Branislav Žilka, KJFB FMFI UK, Bratislava

1. Určenie náboja top kvarku Branislav Žilka, KJFB FMFI UK, Bratislava Školiteľ: Doc.RNDr.Stanislav Tokár, PhD. Prezentácia k obhajobe diplomovej práce, Bratislava, 7.jún 2005

2. Motivácia Top kvark, objavený v roku 1995 (urýchľovač Tevatron, Fermilab), je posledný a najťažší kvark Štandardného Modelu, horný kvark tretej generácie. Účinný prierez produkcie procesov s top kvarkom a luminozita na Tevatrone nie sú dostatočné na to aby sme doteraz spoľahlivo určili niektoré charakteristiky tohoto kvarku. Napriek dobrej zhode experimentu s očakávaním ŠM namerané dáta nevylučujú možnosť, že pozorovaný kvark je exotický kvark štvrtej generácie. Na potvrdenie alebo vyvrátenie tejto možnosti je potrebné stanoviť náboj tohoto kvarku.

3. Cieľ práce Metódou Monte Carlo premodelovať na partónovej úrovni fragmentačné procesy s párom top-antitop kvarkov v podmienkach urýchľovačov Tevatron a LHC. Posúdiť možnosť stanovenia náboja top kvarku prostredníctvom nábojov jeho rozpadových produktov, konkrétne s využitím semileptónového rozpadu top kvarku v kanáli „lepton+jets“ a semileptónového rozpadu B mezónu. Porovnať potenciál tejto metódy na súčasnom zariadení Tevatron (detektor CDF) s jej potenciálom na pripravovanom LHC (detektor ATLAS).

4. O fyzike top kvarku • Najťažší kvark Štandardného Modelu (SM) • Rozpadový kanál prednostne t Wb, rozpady na (c,u) sú silne potlačené • Rozpadá sa skôr než stihne • hadronizovať b c u t t t W W W

5. Prečo sa zaujímame o top kvark: • upresnenie koeficientov CKM matice • hľadanie Higgsovho bozónu • meranie PDF a as • precízne merania mW a mtop dávajú ohraničenie na hmotnosť Higgsa • možná existencia štvrtej rodiny kvarkov Produkčné kanály top kvarkových párov: • gluónová fúzia • kvark-antikvarková anihilácia

6. Prečo rekonštruovať náboj top kvarku? • V roku 1995 bola na urýchľovači Tevatron vo Fermilabe definitívne potvrdená produkcia top kvarku • Z nameraných dát bola rekonštruovaná hmotnosť top kvarku ~175GeV • Údaje z detektorov CDF a D0 neobsahujú korelácie medzi b kvarkami a W bozónmi v procese tt W+W-bb • Namerané dáta sú konzistentné s existenciou exotického kvarku štvrtej generácie s nábojom -4/3 rozpadajúceho sa prednostne tiež na bottom (Chang, Chang, Ma) • Je nutné nájsť tieto korelácie a rekonštruovať náboje W bozónu a b kvarku, aby sa definitívne potvrdila alebo vyvrátila táto možnosť Exotika SM b(-1/3) b(-1/3) t’(-4/3) t(2/3) W-(-1) W+(+1)

7. Určenie náboja top kvarku Určenie náboja top kvarku: • Meraním nábojov rozpadových produktov top kvarku • Prostredníctvom radiačnej ttbar produkcie (účinný prierez je citlivý ku Qtop) Meranie náboja top kvarku prostredníctvom rozpadových produktov: Rozpad top: t W b Určuje sa pomocou semileptónového rozpadu W lnl Jurčovičová, Tokár, Čiljak • Určenie náboja b kvarku: • váhovaním náboja b jetu • pomocou semileptónového rozpadu b kvarku b c,u + l-nl Moja úloha Znamienko b je určené znamienkom leptónu PROBLÉM: B0 oscilácie ( )

8. Experimenty ATLAS a CDF Tevatron+CDF • Protón-antiprotónový urýchľovač s energiou v CMS 1.96TeV (RunII) • Najvýkonnejší súčasný urýchľovač, jediný schopný produkcie top kvarku LHC+ATLAS • Protón-protónový urýchľovač s energiou v CMS 14TeV • V prevádzke až od 2007 • “top factory”

9. Metóda rekonštrukcie náboja top kvarku • Dáta sú generované pomocou programu PYTHIA6 pre ATLAS aj pre CDF • Generované sú len ttbar eventy pričom sa neuvažuje prítomnosť QCD pozadia po partónových zvyškoch protónov • Analýza je vykonaná na partónovej úrovni – “ideálny” detektor • Dáta sú analyzované predovšetkým pre ATLAS a najdôležitejšie charakteristiky sú porovnávané s CDF • Bolo vyprodukovaných 833000 eventov (ATLAS: 1fb-1) a na analýzu bolo vybratých ~29.5% eventov predstavujúcich lepton+jets kanál (244000 eventov) b q t q~ l t~ nl b~

