das top-quark als schlüssel zur lhc-physik vh-ng-400
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Auswahlsitzung der zu f ördernden Nachwuchsgruppen im Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft 14. November 2007. Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik VH-NG-400. Die fundamentalen Bausteine der Natur. Standardmodell der Elementarteilchenphysik: - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Ulrich HusemannYale University
in Zusammenarbeit mitKlaus Mönig, Deutsches Elektronen-Synchrotron
Thomas Lohse, Humboldt-Universität zu Berlin
Das Top-Quark als
Schlüssel zur LHC-PhysikVH-NG-400
Auswahlsitzung der zu fördernden Nachwuchsgruppen im Impuls- und Vernetzungsfonds
der Helmholtz-Gemeinschaft
14. November 2007
22U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Die fundamentalen Bausteine der Natur
2
Dunkle Energie
Dunkle Materie
„normale” Materie
[DESY]
Standardmodell der Elementarteilchenphysik:
Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen
Kräfte: starke Wechselwirkung – elektromagnetische Wechselwirkung – schwache Wechselwirkung
Experimentelle Bestätigung des Standardmodells an Teilchen-beschleunigern mit hoher Präzision seit mehr als 30 Jahren
Standardmodell ist unvollständig:Ungelöste Frage: wie erhalten Elementarteilchen ihre Masse?
Präzisionsmessungen: Probleme bei Beschreibung von Prozessen oberhalb von 1 Tera-Elektronvolt (TeV) Energie?
Kosmologie: nur 4% der Energie im Universum durch „normale” Materie
Standardmodell der Elementarteilchenphysik:
Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen
Kräfte: starke Wechselwirkung – elektromagnetische Wechselwirkung – schwache Wechselwirkung
Experimentelle Bestätigung des Standardmodells an Teilchen-beschleunigern mit hoher Präzision seit mehr als 30 Jahren
Standardmodell ist unvollständig:Ungelöste Frage: wie erhalten Elementarteilchen ihre Masse?
Präzisionsmessungen: Probleme bei Beschreibung von Prozessen oberhalb von 1 Tera-Elektronvolt (TeV) Energie?
Kosmologie: nur 4% der Energie im Universum durch „normale” Materie
33U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Die Sonderrolle des Top-Quarks
3
Top-Quark entdeckt am Tevatron (1995), seitdem: detaillierte Vermessung der Eigenschaften
Große Masse: Punktförmiges Teilchen, aber Masse vergleichbar mit Goldatom
Extrem kurze Lebensdauer, bildet keine gebundenen Zustände
Neue Physik mit Top-Quarks?
Hat das Top-Quark die im Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften?
Gibt es noch schwerere Teilchen, die in Top-Quarks zerfallen?
Was trägt das Top-Quark zum Mechanismus der Massenerzeugung bei?
Top-Quark entdeckt am Tevatron (1995), seitdem: detaillierte Vermessung der Eigenschaften
Große Masse: Punktförmiges Teilchen, aber Masse vergleichbar mit Goldatom
Extrem kurze Lebensdauer, bildet keine gebundenen Zustände
Neue Physik mit Top-Quarks?
Hat das Top-Quark die im Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften?
Gibt es noch schwerere Teilchen, die in Top-Quarks zerfallen?
Was trägt das Top-Quark zum Mechanismus der Massenerzeugung bei?
