Vlastnosti top kvarku pro koncové stavy se dvěma leptony

1. Vlastnosti top kvarku pro koncové stavy se dvěma leptony Kamil Augsten FJFI - ČVUT v Praze Seminář ATLAS

2. Outlook • Úvod – top kvark, detektor D0 • Vlastnosti top kvarku • Metoda kinematické rekonstrukce topologie vzniku páru top-antitop • Určení hmoty top kvarku • Rozbor chyb • Výhled – ATLAS, vylepšení metody Seminář ATLAS

3. Úvod – Proč top kvark? • Top kvark objeven 1995 ve Fermi National Accelerator Laboratory na urychlovači Tevatron (příslušnými detektory CDF a D0) • po dlouhém hledání – téměř dvacet let po b-kvarku - uzavřena šestice kvarků předpovězených SM • problémy – velká hmota, nevyskytuje se ve vázaných stavech (toponium) kvůli krátké době života • hmota topu je volný parametr v rámci SM • top může hrát zvláštní roli při porušení elektroslabé symetrie, ve vymezení hmoty dosud neobjeveného Higgsova bosonu nebo při přechodu k fyzice za SM Seminář ATLAS

4. Detektor D0 • na urychlovači Tevatron – urychlují se svazky protonů a antiprotonů, každý na 980 GeV (max. energie při čelní srážce je 1,96 TeV) • Run I (1992-96) - objev top kvarku, Run II (2002- ) – mnoho dalších úspěchů a objevů – např. pozorování single top kvarku • spuštění LHC a příslušejících detektorů – továrna na top kvarky a podstatný zdroj dat pro top kvark fyziku • D0 – typický detektor ve fyzice vysokých energií Seminář ATLAS

5. Seminář ATLAS

6. Seminář ATLAS

7. Vlastnosti top kvarku • Účinný průřez • Hmota • Doba života (~ 5 ·10-25 s, pro srovnání hadronizace ~ 3 ·10-24 s, na Tevatronu nedostatečná statistika – limit > 5,2 ·10-26 s – CDF z měření Γ, Heisenberg ) • Elektrický náboj (+2e/3, ? -4e/3) • Spinové korelace • Extra dimenze, FCNC, Anamalous coupling -> fyzika za Standardním modelem Seminář ATLAS

8. Topologie vzniku a rozpadu top párů • top páry jsou produkovány skrze anihilaci kvark-antikvark 85% a gluonovou fúzí 15% (Tevatron) • tři rozpadové kanály: lepton + jets, dilepton, all-jets Seminář ATLAS

9. Dileptonový kanál • dilepton kanál je zastoupen nejméně (6 %), ale má výhodu, že je nejméně zatížen pozadím + dobrá selekce • pozadí – Z -> ll + jets, WW, WZ, ZZ, “fake” – špatně identifikovaný jet jako lepton (QCD multijet) Seminář ATLAS

10. Kinematická rekonstrukce top párů • dilepton kanál – 2 leptony, 2 jety (od b-kvarků) a 2 neutrina v konečném stavu • leptony (kombinace e+e, e+µ, µ+µ) a jety (otázka rozlišení b a anti-b) – dobře změřené detektorem • neutrina nelze detekovat – jejich hybnosti neznámé • kinematické rovnice pro dileptonický ropzad: Seminář ATLAS

11. Kinematická rekonstrukce top párů 2 • neznámé: px – py – pzpro antineutrino a px – py – pzpro neutrino • po několika lze získat 2-dimenzionální problém (dvě kvadratické rovnice pro pxa py antineutrina) • kde koeficienty jsou komplikované (vypočteny matlabem) • odečtením a dosazením za py -> kvartická rovnice, která je řešitelná analyticky Seminář ATLAS

12. Template metoda založená na rekonstrukčním programu, který ze známých vstupních parametrů (hmoty a hybnosti finálních částic) rekonstruuje rozpad – řešením výše uvedených kinematických rovnic rozpadu • odhad hmoty topu slouží jako vstupní parametr – po vyřešení je zpětně zrekonstruován a odhadnut podle váhy řešení • Vstupní parametry do programu: hmota topu (předpoklad), hmota W, čtyřvektor 1. jetu(b-kvark), čtyřvektor 2. jetu (anti-b), čtyřvektorleptonu, čtyřvektorantileptonu, px – pymissing pT (nedetekovaná hybnost neutrin) Seminář ATLAS

