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Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 2

Physik am LHC und erste Resultate. Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik Österreichische Akademie der Wissenschaften. Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 2. Offene fundamentale Fragen. Inhalt.

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Herbstschule für Hochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 2

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  1. Physik am LHC und ersteResultate Claudia-Elisabeth Wulz InstitutfürHochenergiephysik ÖsterreichischeAkademiederWissenschaften HerbstschulefürHochenergiephysik Maria Laach September 2010 Teil 2

  2. Offene fundamentale Fragen Inhalt LHC-Beschleuniger, inkl. aktueller Stand (Lint, Lmax, bunches) FundamentaleoffeneFragen Experimenteund ihrePhysikziele BekannteStandardmodellphysik SM-Higgs und SUSY Higgse Supersymmetrie Exotika (BSM-Szenarien) - Extradimensionen - Compositeness - Z’, W’, heavy neutrinos B-Physik Schwerionenphysik

  3. Literatur und Quellen J. M. Campbell, J. W. Huston, W. J. Stirling: Hard interactions of quarks and gluons: a primer for LHC physics, 2007 Rep. Prog. Phys. 70 89 arXiv:hep-ph/0611148v1 T. Han: Collider Phenomenology: Basic Knowledge and Techniques, http://www.pheno.wisc.edu/~than/collider-update.pdf M. Cacciari, G. Salam: The anti-kT jet clustering algorithm (2008) arXiv:hep-ph/0802.1189v2 P. Ryan (ATLAS Collaboration): Single-Top Cross SectionMeasurements at ATLAS arXiv:hep-ex/0910.3824v1 delete: A. Pich: The Standard Model of Electroweak Interactions, http://arxiv.org/abs/0705.4264

  4. Offene fundamentale Fragen Offene Fragen der Physik Ursprung und Hierarchie der Teilchenmassen Gibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse? Wie muß das Standardmodell erweitert werden? Supersymmetrie, Grand Unified Theories, … Können alle Kräfte vereint werden? Einbindung der Gravitation? Gibt es zusätzliche Dimensionen? Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen? Gibt es mehr als drei Teilchengenerationen? Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos? Was ist die dunkle Energie? Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement Quark-Gluon-Plasma Wie entstand das Universum?

  5. Das StandardmodellderTeilchenphysik Das StandardmodellisteineTheoriederstarken, schwachen und elektromagnetischenKräfte, formuliert in derSprache vonQuantenfeldtheorien, und derElementarteilchen,die an diesenWechselwirkungenteilnehmen. Die Gravitation istjedochnichteingeschlossen. Wechselwirkungenwerdendurch den Austausch von virtuellenTeilchenvermittelt. Ma. Laach, Sep. 2010

  6. TeilchenimStandardmodell Materieteilchen: Fermionen(halbzahliger Spin, s = ½ħ) und ihreAntiteilchen. Es gibt 3 Familien (Generationen) von bis auf ihreMassenidentischenFermionfeldern. FermionentretenalsLeptonenundQuarks auf. Vermittlerteilchen: Eichosonen(ganzzahliger Spin, s = 1ħ). Es gibt 3 Arten von Eichbosonen, entsprechend den 3 durch das StandardmodellbeschriebenenWechselwirkungen. Higgsteilchen: ErwirdzurBrechungderelektroschwachenSymmetrie in die EichsymmetriederQuantenelektrodynamik (QED) gebraucht. Teilchen, die mitdemHiggsfeldwechselwirken, könnensichnichtmitLichtgeschwindigkeitausbreiten und erhaltenMassendurchKopplung and dasHiggsboson(s = 0ħ). 6 Ma. Laach, Sep. 2010

  7. Quarks Kräfte Leptonen SU(3)C xSU(2)Lx U(1)Y Ma. Laach, Sep. 2010

  8. ErsteAufgabe des LHC: Wiederentdeckung des Standardmodells WiedersehenmitaltenBekannten …. Ma. Laach, Sep. 2010

  9. Resonanzen p J/ym+m- π- Λ π- Ξ- PDG Masse: 1321.32 GeV ΞΛπ Signal : 222 ± 11Ereignisse Untergrund : 28 ± 2 Ereignisse Massenpeak : (3.09 ± 0.01) GeV Massenauflösung: (0.07 ± 0.01) GeV J/ye+e- KS0p+p-

