekundärvertex – Primärvertex b-Hadronen: ct ≈ 450 mm, L = bgct ≈ einige mm Impaktparameter einer Spur: Kürzester Abstand zum Primärvertex (3-dimensional oder transversal) C.-E. Wulz

27 ATLAS Pixeldetektor cdf3317_top_ijmpa.pdf C.-E. Wulz

28 B-Tagging bei CDF cdf3317_top_ijmpa.pdf Massenverteilung für das W + ≥ 4 Jets Sample ohne b-Tagging. Gelb: Untergrund (ohne tt) Massenverteilung für das W + ≥ 4 Jets Sample mit b-Tagging. Untergrund ohne (punktiert) und mit tt (strichliert) ist ebenfalls eingezeichnet. - C.-E. Wulz

29 Top-Antitop LHC: 87% LHC: 13%
Das Top-Quark ist aus mehreren Gründen interessant: Hohe Masse: mt = (173 ± 0.6 stat. ± 1.1 sys.) GeV (Tevatron) Yukawa-Kopplung lt = ±  > vielleicht spezielle Rolle bei der elektroschwachen Symmetriebrechung? Zerfall noch vor Hadronisierung (Lebensdauer kürzer als Hadronisierungszeit) Genaue Messung der Topmasse schränkt den möglichen Higgsmassenbereich ein (7 TeV) ≈ 163 pb, (14 TeV) ≈ 920 pb (NNLO) – 4% mit 100 pb-1 erreichbar Verzweigungsverhältnis (BR) t -> Wb fast 100% Ausgezeichnete Zerfallskanäle: W -> en, mn (leptonisch), W -> + Jet (semileptonisch) 87% of cross section: gluon fusion, 13% quark-antiquark annihilation Einziges Quark, das vor Hadronisierung zerfällt. Siehe auch CMS top paper. Sigma 7.5 pb am Tevatron. q-antiq-Annihilation bei Tevatron dominant. Wirkungsquesrschnittwerte siehe Kidonakis-top.ppt C.-E. Wulz

30 m + Jets Topkandidat m Rekonstruierte Topmasse: 210 GeV
14. Juli 2010 m + Jets Topkandidat Rekonstruierte Topmasse: 210 GeV Massen der Jets ohne b-Tag (3 Kombinationen): 104, 105 und 151 GeV p b W+ t W- l-  b-jet l+ Selektion: 1 m mit hohem pT ETmiss > 100 GeV 4 Jets, davon mindestens einer mit b-Tag Mehr Statistik wird noch für endgültige Bestätigung gebraucht! m C.-E. Wulz

31 Single Top Die elektroschwache Produktion von Einzel-Tops (1. Nachweis 2006 am Tevatron) erfolgt mit viel geringeren Wirkungsquerschnitten als von tt-Paaren, so dass diese nicht für erste LHC-Physik relevant sind. Untergrund hauptsächlich tt. _ s-Kanal Drell-Yan Wt-Kanal Klein bei Tevatron, signifikant bei LHC Klein bei Tevatron und LHC Fehler fuer tau-Kanaele und Etmiss-Kanaele natuerlich groesser als fuer e/mu bei CDF/D0 Assoziierte Wt-Produktion: bg -> t W-. UNtergrund hautpsaechlich semileptonischer t-Zerfall. Singletop_ATLAS2009.pdf Tevatron t-Kanal LHC 14 TeV t: (246 ± 10.2) pb s: (10.7 ± 0.7) pb Wt: (66.5 ± 3) pb Dominant bei Tevatron und LHC C.-E. Wulz

32 Präzisionsmessungen Präzisionsmessungen erlauben durch Quantenschleifen höhere Massenskalen zu erforschen, als die Massen der in Reaktionen direkt involvierten Teilchen. Beispiele: Status of the global electroweak fit of the Standard Model Authors: Andreas Hoecker (CERN) … “Tree level” Wert … Gemessener Mittelwert Schleifenkorrekturen 0.5% (18.5 s)! Diese hängen u.a. von der Higgsmasse ab. C.-E. Wulz 32 Ma. Laach, Sep. 2010

33 Globale Fits Fitparameter: MZ , MH , mt , Dahad(5)(MZ2), aS (MZ2), mc , mb aus Messungen bei SLC, LEP, Tevatron. Grünes Band: 1s-Ergebnis für die erlaubte Higgs-Masse, die sich aus allen Messungen ergibt. Messpunkte: wenn man z.B. MZ im globalen Fit ignoriert, kann man noch immer die Higgsmasse fitten. Man würde dann einen sehr niedrigen Wert bekommen, ( ) GeV. Die Z-Breite GZ hat jedoch überhaupt keinen Einfluss. Die Standardabweichungen aller Messungen liegen immer unter 3 sigma! mc und mb sind im MS-quer Schema. The figure shows a green vertical band on an axis describing the Higgs mass: that is the one-sigma result on the Higgs mass value allowed by all measurements together. And then you see a bunch of points with error bars, each associated with one parameter of the standard model. Take the first point at the top: its meaning is that if we were to ignore the knowledge of the Z boson mass in the global fit, we could still fit for the Higgs boson mass; and we would then get a very low value, GeV. Or take the last one: if we were to ignore the precise measurements of the top quark mass obtained at the Tevatron, all other measurements would point to a Higgs mass of 116 GeV, with a large error bar. In practice, the larger the error bar in this graph is, the more important is the relative variable in fitting for the Higgs mass! The graph therefore allows to visually "pick up" which are the variables that are pulling one way or the other, and how strongly they do so. The experimental value of the Z mass pulls up, since if we remove it we fit a very low Higgs mass; the same goes for Delta_alpha_had, the sixth bar from the bottom (no, I am not going to explain what this is, but just mention that it is the variation of a coupling constant with energy). Top mass and W mass instead pull the unknown Higgs mass down significantly, since their removal brings the prediction up C.-E. Wulz 33 Ma. Laach, Sep. 2010

34 BACKUP

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36 Single Top Die elektroschwache Produktion von Einzel-Tops (1. Nachweis 2006 am Tevatron) erfolgt mit viel geringeren Wirkungsquerschnitten als von tt-Paaren, so dass diese nicht für erste LHC-Physik relevant sind. _ Klein bei Tevatron, signifikant bei LHC s-Kanal Drell-Yan Fehler fuer tau-Kanaele und Etmiss-Kanaele natuerlich groesser als fuer e/mu t-Kanal: q bbar -> q’ t Assoziierte Wt-Produktion: bg -> t W- Klein bei Tevatron und LHC Dominant bei Tevatron und LHC t-Kanal W-g-Fusion C.-E. Wulz