Seitenansicht Seitenansicht eines Top-eines Top-Quark-ZerfallsQuark-Zerfallsbeim CDF-beim CDF-Experiment Experiment am Tevatron am Tevatron (24.09.1992)(24.09.1992)
Seitenansicht Seitenansicht eines Top-eines Top-Quark-ZerfallsQuark-Zerfallsbeim CDF-beim CDF-Experiment Experiment am Tevatron am Tevatron (24.09.1992)(24.09.1992)
[CDF]
44U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Physik an Hadron-Speicherringen
4
Tevatron (bis 2009/10): Proton-Antiproton-Kollisionen bei Energien von 2 TeV
Neu: Large Hadron Collider (LHC)Proton-Proton-Kollisionen bei bisher unerreichten 14 TeV, Inbetriebnahme: 2008
Vielzweckexperimente: ATLAS, CMS
LHC: Revolution des physikalischen Weltbilds erwartet
Hadron-Speicherringe sind „Entdeckungsmaschinen”: höchste verfügbare Energien, höchste Ereignisraten
Schwieriges experimentelles Umfeld: interessante Ereignisse müssen von großem Untergrund getrennt werden (1 Top-Antitop-Paar in 100 Millionen Kollisionen)
Tevatron (bis 2009/10): Proton-Antiproton-Kollisionen bei Energien von 2 TeV
Neu: Large Hadron Collider (LHC)Proton-Proton-Kollisionen bei bisher unerreichten 14 TeV, Inbetriebnahme: 2008
Vielzweckexperimente: ATLAS, CMS
LHC: Revolution des physikalischen Weltbilds erwartet
Hadron-Speicherringe sind „Entdeckungsmaschinen”: höchste verfügbare Energien, höchste Ereignisraten
Schwieriges experimentelles Umfeld: interessante Ereignisse müssen von großem Untergrund getrennt werden (1 Top-Antitop-Paar in 100 Millionen Kollisionen)
Luftbildaufnahme: LHC
[CERN]
8,5 km
ATLASALICE
LHCb
CMS
ATLAS-DetektorATLAS-Detektor
40 m [ATLAS]
55U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Mein wissenschaftlicher Werdegang
5
Diplomstudium PhysikUniversität Dortmund (1995–2001)
Sommerstudent am NOMAD-Experiment: Neutrino-Kern-StreuungDiplomarbeit am HERA-B-Experiment: Leptonpaare in Proton-Kern-Kollisionen
Diplomstudium PhysikUniversität Dortmund (1995–2001)
Sommerstudent am NOMAD-Experiment: Neutrino-Kern-StreuungDiplomarbeit am HERA-B-Experiment: Leptonpaare in Proton-Kern-Kollisionen
Promotionsstudium PhysikUniversität Dortmund und Universität Siegen
(2001–2005)
Leptonpaar-Trigger bei HERA-B
Kerneffekte in der Produktion von J/ψ-Mesonen (hadronische Umgebung)
Promotionsstudium PhysikUniversität Dortmund und Universität Siegen
(2001–2005)
Leptonpaar-Trigger bei HERA-B
Kerneffekte in der Produktion von J/ψ-Mesonen (hadronische Umgebung)
Postdoctoral AssociateUniversity of Rochester und Yale University
(2005–heute)
Top-Quark-Physik am Hadron-Speicherring Tevatron
Leiter der Siliziumdetektor-Gruppe des CDF-Experiments
Postdoctoral AssociateUniversity of Rochester und Yale University
(2005–heute)
Top-Quark-Physik am Hadron-Speicherring Tevatron
Leiter der Siliziumdetektor-Gruppe des CDF-Experiments
… und Musik!… und Musik!
[Late Show with Leon Lederman]
66U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Zielsetzung der Nachwuchsgruppe
6
Top-Quark-Physik bei ATLAS
Inbetriebnahme des ATLAS-Detektors: Top-Ereignisse als Kalibrationssignale
Genaue Vermessung der Eigenschaften des Top-Quarks mit großen Datensätzen
Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks
Top-Quark-Physik bei ATLAS
Inbetriebnahme des ATLAS-Detektors: Top-Ereignisse als Kalibrationssignale
Genaue Vermessung der Eigenschaften des Top-Quarks mit großen Datensätzen
Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks
Siliziumdetektoren für LHC und Super-LHC
Zentrales Detektorelement für Top-Physik und Suche nach Neuer Physik: hochpräzise Silizium-Vertexdetektoren
Inbetriebnahme und Betrieb des ATLAS-Silizium-Pixeldetektors
Entwicklung von Siliziumdetektoren für LHC-Upgrade zu „Super-LHC”
Siliziumdetektoren für LHC und Super-LHC
Zentrales Detektorelement für Top-Physik und Suche nach Neuer Physik: hochpräzise Silizium-Vertexdetektoren
Inbetriebnahme und Betrieb des ATLAS-Silizium-Pixeldetektors
Entwicklung von Siliziumdetektoren für LHC-Upgrade zu „Super-LHC”
„Top As Key to LHC Physics”Signifikante Beiträge zu zentralen Fragestellungen
der Elementarteilchenphysik in der LHC-Ära
„Top As Key to LHC Physics”Signifikante Beiträge zu zentralen Fragestellungen
der Elementarteilchenphysik in der LHC-Ära
77U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Top-Quark-Physik bei ATLAS
7
Phase I: Inbetriebnahme
Herausforderung: komplexer neuer ATLAS-Detektor (100 Millionen Auslesekanälen)
Top-Quarks ideal zur Optimierung der Detektor-Leistungsfähigkeit:
Große Datensätze, bekannte Masse, diverse Zerfallskanäle
Test aller wichtigen Signaturen im Detektor: Jets aus leichten und schweren Quarks, geladene Leptonen, Neutrinos
Signatur im Detektor ähnelt Signalen Neuer Physik
Phase I: Inbetriebnahme
Herausforderung: komplexer neuer ATLAS-Detektor (100 Millionen Auslesekanälen)
Top-Quarks ideal zur Optimierung der Detektor-Leistungsfähigkeit:
Große Datensätze, bekannte Masse, diverse Zerfallskanäle
Test aller wichtigen Signaturen im Detektor: Jets aus leichten und schweren Quarks, geladene Leptonen, Neutrinos
Signatur im Detektor ähnelt Signalen Neuer Physik
ATLAS-DetektorATLAS-Detektor
Top-Paar-ZerfallTop-Paar-Zerfall
Kalibration
[ATLAS]
88U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Top-Quark-Physik bei ATLAS
8
Phase II: Top-Physik in der LHC-Ära
Aufbau auf große Top-Physik-Erfahrung am Tevatron, z. B.
