Diplomarbeitsvortrag auf der DPG Frühjahrstagung 2010

Massenbestimmungdes Top-Quarks

anhand der Zerfallslängevon B-Hadronen

im CMS-Experiment

Andreas HertenIII. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen

DPG Frühjahrstagung 2010

GEFÖRDERT VOM

Inhalt

2

• CMS-Experiment

• Zerfallslängenmethode

• Generatorstudie

• Rekonstruierte B-Jets

bt B∗�B D

[cm]xyL0 2 4 6 8 10 12

rel.

Einh

eite

n

1

10

210

310

410

510

(stacked)•B

[cm]xyL0 2 4 6 8 10 12

rel.

Einh

eite

n

1

10

210

310

410

510

[cm]xyL0 2 4 6 8 10 12

rel.

Einh

eite

n

1

10

210

310

410

510

[cm]xyL0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

rel.

Einh

eite

n

-410

-310

-210

= 170 TeVtm

Compact Muon Solenoidø 15 Meter • 12.500 Tonnen • 3,8 Tesla Magnetfeld

3SolenoidSolenoidSolenoid

MyonkammernEisenjoch

Solenoid

ECALHCAL

Pixel-TrackerStreifen-Tracker

Compact Muon Solenoidø 15 Meter • 12.500 Tonnen • 3,8 Tesla Magnetfeld

3SolenoidSolenoidSolenoid

MyonkammernEisenjoch

Solenoid

ECALHCAL

Pixel-TrackerStreifen-Tracker

4

TrackerPixel Streifen

Zylinder(„Barrel“)

3 Lagen(4, 7, 11 cm)

10 Lagen(bis 130 cm)

Endkappe(„Endcap“)

je 2 pro Seite je 9 pro Seite

Anzahl 66 Millionen 9,6 Millionen

Abmessung 100 µm * 150 µm 10 cm * 180 µm25 cm * 180 µm

Fläche 1 m² 200 m²

Streifen Pixel

Größter Siliziumdetektor der Welt(Fläche eines Tennisfelds)

Auflösevermögen:• z: ± 20 µm• r-Φ: ± 10 µm• |η| < 2,4

4

TrackerPixel Streifen

Zylinder(„Barrel“)

3 Lagen(4, 7, 11 cm)

10 Lagen(bis 130 cm)

Endkappe(„Endcap“)

je 2 pro Seite je 9 pro Seite

Anzahl 66 Millionen 9,6 Millionen

Abmessung 100 µm * 150 µm 10 cm * 180 µm25 cm * 180 µm

Fläche 1 m² 200 m²

Streifen Pixel

Größter Siliziumdetektor der Welt(Fläche eines Tennisfelds)

Auflösevermögen:• z: ± 20 µm• r-Φ: ± 10 µm• |η| < 2,4

Top-Zerfall

5

Jet

b

b̄

t

W+

t̄W−

p

p

Rekonstruktion Top-Masseübliche Vorgehensweise

6

W+

W−

Jet

b

b̄

t

t̄

p

p

Rekonstruktion Top-Masseübliche Vorgehensweise

6

W+

W−

Jet

b

b̄

t

t̄

p

p

Jet

b

W+

Jet

q

q̄

Jet

leptonisch

hadronisch

Rekonstruktion Top-Masseübliche Vorgehensweise

7

W+ µ+

νµ

W−

e−

ν̄e

b̄

t

t̄

p

p

W-Boson:• dileptonisch • semileptonisch • vollhadronisch

Kenntnisse aller Zerfallsprodukte

Kalorimeter-Information notwendig→ Systematische Unsicherheiten (Jet-Energie-Skala: 10%)

Jet

b

W+

Jet

q

q̄

Jet

leptonisch

hadronisch

Rekonstruktion Top-Masseübliche Vorgehensweise

7

W+ µ+

νµ

W−

e−

ν̄e

b̄

t

t̄

p

p

W-Boson:• dileptonisch • semileptonisch • vollhadronisch

Kenntnisse aller Zerfallsprodukte

Kalorimeter-Information notwendig→ Systematische Unsicherheiten (Jet-Energie-Skala: 10%)

Rekonstruktion Top-MasseZerfallslängenmethode

Unabhängig von der JES!8

Jet

b

b̄

t

W+ µ+

νµ

t̄W−

e−

ν̄e

p

p

Rekonstruktion Top-MasseZerfallslängenmethode

Unabhängig von der JES!8

Jet

b

b̄

t

W+ µ+

νµ

t̄W−

e−

ν̄e

p

p

9

bt B∗�B D

instantan Lebensdauer:

