Die Entdeckung des Top-Quarks

1. speculation... ...evidence... ...observation Die Entdeckung des Top-Quarks Sebastian Naumann 11. Januar 2005

2. Gliederung • „historical“ • „theoretical“ • „technical“ • „statistical“ • „topical“ • Das Fermilab • Die Suche nach dem Top-Quark • Produktion von Top-Quarks • Zerfall des Top-Quarks • Tevatron • CDF • DØ • Methoden der Meßdaten-Analyse • Ergebnis der Auswertung • Run II am Tevatron • Top-Quarks am LHC Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

3. historical: Das Fermilab 1/2 Das Fermi National Accelerator Laboratory... ...befindet sich im US-Bundesstaat Illinois, 30 Meilen westlich von Chicago ...ist eine der weltweit führenden Einrichtungen der Hochenergiephysik ...wird genutzt von rund 2300 Wissenschaftlern aus 28 Ländern Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

4. historical: Das Fermilab 2/2 1966 – die U.S. Atomic Energy Comission benennt Weston als Ort für ein neues Laboratorium der Hochenergiephysik 1967 – Präsident Johnson gibt das National Accelerator Laboratory (NAL) in Auftrag 1968 – Baubeginn in Weston 1972 – Beginn des Strahlbetriebs im Main Ring (200 GeV, Weltspitze) 1974 – Umbenennung des NAL zu Ehren von Enrico Fermi (Nobelpreis 1938 für seine Beträge zur Kernphysik, gestorben 1954 in Chicago) 1977 – Entdeckung des Bottom-Quarks 1983 – Beginn des Strahlbetriebs am Energy Doubler (512 GeV), dem späteren Tevatron 1985 – erste Proton-Antiproton-Kollision (√s = 1,6 TeV, später 1,8 TeV) 1995 – Entdeckung des Top-Quarks 1997 – Shutdown des Tevatrons zwecks Umbau und Aufrüstung der Detektoren 2000 – erster Nachweis des Tau-Neutrinos 2001 – Beginn des Run II am Tevatron Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

5. historical: Die dritte Generation • Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa postulierten 1973 in einem Artikel über CP-Verletzung in der schwach-en Wechselwirkung erstmals die 3. Generation der Quarks und Leptonen. • Sie wollten die CP-Verletzung mit einer Theorie von 6 Feldern erklären. Sie sprachen nicht explizit von Quarks, nur von fundamentalen Hadronen. • Ihr Artikel erschien ein Jahr bevor die 2. Quark-Generation vollständig nachgewiesen wurde (Entdeckung des J/ψ). • Unabhängig von Kobayashi und Maskawa wurden in den USA 1975/1976 diverse Modelle mit mehr als 4 Quarks diskutiert. Hierbei kamen auch die Bezeichnungen „Top“ und „Bottom“ auf. Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

6. historical: Das Bottom-Quark 1977 Im Fixed-Target-Experiment E288 am Fermilab wurde das Y endteckt. Es konnte gezeigt werden, dass es aus einem neuen Quark und seinem Antiteilchen besteht: Platin Target Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

7. historical: Das fehlende Top Das Top-Quark wurde im Standard-Modell nun benötigt... ...zur Komplementierung der drei Fermionen-Generationen ...als Partner des b-Quarks bzgl. des schwachen Isospins Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

8. historical: Suche nach Top 1/2 Es zeigte sich, dass im Fixed-Target-Experiment zuviel Ener- gie in die Bewegung der Teilchen ging (Impulserhaltung), um die hohe Ruheenergie des Top-Quarks zu liefern. In der Konsequenz wurde an Collidern bei immer höheren Energien nach dem Top-Quark gesucht, wobei die Unter- grenze für die Top-Quark-Masse immer weiter stieg. Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

