3.11.2003raimund ströhmer, lmu münchen1 die bestimmung der massen von w-boson und top-quark für...
TRANSCRIPT
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
1
Die Bestimmung der Massen von W-Boson und Top-Quark für den Präzisionstest der elektroschwachen Theorie
•Motivation•Bestimmung der W-Boson Masse am LEP•Bestimmung der W-Boson Masse am Tevatron
- Der Level 2 Myontrigger beim D0 Experiment•Messung der Top Masse am Tevatron
-Silizium-Vertexdetektoren•Zukunftsaussichten
Raimund Ströhmer, LMU München, Sektion Physik, LS Schaile
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
2
Die elektroschwache Wechselwirkung
Fermi hat zur Erklärung des Zerfalles eine 4-Fermion Wechselwirkung eingeführt.
Um Divergenzen bei hohenSchwerpunktsenergien zu vermeiden, werden massive Eichbosonen eingeführt.
Im Standardmodell werden die Massen der Eichbosonen durch den Higgsmechanismus erklärt.
Konsistente Theorie mit wenigen Parametern
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
3
Die Masse des W-Bosons
In niedrigster Ordnung ist die W-Masse durch 3 Parameter bestimmt.(Üblicherweise: MZ , G)
Zusätzliche Abhängigkeit von MTop und MHiggs durch Beiträge höherer Ordnung
Messung von Mw und MTop testet das Standardmodell auf dem Niveau von Schleifen-Korrekturen.
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
4
Bestimmung der W-Masse am LEP
e+e- - Collider: 27 km Umfang LEP I: 1989-1995ECM= 91 ±3 GeV, 4 x 4 106 Z0
LEP II: 1996-2000ECM= 161-208 GeV,4 x 10 103 W-Paare
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
5
W-Paar Produktion
68% der W-Bosonenzerfallen hadronisch
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
6
Ereignistopologien
hadronisch (46%)Keine fehlende Energie.Zuordnung von Jets zu WsEndzustandswechselw.
semileptonisch (44%)Rekonstruktion des Neutrinosaus Impuls- und Energieerhaltung
leptonisch (10%)Vollständige kinematische Rekonstr. nicht möglich, Mw ausEnergiespektrum
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
7
Kinematische Rekonstruktion
Invariante Jetpaar-Masse hat eine Auflösung von etwa 10% (Energieauflösung der Jets)
Kinematischer Fit: Bestimmung der Jet- und Lepton-Impulse so dass:• Energie-Impuls-Erhaltung erfüllt ist• möglichst gute Übereinstimmung mit der Messung
Bias durch Anfangszustands-Strahlung.Schwerpunktsenergie muss bekannt sein.
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
8
Massenbestimmung: Methode 1
Alle Einflüsse auf das Massenspektrum die in Monte Carlo enthalten sind werden automatisch berücksichtigt.
Vergleich von Daten und simulierten Massenspektren
Alle Einflüsse auf das Massenspektrum die in der Simulation enthalten sind, werden automatisch berücksichtigt.
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
9
Massenbestimmung: Methode 2Bestimmung der Ereigniswahrscheinlichkeit durch Faltung
einer Auflösungsfunktion (Wahrscheinlichkeit, dass das beobachtete Ereignis von einer bestimmte W-Masse stammt)
einer Physikfunktion (Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte W-Masse zu produzieren)
mit
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
10
Systematische Unsicherheiten
Strahlenergie - Aufgrund des kinematischen Fits
Detektorauflösung- Kalibrierung mit Z0-Ereignissen
Elektromagnetische Korrekturen- Anfangs- und Endzustandsstrahlung - Virtuelle Korrekturen
HadronisationEndzustandswechselwirkungen
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
11
Hadronisation
Abschätzung des Fehlers durch Vergleich verschiedener Modelle bzw. Modellparameter, die die LEP I Z0-Daten gut beschreiben.
Übergang von farbigen Quarks und Gluonen in Hadronen kann nur durch Modelle beschrieben werden.
Systematische Unsicherheiten wegen:Zuordnung von Teilchen zu JetsMindestimpuls von TeilchenSchlechte Energieauflösung für neutrale HadronenBehandlung aller geladenen Teilchen als Pionen
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
12
Endzustandswechselwirkung
Zerfallen beide W-Bosonen hadronisch, sind Wechselwirkungen zwischen den Zerfallsprodukten möglich.Bose-Einstein Korrelation: Verstärkte Produktion von identischen Bosonen (unterschiedlicher Ws) nahe im Phasenraum.Color Reconnection: Wechselwirkung von farbigen Objekten von verschiedenen W-Bosonen.
Wenn die beiden Ws nicht unabhängig zerfallen, kann das die Massenmessung beeinflussen: Ist der Winkel zwischen Jets von unterschiedlichen Ws kleiner Winkel zwischen Jets vom selben W größer größere rekonstruierte Masse.