  10. Quantenchromodynamik, Jets 2-Jet Ereignis 320 GeV 420 GeV 2j-invariante Masse 2.55 TeV Jets (Fragmentationsprodukte von gestreutenPartonen) sindomnipräsentbei LHC. Die höchsten Dijet-Massensindbereitshöherals √s des Tevatron! “It starts to get interesting” … T. Carlibei ICHEP 2010 Paris

  11. Jetalgorithmen PrinzipielleAufgabe von Jetalgorithmen: Berechnung von VierervektorenderPartonenbzw. dersierepräsentierenden Jets ausTransversalenergien in Kalorimeterzellenbzw. Teilchenspuren. WünschenswerteEigenschaften: Boostinvarianz Initial state PartonenimSchwerpunktssystemimallgemeinennicht in RuhebeiHadroncollidern! Infrarotsicherheit Jets sollenunabhängig von “soft”-Komponentengefunden (underlying event, pileup, etc.) werden. Kollinearitätssicherheit Jets sollengefundenwerden, egal ob einTeilchenoderzweikollineareTeilchenmitderselbenEnergieim Spiel sind.

  12. Konusalgorithmen Konusalgorithmen- NäheimWinkelraum Jets überspannenKegelmitfixem Radius im (h,f)-Raum (DRtypisch 0.4 bis 0.7). Es gibtAlgorithmenmitoderohne “seeds”. Kegelkönnenüberlappen, daher muss Splittenbzw. Fusionierenvorgesehensein. Intuitiv, aberimallgemeinenwederinfrarotnochkollinearsicher (esgibtverbesserteVersionenwiez.B. SISConeAlgorithmus – “seedless infrared safe”).

  13. kT- Algorithmen (Anti-) kT- Algorithmen- NäheimImpulsraum p = 1 … kT-Algorithmus p = 0 … Cambridge/Aachen Algorithmus p = -1 … Anti-kT-Algorithmus(heutehauptsächlich in Verwendungbei LHC; Vorteil: Form der Jets ändertsichnichtbeiVorhandensein von soft particles) i,j … TeilchenoderPseudojet, B … Strahl (beam) kT, y, f … Transversalimpuls, Rapidität, Azimut dij… Minimalerrelativer “Transversalimpuls” zwischeniund j, R ≈ O(1)… Radiusparameter Wenndij< diBist -> Fusion von i und j (Pseudojet) Wennnicht, wirdizurListe von Jets hinzugefügt. kT… “natürlichere” Form der Jets Konus Siehe G. SalamsVortrag!

  14. InklusiveJetwirkungsquerschnitte • Die Messung von JetspektrenistausfolgendenGründenwichtig: • QCD-Tests (running s) • PDF • SignalefürneuePhysik in der Region mithohempT (z.B. Compositeness) • -> SchlechteAbschätzungderFehler in den QCD-Voraussagen (PDF, mR, mF) kannneuePhysikvortäuschen, aberauchverbergen! KenntnisderEnergieskala von Jets (jet energy scale) istebenfallsenormwichtig, daEinfluss auf sjetgroß! • UntergrundabschätzungfürSuchen • mR wird zur Abschätzung des Einflusses von Korrekturen höherer Ordnung variiert, typisch zwischen 0.5 pT und 2pT des höchstenergetischen Jets. mR ... Renormierungsskala, mF ... Faktorisierungsskala

  15. Jet Energy Scale Aus den EnergiendereinzelnenTeilchen, die zueinem Jet gehören, sollte man auf die Energie des gestreuten Quarks oder Gluons, ausdemder Jet entstandenist, rückschließenkönnen. Probleme: - Teilchen, die eigentlichnichtzum Jet gehören, werdenzum Jet gezählt - Teilchen, die eigentlichzum Jet gehören, werdennichtgemessen - Bias (Verschiebung des Absolutwerts) durchAbwesenheit von Kalibrationskanälen (z.B. Z -> jets) vorallem am Anfang des LHC-Betriebs - KalorimetersignalebeigleicherEnergieverschiedenfürelektromagnetische und hadronischeSchauer - Energieverlustdurch Material vorKalorimeter und Punchthrough - Unsicherheiten in derModellierung von hadronischenSchauern, Hadronisierung und underlying events - Noise, Pileup ZurZeitsindaufgrunddergeringenStatistik die Korrekturenfür die Jetenergieskalanurmit Monte Carlo möglich. ATLAS und CMS: zwischen 5% und 9%.