10. Kinematické charakteristiky a výberové kritériá • lepton+jets • vzorka 1fb-1 pt,jet > 20 GeV výber Et,miss > 20 GeV Et,miss jet pt pt,singlepton > 20 GeV • b-tagging: 60% • aspoň 1 b-tag hjet < 2 pt izolovaného leptónu jet pseudorapidita

11. Efektívnosť výberových kritérií B mezóny (spolu s D mezónmi) sú najpočetnejším zdrojom single leptónov v b-jete Tab1. Zdroje single leptónov v b jete Predpokladá sa SM rozpad top kvarku SM predpokladá l-/l+~10 (bez pozadia) Exotický model: opačný pomer

12. Efektívnosť výberových kritérií Preoscilované B mezóny sú po D mezónoch druhým najvýznamnejším zdrojom pozdaďových, kladne nabitých single leptónov v b-jete. Aplikácia dodatočného kritéria na vzdialenosť treku od sekundárneho vertexu nemá vplyv na ich početnosť. Tab1. Zdroje single leptónov v b jete Predpokladá sa SM rozpad top kvarku SM predpokladá l-/l+~10 (bez pozadia) Exotický model: opačný pomer

13. Efektívnosť výberových kritérií D mezóny sú najvýznamnejším zdrojom pozaďových, kladne nabitých single leptónov v b-jete. Aplikácia dodatočného kritéria na vzdialenosť treku od sekundárneho vertexu zredukuje ich počet na desatinu (na rozdiel od B mezónov). Tab1. Zdroje single leptónov v b jete Predpokladá sa SM rozpad top kvarku SM predpokladá l-/l+~10 (bez pozadia) Exotický model: opačný pomer

14. Efektívnosť výberových kritérií Jediným mezónom schopným produkcie tau leptónu pri svojom semileptónovom rozpade je samotný B mezón. Leptóny vznikajúce rozpadom tau leptónov majú preto podobný pomer záporných ku kladným ako je to u B mezónov. Tab1. Zdroje single leptónov v b jete Predpokladá sa SM rozpad top kvarku SM predpokladá l-/l+~10 (bez pozadia) Exotický model: opačný pomer

15. Efektívnosť výberových kritérií Neutrálne pióny pri svojich rozpadoch vyprodukovali približne rovnaký početzáporných a kladných leptónov, čo je v súlade s očakávaním. Jediný rozpadový kanál p0 mezónu spojený s produkciou leptónov je kanál p0 􀀀 e+e-g. Vetviaci pomer tohoto kanála je iba 0.012 čonaznačuje, žev procese fragmentácie v b jete vzniká vel’ký počet p0 mezónov. Tab1. Zdroje single leptónov v b jete Predpokladá sa SM rozpad top kvarku SM predpokladá l-/l+~10 (bez pozadia) Exotický model: opačný pomer

16. Efektívnosť výberových kritérií Príspevok ostatných mezónov a všetkých baryónov ako zdrojov single leptónov je zanedbateľný Tab1. Zdroje single leptónov v b jete Predpokladá sa SM rozpad top kvarku SM predpokladá l-/l+~10 (bez pozadia) Exotický model: opačný pomer

17. Efektívnosť výberových kritérií Tab2. Efektívnosť výberových kritérií na single leptónoch Zohľadňuje rozlíšenie detektora Získané pre SM variant (qtop=+2/3) Tab1. Zdroje single leptónov v b jete Predpokladá sa SM rozpad top kvarku SM predpokladá l-/l+~10 (bez pozadia) Exotický model: opačný pomer

18. Single leptóny v b-jete Záporné Kladné l- l+ Závislosť energie leptónu od vzdialenosti jeho treku ku sekundárnemu vertexu

19. Pomerné zastúpenie zdrojov single leptónovv b-jete podľa ich náboja Záporné Kladné Jeden single leptón v kónuse b-jetu Jeden single leptón v kónuse b-jetu + ohraničenie vzdialenosti treku leptónu od sekundárneho vertexu

20. Zhrnutie • Bola premodelovaná vzorka 1fb-1 pre experiment ATLAS (PYTHIA, partónová úroveň) • Boli použité štandardné kritériá pre odber top kvarkových eventov • Náboj top kvarku sa určuje pomocou jeho rozpadových produktov– znamienko náboja b kvarku = znamienko leptónu z jeho semileptónového rozpadu • Pre SM som získal l-/l+ = 4.2 ± 0.2 • Experiment ATLAS má potenciál na určenie náboja top kvarku uvedenou metódou • Pre dôveryhodnejší výsledok je potrebné: realistické rozlíšenie detektorov+efektívnosti rekonštrukcie

21. Ďakujem za pozornosť