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
13
Color Reconnection
Partonen von unterschiedlichen Ws hadronisieren nicht unabhängig.Erhöhte Produktion von niederenergetischen Teilchen zwischen Jets von unterschiedlichen Ws.
Ausschluss von extremen Modellen: Studien des Teilchenflusses zwischen den Jets.Reduktion des Einflusses auf Massenmessung: Bestimmung der Jetrichtung nur mit Teilchen mit Mindesimpuls (typisch 2 GeV).
Effekt von Color-Reconnection während der Hadronisation nur durch phänomenologische Modelle beschreibbar.
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
14
Die W-Boson MasseDominante Fehler in MeV qql qqqq Komb
ISR/FSR 8 8 8
Hadronisation
19 18 18
Detektor 14 10 14
LEP Strahlenergie
17 17 17
Color Recon. - 90 9
Bose-Einstein - 35 3
tot. syst. Fehler 31 101 31
stat. Fehler 32 35 29
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
15
Das Tevatron
am Fermilab bei Chicago
Run I: 1992-1995100 pb-1 bei s = 1.8 TeV
Run II: seit 2001geplant 4-9 fb-1 bei s = 1.96 TeV
Detektor Upgrades: Spurkammern (zentrales Magnetfeld für D0) Silizium Vertexdetektoren, Trigger und Elektronik, u.a.
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
16
Die W-Boson Masse am Tevatron
Bestimmung aus leptonischen W- Zerfällen (e
- da zu hoher Untergrund für hadronische Zerfälle
Neutrinoenergie kann nicht vollständig rekonstruiert werden- da Energie entlang der
Strahlachse nicht bekannt ist Benutze: )cos1)((p(2pm l T lTT
Dominante Fehler: Statistik, Lepton-Energieskala (bestimmt aus Z0- und J/-Ereignissen) große Verbesserungen in Run II erwartet
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
17
Der Level 2 Myontrigger bei D0Bestimmung von Spursegmenten im A- und BC-Layer.Abschätzung des Impulses: Richtungsänderung zwischen A- und BC-Layer im Magnetfeld.
Verfügbare Zeit zur Bestimmung der Spursegmente s Unabhängige Bestimmung für Detektorregionen auf einzelnen Prozessoren (80 x 160 MHz DSP)Test von Hitmustern mit Lookup Tabellen
(die benutzten DSP arbeiten nur mit integer Zahlen) Effizienz
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
18
Top Produktion
Paar-Produktion85%
15%
tW
b
tW
b
BR( t → Wb) ≈ 100%
σtheory ≈ 7 pb
b-Jet: Identifiziert durchSekundärvertex oder Lepton
Ereignistopologie bestimmt durchW-Zerfälle
Dilepton (e 5%
Lepton (eJets 29%
Nur Jets 46% +X 20%
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
19
Bestimmung der Top-Masse
Massenspektren - Kinematischer Fit unter tt-
Hypothese.- Benutze um beste Kombination
zu wählen.- Vergleiche Massenverteilung mit
Monte Carlo Template.
Ereigniswahrscheinlichkeit- Signal- und Untergrund-
wahrscheinlichkeit für jedes Ereignis als Funktion von MTop
- Benutze alle Kombinationen- Fehler des neuen D0 Ergebnises
entspricht 2.5 mal höherer Statistik
25.4GeV/c180.1 D0 Lepton+jets
-
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
20
Sekundärer Vertex-Tag
6 Barrels
12 F-disks 4 H-disksD0 Silizium-Vertexdetektor
Lange B-Hadron-Zerfallslänge: (cm)Boost Lxy ~ 3mm
Der Zerfall hat hohe Multiplizität.
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
21
Der SVX2/SVX3 Auslesechip
132 ns Bunch-Spacing5 s L1 EntscheidungszeitAuslese für L2 Trigger- Auslese nur von Kanälen mit
Signal über einer Schwelle - Dynamische Pedestal
Subtraktion
Strahlenhärte (4MRad getestet)
Anforderungen:
Analoge Pipeline
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
22
Der SVX3 Auslese Chip
Speichern des analogen Signals in Pipelinezellen.Gleichzeitiges Lesen und Schreiben von unterschiedlichen Pipelinezellen Totzeitlose Auslese
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
23
Zusammenfassung
Das Standardmodell wir auf dem Niveau von Quantenkorrekturen bestätigt.
MTop = 174.3 ± 5.3 GeV/c2
MW= 80.426 ± 0.034 GeV/c2
3.11.2003 Raimund Ströhmer, LMU München
24
Aussichten
Tevatron Run II und LHC- Analysen werden systematisch limitiert sein.
MTop : Jetenergie und Endzustandsgluonstrahlung (1-2 GeV)
MW : Leptonenergieskala, fehlende Energie (10-20 MeV)- Reduktion der systematischen Fehler durch große Kontrollensemble
ee Linearbeschleuniger- Bestimmung von MTop und MW durch einen Scan der
Schwerpunktsenergie an der Paarproduktionsschwelle. - Erwartete Genauigkeit: MTop200 MeV, MW2 MeV,