13. Hmota topu z kinematické rekonstrukce • rekonstrukce hmoty topu: vyřešit rovnice pro různé fixované hmoty top kvarku a pozorovat závislost nalezeného počtu řešení na váze nejlepší řešení na této fixní hmotě – cyklus pro řadu vstupních hmot • test metody na partonové úrovni – vzorek MC (Pythia) generovaný pro hmotu 175 GeV bez simulace detektoru Seminář ATLAS

14. kalibrace metody – MC generované vzorky (Alpgen+Pythia) s kompletní simulací detektoru, pro hmoty 130-210 GeV, zvlášť pro každý kanál • pravděpodobnost každého řešení je aproximování váhou • distribuce vah ze všech eventů je použita k získání nejlepšího odhadu rekonstruované hmoty top kvarku • kalibrační přímka: • ideální hodnoty parametrů p1=1 a p0=175. • simulace pozadí – Drell-Yan produkce Z/γ*→l+l- asociovaná s jety, diboson produkce (ZZ, WW, WZ) asociovaná s jety Seminář ATLAS

15. Seminář ATLAS

16. Seminář ATLAS

17. Seminář ATLAS

18. Rekonstrukce dat • data zaznamenaná detektorem D0, složitý proces detekce high-energy událostí, rekonstrukce objektů • skimmy, selekce a kinematické cuty pro zúžení velkého množství dat na zájmové události vzorku -> finální selekce (2 opačně nabité leptony pT>15 GeV, alespoň 2 jety s pT>20 GeV apod.) • použitá data Run IIb detektoru D0 (období červen 2006 – prosinec 2008) – luminosita přibližně 3077 pb-1 • kanál ee – 36 kandidátských událostí, eµ- 182 kandidátů, proµµnení finální selekce ještě hotová Seminář ATLAS

19. Typická dilepton událost Seminář ATLAS

20. Hmota top kvarku 2 • po korekci a kombinaci obou kanálů: mtop = 170.7 ± 17.7 GeV • statistická chyba – příliš velká, jedná se o první odhad pomocí fitu v ROOTu • dalším krok v analýze – rozbor statistických chyb – co je způsobené template distribucí, rekonstrukcí, statistikou dat + použití jiných fitovacích metod – negativní likelihood Seminář ATLAS

21. Hmota top kvarku • z uvedených dat, rekonstrukce rozpadu a distribuce vah je použitá k určení nejlepšího odhadu hmoty top kvarku: Seminář ATLAS

22. Systematické chyby Seminář ATLAS

23. Shrnutí – hmota top kvarku • definice hmoty, kterou měříme – „pole mass“, je to hmota, kterou má kvark zbavený „confinement“. Definuje ji pozice pólu v propagátoru pozorovatelné částice. • hmota top kvarku určená z celkem 218 kandidátských událostí v ee a eµ: • v dobré shodě s aktuálním světovým průměrem pro hmotu top kvarku (173,1 ± 1,3) • další rozbor a lepší odhad statistické chyby • stále nová data z Tevatronu • příslib velké statistiky dat po spuštění LHC – uplatnění analýzy v experimentu ATLAS Seminář ATLAS

24. Aktuální světový průměr hmoty t-kvarku podle skupiny TEVEWWG (03/2009), s daty z D0 a CDF až 3,6 fb-1: Mt = (173,1 ± 1,3) GeV/c2 Seminář ATLAS

25. Výhled – top kvark • hmota top kvarku – dosáhnout celkové chyby pod 1 GeV, už nyní je chyba dominována systematickou složkou • pro moji analýzu – rozbor statistických chyb – lepší odhad, aplikace na nová data z Tevatronu i z ATLASu • možnost použití rekonstrukčního programu při hledaní spinových korelací párů top kvarků – dilepton kanál nevhodnější, pro Tevatron poslední studie na Runu I, nedostatečná statistika – příslib spuštění LHC Seminář ATLAS

26. Děkuji za pozornost Seminář ATLAS

27. Backup slides Seminář ATLAS

28. Doba života Seminář ATLAS

29. Spinové korelace Seminář ATLAS