  16. Jetauflösung JetspektrenwerdendurchAuflösungseffekteverzerrt, daher muss man die Auflösungsfunktionbestimmen und anschließend das tatsächlicheSpektrumdurchEntfaltungberechnen. EchtesSpektrum: a … 4 bis 6, Spektrumfällltsteilab! GemessenesSpektrum: Res … Auflösungsfunktion (~ gaussförmig) pT’ … tatsächlicherJettransversalimpuls s … Detektorauflösung

  17. InklusiveJetwirkungsquerschnitte Gute Übereinstimmung mit NLO (Ordnung as3) ... noch ... ?

  18. Compositeness FermionenkönnteneineSubstrukturhaben(Präonen). • Q << LC • Neue WW • Q << LC • Q << LC Kontaktwechselwirkung • Achtung: • Nachweis von KontaktwechselwirkungenistnichtunbedingtBeweisfür Compositeness, daandereneuePhänomeneebenfallsdurcheineKontakt-wechselwirkungs-Lagrangedichtebeschriebenwerdenkönnen! • LC … Compositeness-Skala • h … Interferenzparameter (±1) • g … Diracmatrizen • y … Diracspinoren • g2/4p = 1

  19. Compositeness in 2-Jet-Verteilungen CMS 2.7 (aktuelles Limit) • VerhältnisseimGegensatzzuWirkungsquerschnitten fast nichtabhängig von PDF. • BismindestensLC = 10 TeVsollte man bei LHC Hinweise auf Compositeness erhaltenkönnen. Dh ... Pseudorapiditätsdifferenzderzweihöchstenergetischen Jets

  20. DirektePhotonproduktion • Das StudiumderProduktion von isoliertenPhotonen (Photonen in Jets kommenmeistausZerfällen vonpundhMesonen) istausfolgendenGründenwichtig: • Präzisionstests für perturbative QCD • Gluonenverteilungim Proton, PDF • Kalibration der Jetenergieskala • Untergrundfürz.B. H gg, Ggg,f* fg • Annihilation • Compton-Streuung

  21. W, Z • W und Z sind die erstenmessbarenelektroschwachenProzessebei LHC • Tests fürperturbative QCD und Partondichtefunktionen (W-Ladungsasymmetrie) • GenaueKalibrationderDetektorenmit Z • Luminositätsmessung • UntergrundfürneuePhysik

  22. W BevorzugtfürAnalyse: LeptonischeZerfallskanäle W -> en,W -> mn … transversale Masse (Jacobi-Peak) Vektorsumme von ET in den einzelnenKalorimeterzellen (i=1,n) istNull falls kein Neutrino vorhandenist, anderenfalls Falls Myonenvorhandensind, muss man ihrenImpulsberücksichtigen, dasie minimal ionisierendeTeilchensind. Hermetizitätdes Detektors! W+ und W-werden am LHC mitunterschiedlichenRatenerzeugt, dau- gegenüberd-Quarks dominieren. Ma. Laach, Sep. 2010

  23. Z ATLAS: σ(Z ll) = 0.83 ± 0.07 (stat) ± 0.06 (syst) ± 0.09 (lumi) nb Z -> e+e-, Z -> m+m- σ (Z ee) = 0.72 ± 0.11 (stat) ± 0.10 (syst) ± 0.08 (lumi) nb σ (Z μμ) = 0.89 ± 0.10 (stat) ± 0.07 (syst) ± 0.10 (lumi) nb

  24. Z -> mm Ma. Laach, Sep. 2010

  25. _ 1. Beauty-Ereignis: B+ (bu) -> K+ + J/y B: t = 1.6 ps, Zerfallslänge ca. 2 mm

  26. Flavour Tagging • Identifikation von Jets aus Fragmentation von (hauptsächlich) b-Quarks: • Präzisionsmessungen auf den Gebieten von Top- und Higgs-Physik • Entdeckung von Supersymmetrie und andererneuerPhysik • Unterdrückung von Untergrundausleichteren Quarks • Luminositätsmessung • UntergrundfürneuePhysik ZerfallslängeL: DistanzSekundärvertex – Primärvertex b-Hadronen: ct ≈ 450 mm, L = bgct≈ einige mm Impaktparametereiner Spur: KürzesterAbstandzumPrimärvertex (3-dimensional oder transversal)