9. historical: Suche nach Top 2/2 • Ende der 70er / Anfang der 80er konnten die beiden Elektron-Positron-Collider PETRA (am DESY) und PEP (am SLAC) für die Top-Masse den Bereich 10-20 GeV ausschließen. • 1984 verkündete Carlo Rubbia (beteiligt an der Entdeckung von W und Z im Jahr zuvor) voreilig ein „clear signal“ für Top-Quarks am UA1 (CERN). Ein wichtiger Hintergrund war übersehen worden... • Ende der 80er lieferten sich Fermilab (CDF) und CERN (UA2) ein Rennen auf der Suche nach dem Top. Beide konnten jedoch zeigen, dass dessen Masse nicht im Bereich 30-60 GeV liegen konnte. Damit war UA2 außer Stande, das Top noch zu finden. • 1994 veröffentlicht CDF starke Anzeichen für die Produktion von Top-Quarks am Tevatron („evidence paper“, PRL). • Am 2. März 1995 verkünden beide Detektor-Kollaborationen am Fermilab (CDF und DØ) in einer gemeinsamen Presse-Konferenz die Entdeckung des Top-Quarks („observation papers“, PRL). Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

10. theoretical: Top-Produktion 1/2 Die vier Feynman-Diagramme niedrigster Ordnung für die Top-Paar-Produktion. Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

11. theoretical: Top-Produktion 2/2 • Am Tevatron ist die Quark-Antiquark- Annihilation dominant • Produktion einzelner Top- Quarks wird vernachlässigt (seltener + schwerer nachzuweisen) Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

12. theoretical: Top-Zerfall 1/2 • Geladener Strom der schwachen Wechselwirkung: • b-Tag: • Soft-Lepton: • Sekundärvertix (Lebensdauer des b-Quarks von ca. 10-12 s reicht für einige Millimeter Flugstrecke) Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

13. theoretical: Top-Zerfall 2/2 Verzweigungsverhältnisse beim Zerfall eines W-Bosonen-Paares (unter Beachtung der Quark-Massen sowie der drei Farb-Freiheitsgrade der Quarks) „Lepton+Jets“-Mode ( ) „Dilepton“-Mode „All Jets“-Mode Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

14. technical: Das Tevatron • Umfang: 4 Meilen • Supraleitung und stochastische Kühlung machten die hohen Energien möglich • Proton-Antiproton- Beschleuniger: • Vorteil: Beschleunigung von Protonen u. Antiprotonen im selben Strahlrohr möglich • Nachteil: Antiprotonen-Quelle nötig Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

15. technical:Der CDF im Überblick Der Collider Detector at Fermilab (CDF) untersucht seit 1985 Proton-Antiproton-Kollisionen im Tevatron. In seinem Zentrum: supraleitender Solenoid (1,4 Tesla; 4,8 m Länge; 1,5 m Radius) Symmetrie: azimutal und forward-backward Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

16. technical: Die CDF-Geometrie • drei Detektor-Regionen: central (C), end plug (P), forward (F) • ganz innen: Spurkammern • ganz außen: Myon-Detek-toren (CMU, CMP, CMX) • elektromagn. (EM) und hadron. (HA) Kalorimeter, Aufteilung in „Towers“; die vom WW-Punkt nach außen laufen Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

17. technical: Das CDF-Tracking Drei Spurkammern für geladene Teilchen innerhalb des Solenoiden: • CTC (central tracking chamber) • 3,2 m L.; 1,32 m R., z-Aufl. > 4 mm • VTX (vertex drift chamber) • 22 cm Radius; z-Auflösung 1 mm • SVX (silicon microstrip vertex detector) • 51 cm Länge; Radius 7,9 cm; z-Auflösung 13-17 µm • direkt am Strahlrohr, vierlagig • insbesondere zur Suche nach Sekundärvertizes VTX und SVX erst seit 1992. Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

18. technical: Der DØ-Detektor Das Tevatron wird in sechs Sektionen aufgeteilt (A-F), deren Mitte mit Null bezeichnet wird. Der CDF steht an BØ. An DØ wurde ein zweiter Detektor gebaut. Seit 1992 werden im DØ-Experiment Proton-Antiproton- Kollisionen untersucht. DØ hat sich auf Kalorimetrie spezialisiert. Der Detektor verfügt über besonders gute Kalorimeter, dafür kleinere Spurkammern. Er hat weniger „Lecks“, ist deshalb zur indirekten Bestimmung von Neutrinos gut geeignet. Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

19. statistical: Goldene Ereignisse Schon 1992 wurden ein paar scheinbar „perfekte“ Top- Ereignisse beobach- tet (auch dilepton). Man entschied sich jedoch, nicht auf- grund eines „golden events“ die Ent- deckung des Top- Quarks zu verkünden. Reanalyzed Februar 1995: „If this doesn‘t convince you, nothing will!“ Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

