Das Top-Quark

Seminarvortrag von Florian Senger

Inhalt

• Was ist das Top-Quark?

• Motivation

• Produktion

• Entdeckung

• Messung der Masse

• Ausblick

Was ist das Top-Quark?

• Top-Quark: Isospin-Doublet-Partner des Bottom-Quark

• Top-Quark schwerstes Elementarteilchen, Masse ähnlich der eines Gold-Atoms

• Durch Schleifenkorrekturterm lässt sich die Topmasse bereits theoretisch vorhersagen

• Z-Masse sehr genau bekannt: 92+-2GeV/c2

Chronologische Entwicklung der mtop-Werte

Motivation

• Durch Schleifenkorrekturterm lässt sich Masse des Higgs-Bosons in Abhängigkeit der Top-Masse und der W-Masse berechnen

• Higgs-Masse fundamental für Standart-Modell

Grünes Band:

Geradenschar mt gegen mw in Abhängigkeit von mH

• Momentan höchstmögliche Energie für

ee--Kollisionen: 209 GeV am LEP

• Offensichtlich nicht ausreichend

e

e-

Produktionsmöglichkeit:

Produktion

Wirkungsquerschnitt: 6,8 pb

Gluon-Gluon-Kollision, Anteil: 10-15%

Zerfallskanäle

t→ W+b

t→W-b

W+→l+

W+→qq‘

W-→l-

W-→qq‘-

-

-

- -

Zerfallshäufigkeit

• Et: transversale Energie, Et=Esinµ

• Pt: Transversal-Impuls

• Et: fehlende transversale Energie, bedingt durch Neutrinos

/

µ

p p

-

Entdeckung

Tevatron

• √s = 1,8 TeV• Bei einem Querschnitt

von ~6 pb und einer integrierten Luminosität von ~100 pb-1 erwarten wir ~600 Ereignisse

-

• Im Spurdetektor und im EM-Kalorimeter werden Et und Pt von Elektronen gemessen, die beim leptonischen W-Zerfall entstehen, im µ-Detektor von entstehenden Myonen. Et lässt auf Neutrinos schliessen.

Detektorkomponenten, D0

• Auswahlregeln, semileptonischer Kanal: Ereignisse müssen, um berücksichtigt zu werden:

• Ein Elektron (Myon) und vier Jets enthalten

• Es gibt 24 verschiedene Möglichkeiten, ein Ereignis der Top-Theorie folgend zu rekonstruieren

• Durch SVX und SLT gemessene Jets werden B-Quarks zugeordnet

Secondary Vertex (SVX) Tagging: In Spurkammern werden die Jets der B-Zerfälle vermessen und ihre Energie in Kalorimetern bestimmt.

Lebensdauer

B-Quark: 1,6 ps

Querschnitte durch den Messbereich

SLT / SVX

• Second Vertex Tagging (SVX): In Detektoren nahe beim Kollisionspunkt werden die Zerfälle der B-Mesonen vermessen und ihre Energie bestimmt

• Semileptonic Tagging (SLT): In Spurkammer, EM-Kalorimeter und Myonenkammer wird nach Leptonen aus semileptonischem Zerfall der B-Mesonen gesucht

Gesamtereignisse: KreiseBerechneter Hintergrund: Kästchen

ermittelte SVX-Tags: Dreiecke

CDF

• Anzahl beobachteter Ereignisse aufgetragen gegen Anzahl erwarteter Hintergrundereignisse und Wahrscheinlichkeit, daß alle Ereignisse auf Hintergrund zurückzuführen sind:

erste experimentelle Bestimmung der Top-Masse zu Mtop=176+-8(stat)+-10(syst)GeV/c²

Messung der Masse

• 1998 veröffentlicht CDF eine präzisere Messung der Top-Masse. Es werden wieder pp´-Kollisionen durchgeführt, mit

√s =1,8TeV und einer Luminosität von 109 pb-1

• Es werden nur Ereignisse oberhalb einer gewissen Mindestenergie der Jets und Leptonen berücksichtigt

• Eine X²-Minimierung wird auf die Ereignisse angewandt, Ereignisse mit X²>10 werden nicht berücksichtigt

• Am Ende bleiben 76 Ereignisse

Verbesserung der Auswertung

Die Massenrekonstruktion führt zu folgender Verteilung:

• Folgende systematische Fehler müssen bei der Messung berücksichtigt werden:

Damit ergibt sich die Top-Masse zu 175,9+-4,8(stat)+-4,9(syst) GeV/c²

Zeitliche Entwicklung der Fehler

Ausblick

• Neuere Messungen haben für die Top-Masse 171,4+-2,1 GeV ergeben

• Genauere Messungen werden durch das LHC möglich

Zusammenfassung

• Top-Quark theoretisch schon länger durch Standart-Modell vorhergesagt

• Top-Quark-Masse fundamental wichtig für Standart-Modell (Vorhersage der Higgs-Masse)

• Top-Quark am Fermilab 1994 nachgewiesen und mittlerweile zu 171,4 GeV bestimmt