  27. ATLAS Pixeldetektor

  28. B-Tagging bei CDF Massenverteilungfür das W + ≥ 4 Jets Sample ohneb-Tagging. Gelb: Untergrund (ohnett) Massenverteilungfür das W + ≥ 4 Jets Sample mitb-Tagging. Untergrundohne (punktiert) und mittt (strichliert) istebenfallseingezeichnet. - -

  29. Top-Antitop LHC: 87% LHC: 13% • Das Top-Quark istausmehrerenGründeninteressant: • Hohe Masse: mt = (173 ± 0.6 stat. ± 1.1 sys.) GeV (Tevatron) • Yukawa-Kopplunglt = 0.996 ± 0.006 -> vielleichtspezielleRollebeiderelektroschwachenSymmetriebrechung? • ZerfallnochvorHadronisierung (LebensdauerkürzeralsHadronisierungszeit) • GenaueMessungderTopmasseschränkt den möglichenHiggsmassenbereichein • (7 TeV) ≈ 163 pb, (14 TeV) ≈ 920 pb (NNLO) – 4% mit 100 pb-1erreichbar • Verzweigungsverhältnis (BR)t -> Wb fast 100% • AusgezeichneteZerfallskanäle: • W -> en, mn (leptonisch), W -> + Jet (semileptonisch)

  30. m + Jets Topkandidat RekonstruierteTopmasse: 210 GeV Massender Jets ohneb-Tag (3 Kombinationen): 104, 105 und 151 GeV b-jet 14.Juli 2010  b p l+ W+ t p  W- l- b-jet Selektion: 1 mmithohempT ETmiss > 100 GeV 4 Jets, davonmindestenseinermitb-Tag MehrStatistikwirdnochfürendgültigeBestätigunggebraucht! m

  31. Single Top Die elektroschwacheProduktion von Einzel-Tops (1. Nachweis 2006 am Tevatron) erfolgtmitvielgeringerenWirkungsquerschnittenals von tt-Paaren, so dassdiesenichtfürerste LHC-Physik relevant sind. Untergrundhauptsächlichtt. _ _ s-Kanal Drell-Yan Klein bei Tevatron, signifikant bei LHC Klein bei Tevatron und LHC Wt-Kanal Tevatron LHC 14 TeV t: (246 ± 10.2) pb s: (10.7 ± 0.7) pb Wt: (66.5 ± 3) pb Dominant bei Tevatron und LHC t-Kanal

  32. Präzisionsmessungen PräzisionsmessungenerlaubendurchQuantenschleifenhöhereMassenskalenzuerforschen, als die Massender in ReaktionendirektinvolviertenTeilchen. Beispiele: … “Tree level” Wert … GemessenerMittelwert Schleifenkorrekturen 0.5% (18.5 s)! Diesehängenu.a. von derHiggsmasse ab. 32 Ma. Laach, Sep. 2010

  33. Globale Fits • Fitparameter: MZ , MH , mt, Dahad(5)(MZ2), aS(MZ2), mc , mbausMessungenbei SLC, LEP, Tevatron. http://www.cern.ch/Gfitter Grünes Band: 1s-Ergebnis für die erlaubte Higgs-Masse, die sichausallenMessungenergibt. Messpunkte: wenn man z.B. MZimglobalen Fit ignoriert, kann man nochimmer die Higgsmassefitten. Man würdedanneinensehrniedrigen Wert bekommen, (53+43-22) GeV. Die Z-BreiteGZ hat jedochüberhauptkeinenEinfluss. 33 Ma. Laach, Sep. 2010

  34. BACKUP

  35. Single Top Die elektroschwacheProduktion von Einzel-Tops (1. Nachweis 2006 am Tevatron) erfolgtmitvielgeringerenWirkungsquerschnittenals von tt-Paaren, so dassdiesenichtfürerste LHC-Physik relevant sind. _ Klein bei Tevatron, signifikant bei LHC s-Kanal Drell-Yan Klein bei Tevatron und LHC Dominant bei Tevatron und LHC t-Kanal W-g-Fusion

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