20. statistical: Strategien der Suche Die Strategien bei der Suche nach dem Top lassen sich grob in zwei Kategorie einteilen: • Signifikanz-Tests (Zählexperimente) • Likelihood-Tests („kinematische“ Suche) In beiden Fällen ... ... werden zunächst Ereignisse aus der Gesamtheit der Meßdaten ausgewählt (Schnitte). ... spielt die Bestimmung des zu erwartenden Untergrunds eine wesentliche Rolle (u.a. Monte-Carlo-Simulationen). Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

21. statistical: Schnitte Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

22. Statistical: Untergrund • Der theoretisch möglichen Untergrund-Prozesse werden simuliert (Monte Carlo). • Ebenfalls mit Computer-Simulationen wird bestimmt, welche der Untergrund-Ereignisse auf welche Weise vom Detektor registriert werden. • Auf die resultierenden Daten werden die gleichen Schnitte angewandt wie auf die echten Meßergebnisse. „W+Jets“-Ereignis („Lepton+Jets“-Untergund) Drell-Yan-Lepton-Paar-Erzeugung („Dilepton“-Untergund) Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

23. statistical: Signifikanz Für jeden der drei Kanäle wurde die Wahrscheinlichkeit berechnet, dass die beobachteten Ereignisse durch Untergrund-Fluktuationen zustande gekommen sind (Poisson-Statistik). Die kombinierte Wahrscheinlichkeit betrug 1∙10-6. Anzahl der „Lepton+Jets“-Ereignisse nach Jet-Multiplizitäten Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

24. statistical: Likelihood und mt • Für „Lepton+Jets“-Ereignisse mit mehr als 3 Jets und b-Tag wurde eine kinematische Rekonstruktion durchgeführt • Über die Likelihood-Methode wurde anschließend jene Top-Masse bestimmt, die am besten mit der sich ergebenden Verteilung übereinstimmt Mtop=(176±8±10)GeV/c² Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

25. topical: Run II am Tevatron • Detektoren weiter- entwickelt • Main Injector und Recycler statt Main Ring • mind. 30-fache An- zahl erzeugter Top-Quarks (nur O(10²) in Run I) • u.a. weitere Vermessung der Top-Masse sowie des Wirkungsquerschnitts der Top-Produktion Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

26. topical: Top-Quarks am LHC • Der LHC ist ein Proton-Proton-Collider (am CERN, 27 km Umfang, Betriebsbeginn 2007) mit √s = 14 TeV • Top-Produktion > 106 a-1 • Gluonen-Fusion dominant • Analyse der Top-Zerfallsprodukte ähnlich wie am Tevatron • Präzisionsvermessung der Eigenschaften des Top-Quarks • Higgs-Teilchen koppelt gerne an schwere Teilchen (wie zum Beispiel das Top-Quark) • Entdeckung neuer Physik (SUSY-Teilchen als Zerfallsprodukte des Tops??)... Today‘s signal: tomorrow‘s background. Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

27. Zusammenfassung • Das Top-Quark wurde 1995 am Fermilab entdeckt. • Es war das letzte der sechs Quarks und erheblich schwerer als ursprünglich angenommen. • Vor der Entdeckung lagen fast zwei Jahrzehnte erfolgloser Suche weltweit. • Top-Quarks werden eine wichtige Rolle spielen in der Hochenergiephysik der nächsten Jahrzehnte. Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005

28. Quellen • http://www.fnal.gov • S. Abachi et al. (DØ): „Observation of the Top Quark.“ Phys. Rev. Letters (74), 1995 • S. Abachi et al. (DØ): „Search for the Top Quark in pp Collisions at √s = 1,8 TeV.“ Phys. Rev. Letters (72), 1994 • S. Abachi et al. (DØ): „Top quark search with the DØ 1992-1993 data sample.“ Phys. Rev. D (52), 1995 • S. Abe et al. (CDF): „Evidence for top quark production in pp collisions at √s = 1,8 TeV.“ Phys. Rev. D (50), 1994 • S. Abe et al. (CDF): „Observation of Top Quark Production in pp Collisions with the Collider Detector at Fermilab.“ Phys. Rev. Letters (74), 1995 • K. W. Staley: „The Evidence for the Top Quark. Objectivity and Bias in Collaborative Experimentation.“ Cambridge University Press, 2004 Die Entdeckung des Top-Quarks S. Naumann – 11.01.2005