Zerfallslängenmethode

Zerfall:

Zerfallslänge:

τ̄ = 1,574 · 10−12 sL̄ = 0,472mm

10

bt B∗�B D

L = cτ L = cτβγRuhe Boost durch Top-Masse

ZerfallslängenmethodetMesse Zerfallslänge L → messe Top-Masse m

10

bt B∗�B D

L = cτ L = cτβγRuhe Boost durch Top-Masse

ZerfallslängenmethodetMesse Zerfallslänge L → messe Top-Masse m

L = cτβγ ≈ 0,4cτβmt

mb

10

bt B∗�B D

L = cτ L = cτβγ⇒ L ∼ mt

Ruhe Boost durch Top-Masse

ZerfallslängenmethodetMesse Zerfallslänge L → messe Top-Masse m

L = cτβγ ≈ 0,4cτβmt

mb

10

bt B∗�B D

L = cτ L = cτβγ⇒ L ∼ mt

Ruhe Boost durch Top-Masse

ZerfallslängenmethodetMesse Zerfallslänge L → messe Top-Masse m

L = cτβγ ≈ 0,4cτβmt

mb

L̄ = 0,47mm L̄ ≈ 8mm

GeneratorstudieStrategie

11

t-Quark

b-Quark

B*-Meson

B-Meson

B-Meson

bel.Tochter

aktuelles Teilchen

? ?

= alle Töchter

?

??

!

!Lxy

Generator-Interna

1

2 1

vertex( ) -

vertex( )2

1

GeneratorstudiePYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events

12

Bild mit histogrammierten Zerfalsllängenbei m(t) = 170 GeV

GeneratorstudiePYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events

13

Bild mit histogrammierten Zerfalsllängenbei m(t) = 170 GeV

+ Exponentialfit

Warum keine Exponentialfunktion?Überlagerung verschiedener B-Mesonen • Annahme β = 1

14

VORLÄUFIG

Plot mit stacked Histogrammen der obigen verschiedenen B-Mesonen, farblich kodiert.

Zerfallslängen von B0

Zerfallslängen vonB+

Zerfallslängen vonBs

GeneratorstudiePYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events

15

Bild mit histogrammierten Zerfalsllängenbei m(t) = 170 GeV

+ Exponentialfit

GeneratorstudiePYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events

16

Bild mit histogrammierten Zerfalsllängenfür verschiedene Top-Massen inkl. Fits und Fit-Parameter

Kalibrationsgerade

17

Kalibrationsgeraden zwischenFit-Parameter und Top-Massen

für 7 TeV und 10 TeV

Rekonstruktion Top-MasseDetektorsimulation

18

Jet

b

b̄

W+ µ+

νµ

W−

e−

ν̄e

t

t̄

p

p

Rekonstruktion Top-MasseDetektorsimulation

18

Jet

b

b̄

W+ µ+

νµ

W−

e−

ν̄e

t

t̄

p

p

Rekonstruktion Top-MasseDetektorsimulation

18

Jet

b

b̄

W+ µ+

νµ

W−

e−

ν̄e

t

t̄

p

p

Dileptonischer Kanal:2 B-Jets

Rekonstruktion Top-MasseDetektorsimulation

18

Jet

b

b̄

W+ µ+

νµ

W−

e−

ν̄e

t

t̄

p

p

Dileptonischer Kanal:2 B-Jets

B-Jet-MatchingStrategie (Detektorsimulation)

19

höchster B-Tag

aktuellerJet

>? Lxy>? 2. höchster

B-Tag

(je)Primärvtx

-Sekundärvtx

Dileptonisch

B-Tag

B-Jet 1 B-Jet 2

20

DetektorsimulationPYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events

Bild mit histogrammierten Zerfalsllängenbei m(t) = 170 GeV

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DetektorsimulationPYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events

Bild mit histogrammierten Zerfalsllängenbei m(t) = 170 GeV und eingezeichnetem Fit

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DetektorsimulationPYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events

Bild mit histogrammierten Zerfalsllängenverschiedener Top-Massen, inkl. Fits und Fit-Parameter

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DetektorsimulationPYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events

Kalibrationsgeraden zwischenFit-Parameter und Top-Massen

für 7 TeV und 10 TeV

Zusammenfassung & Ausblick• Verifizierung Methode als Generatorstudie

• Abweichungen von Erwartung

• Detektorsimulation (begonnen)

24

• Detekorsimulation (weiter)

• Implementierung Dileptonselektion (vgl. T38.1, T40.2)

• Fehlerabschätzungen

herten@physik.rwth-aachen.de

Vielen Dank!