Abschätzung von Untergründen aus Daten
Optimierung der Monte-Carlo-Simulation mit ersten Daten
Vermessung der Eigenschaften des Top mit hoher Präzision
Dilepton-Zerfallskanal: große Datensätze, geringer Standardmodell-Untergrund
Beispiel: Wirkungsquerschnitt für Top-Antitop-Produktion
• Top als Untergrund für Suchen nach Neuer Physik, z. B. Higgs-Boson-Zerfall in zwei W-Bosonen
Phase II: Top-Physik in der LHC-Ära
Aufbau auf große Top-Physik-Erfahrung am Tevatron, z. B.
Abschätzung von Untergründen aus Daten
Optimierung der Monte-Carlo-Simulation mit ersten Daten
Vermessung der Eigenschaften des Top mit hoher Präzision
Dilepton-Zerfallskanal: große Datensätze, geringer Standardmodell-Untergrund
Beispiel: Wirkungsquerschnitt für Top-Antitop-Produktion
• Top als Untergrund für Suchen nach Neuer Physik, z. B. Higgs-Boson-Zerfall in zwei W-Bosonen
Top-Dilepton-ZerfallTop-Dilepton-Zerfall
99U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Top-Quark-Physik bei ATLAS
9
Phase III: Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks
Fortführung und Erweiterung der Suche nach Neuer Physik mit Top
Beispiel: modellunabhängige Suche nach flavorverletzenden neutralen Strömen (meine derzeitige Forschung bei CDF)
LHC-Erwartung: Verbesserung der Sensitivität um Faktor 100–1000
• Erstmalige Überprüfung attraktiver Modelle Neuer Physik, z. B. Little-Higgs-Modelle
Erweiterter Top-Quark-Sektor verantwortlich für elektroschwache Symmetriebrechung
Suche nach vorhergesagtem schweren Partner des Top-Quarks
Unerwartete Neue Physik?
Phase III: Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks
Fortführung und Erweiterung der Suche nach Neuer Physik mit Top
Beispiel: modellunabhängige Suche nach flavorverletzenden neutralen Strömen (meine derzeitige Forschung bei CDF)
LHC-Erwartung: Verbesserung der Sensitivität um Faktor 100–1000
• Erstmalige Überprüfung attraktiver Modelle Neuer Physik, z. B. Little-Higgs-Modelle
Erweiterter Top-Quark-Sektor verantwortlich für elektroschwache Symmetriebrechung
Suche nach vorhergesagtem schweren Partner des Top-Quarks
Unerwartete Neue Physik?
Ein
träg
e
Diskriminante basierend auf invarianten Massen
`̀
0
1
2
3
4
Ere
igni
sse
pro
40 G
eV/c
2
Invariante T-Masse (GeV/c2)
0 1000 2000
ErwartetesSignal einesschweren Top-Quark bei ATLASmit 300-fb–1-Datensatz
1010
U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Siliziumdetektoren für LHC & Super-LHC
10
ATLAS-Silizium-Pixeldetektor
Siliziumdetektoren: zentrale Bedeutung für Identifikation von Top-Quark-Ereignissen und Neuer Physik durch Präzisions-Spurfindung und „B-Tagging”
Herausforderung: komplexer neuer Detektor, 80 Millionen Auslesekanäle
Teilnahme an Inbetriebnahme und Betrieb, Studien zur Leistungsfähigkeit
Fundierte experimentelle Ausbildung für Doktorandinnnen und Doktoranden
Wichtige Servicearbeit für ATLAS: Sichtbarkeit in der Kollaboration
Meine Servicearbeit bei CDF: Leitung der Siliziumdetektor-Gruppe (2006/7)
ATLAS-Silizium-Pixeldetektor
Siliziumdetektoren: zentrale Bedeutung für Identifikation von Top-Quark-Ereignissen und Neuer Physik durch Präzisions-Spurfindung und „B-Tagging”
Herausforderung: komplexer neuer Detektor, 80 Millionen Auslesekanäle
Teilnahme an Inbetriebnahme und Betrieb, Studien zur Leistungsfähigkeit
Fundierte experimentelle Ausbildung für Doktorandinnnen und Doktoranden
Wichtige Servicearbeit für ATLAS: Sichtbarkeit in der Kollaboration
Meine Servicearbeit bei CDF: Leitung der Siliziumdetektor-Gruppe (2006/7)
Neuartige Siliziumdetektoren für Super-LHC
LHC-Upgrade („Super-LHC” ab 2015): Anforderungen an Siliziumdetektoren:
Dünne strahlungsharte Sensoren
Infrastruktur: Mechanik, Kühlung, serielle Stromversorgung
Aufgaben der Nachwuchsgruppe: Teilnahme an Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu Siliziumdetektoren für Super-LHC
Enge Zusammenarbeit mit anderen Gruppen geplant (DESY, MPI München, Bonn)
Neuartige Siliziumdetektoren für Super-LHC
LHC-Upgrade („Super-LHC” ab 2015): Anforderungen an Siliziumdetektoren:
Dünne strahlungsharte Sensoren
Infrastruktur: Mechanik, Kühlung, serielle Stromversorgung
Aufgaben der Nachwuchsgruppe: Teilnahme an Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu Siliziumdetektoren für Super-LHC
Enge Zusammenarbeit mit anderen Gruppen geplant (DESY, MPI München, Bonn)
Der ATLAS-Silizium-PixeldetektorDer ATLAS-Silizium-Pixeldetektor
[ATLAS]
1111
U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400)
Geplante Zusammenarbeit
11
NachwuchsgruppeDr. Ulrich Husemann
Top-Quark-Physik bei ATLASSiliziumdetektoren
NachwuchsgruppeDr. Ulrich Husemann
Top-Quark-Physik bei ATLASSiliziumdetektoren
Weiterreichende Kooperationen
ATLAS-D (Helmholtz-Allianz) ATLAS-Kollaboration
Weiterreichende Kooperationen
ATLAS-D (Helmholtz-Allianz) ATLAS-Kollaboration
DESYdiverse Gruppen
(geplante Zusammenarbeit mit MPI München und Univ. Bonn)
Siliziumdetektoren
DESYdiverse Gruppen
(geplante Zusammenarbeit mit MPI München und Univ. Bonn)
Siliziumdetektoren
1 Doktorand/Doktorandin
DESYDr. Klaus Mönig
Top-Quark-Physik bei ATLAS
DESYDr. Klaus Mönig
Top-Quark-Physik bei ATLAS
HU BerlinProf. Dr. Thomas LohseProf. Dr. Heiko Lacker
Top-Quark-Physik bei ATLASSiliziumdetektoren
HU BerlinProf. Dr. Thomas LohseProf. Dr. Heiko Lacker
Top-Quark-Physik bei ATLASSiliziumdetektoren
Einbindung in Lehre1/2 Doktorand/Doktorandin1/2 Techniker
Postdoc2 Doktoranden/Doktorandinnen
[ATLAS]
Large Hadron Collider (LHC)
Neue Ära der Elementarteilchenphysik
Revolution im Verständnis der fundamentalen Struktur der Materie steht bevor
Das Top-Quark als Schlüssel zurLHC-Physik
Wichtigstes Kalibrationssignal
Zentrale Rolle in Suche nach Neuer Physik
Large Hadron Collider (LHC)
Neue Ära der Elementarteilchenphysik
Revolution im Verständnis der fundamentalen Struktur der Materie steht bevor
Das Top-Quark als Schlüssel zurLHC-Physik
Wichtigstes Kalibrationssignal
Zentrale Rolle in Suche nach Neuer Physik