Nachweis von Top-Quarks und erste Messung des tt̄-Wirkungsquerschnitts bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV mit dem CMS-Experiment am LHC [Elektronische Ressource] / von Jasmin Gruschke

Martina

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• Publié par: karlsruher_institut_fur_technologie
• Publié le: 01 janvier 2011
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IEKP-KA/2011-4
NACHWEIS VON TOP-QUARKS UND ERSTE
¯MESSUNG DEStt-WIRKUNGSQUERSCHNITTS
BEI EINER SCHWERPUNKTSENERGIE VON7TEV
MIT DEM CMS-EXPERIMENT AM LHC
Jasmin Gruschke
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN
von der Fakultät für Physik des
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
genehmigte
Dissertation
von
Dipl.-Phys. Jasmin Gruschke
aus Schönau im Schwarzwald
Tag der mündlichen Prüfung: 04.02.2011
Referent: Prof. Dr. Th. Müller, Institut für Experimentelle Kernphysik,
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Korreferent: Prof. Dr. G. Quast, Institut für Kernphysik,
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)“Dass ich nicht mehr, mit sauerm Schweiß,
Zu sagen brauche was ich nicht weiß;
Dass ich erkenne was die Welt
Im Innersten zusammenhält,”
[Faust, Der Tragödie Erster Teil,
J. W. Goethe, 1808]
Zusammenfassung
Dem fiktiven Doktor Faustus gleich, widmen sich Teilchenphysiker der Erforschung der
Bausteine unserer Materie und der Eigenschaften der Kräfte, die zwischen diesen funda-
mentalen Einheiten wirken. Das Standardmodell der T fasst das gesammelte
Wissen über die elementaren Teilchen und deren Wechselwirkungen zusammen. Es wur-
de in den frühen siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt und gilt bislang als
vollständigste und erfolgreichste Theorie zur Beschreibung der beobachteten Phänome-
ne. Insgesamt beinhaltet das Standardmodell zwölf fundamentale Fermionen, zu denen
jeweils ein Antiteilchen mit entgegengesetzten Ladungen existiert. Die Wechselwirkun-
gen zwischen den Fermionen werden beschrieben durch den Austausch von Eichbosonen,
die an die Teilchen mit entsprechender Ladung koppeln. Gemäß dieser Ladungen können
die zwölf Fermionen weiter in sechs Quarks und sechs Leptonen unterteilt werden. Dabei
nehmen Quarks an allen drei Standardmodellwechselwirkungen teil, d.h. an der elektro-
magnetischen, der schwachen und der starken Wechselwirkung. Leptonen andererseits
nehmen nur an der schwachen Wechselwirkung teil, beziehungsweise die elektrisch ge-
ladenen Leptonen zudem an der elektromagnetischen. Als Austauschteilchen stehen im
Standardmodell Photonen, W- und Z-Bosonen sowie Gluonen zur Verfügung. Darüber
hinaus sagt das Standardmodell ein skalares Boson vorher, das Higgs-Boson, was jedoch
bislang nicht experimentell beobachtet werden konnte.
Das schwerste unter den fundamentalen Fermionen ist das Top-Quark, das erstmals
im Jahr 1995 von den Experimenten CDF und DØ am Tevatron-Ringbeschleuniger des
Fermilab in der Nähe von Chicago nachgewiesen werden konnte [1,2]. Mit einer Masse
2von m = 173.3± 1.1 GeV/c [3] ist es etwa so schwer wie der Kern eines Goldatomst
und rund 40 mal schwerer als das nächst leichtere Fermion, das Bottom-Quark. Auf-
grund dieser großen Ruhemasse treten im Bereich der Top-Quark Physik Phänomene auf,
die in dieser Art bei leichteren Quarks nicht beobachtbar sind. So treten alle leichteren
Quarks in gebundenen Systemen aus Quark-Antiquark-Paaren oder in Kombinationen
aus drei Quarks auf. Top-Quarks dagegen zerfallen mit einer mittleren Lebensdauer von
−25
τ = 4.2· 10 s [4] bevor sich derartige gebundene Systemen ausbilden können.t
Die uns umgebende gewöhnliche Materie besteht ausschließlich aus den zwei leich-
testen Quarks, dem Up- und dem Down-Quark. Top-Quarks hingegen können lediglich
durch die Kollision hochenergetischer Teilchen erzeugt werden, z.B. bei der Kollision von
Teilchen aus der kosmischen Strahlung mit Molekülen in der Atmosphäre, oder unter La-
borbedingungen in Kollisionsexperimenten. Für die Erzeugung von Top-Quarks sagt das
Standardmodell zwei Mechanismen vorher, zum einen die Produktion von Top-Antitop-
Quark-Paaren über die starke Wechselwirkung, zum anderen die elektroschwache Pro-
duktion einzelner Top-Quarks. Während die Paarproduktion 1995 zur Entdeckung desII
Top-Quarks führte, gelang der Nachweis der elektroschwachen Top-Quark-Erzeugung
erst 2009 [5–7], wiederum durch die Experimente CDF und DØ. Top-Quarks zerfal-
len dann, mit einem Verzweigungsverhältnis von fast 100%, über die elektroschwache
¯Wechselwirkung in ein Bottom-Quark und ein W-Boson. Die tt-Ereignisse lassen sich
entsprechend dem Zerfall der W-Bosonen kategorisieren. Zerfallen beide W-Bosonen
hadronisch in ein Quark-Antiquark-Paar bzw. leptonisch in ein geladenes Lepton und
das zugehörige Neutrino, so spricht man vom vollhadronischen bzw. vom dileptonischen
Kanal. In Prozessen mit einem leptonischen und einem hadronischen W-Boson-Zerfall
hingegen spricht man vom semileptonischen Zerfallskanal. Die hier vorgestellte Analyse
konzentriert sich auf den Myonkanal, in dem das eine W-Boson in ein
Quark-Antiquark-Paar, das andere in ein Myon und ein Myonneutrino zerfällt.
Bis Anfang letzten Jahres war es allein dem Tevatron-Ringbeschleuniger des Fermi-
lab vorbehalten Top-Quarks unter Laborbedingungen zu erzeugen. Hierfür stehen Proton-
√
Antiproton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von s = 1.96 TeV zur Verfü-
gung. Mit Inbetriebnahme des Large Hadron Collider (LHC) des CERN in der Nähe
von Genf, ist es nun auch in Europa möglich, Top-Quarks zu erzeugen. Der LHC ist ein
Proton-Proton-Ringbeschleuniger, der 2010 bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV be-
trieben wurde. Theoretische Berechnungen für diesegie ergeben einen
+11.4theoWirkungsquerschnitt von σ = 164.6 pb [8–10] für die Erzeugung von Top-Anti-
¯tt −15.7
top-Quark-Paaren.
Mit dem Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor, der sich in einer Untergrundkaver-
ne etwa 100 Meter unter der Erdoberfläche in Cessy, Frankreich, befindet, lassen sich die
Proton-Proton-Kollisionen des LHC beobachten und analysieren. Das CMS-Experiment
weist den hierfür üblichen zwiebelschalenförmigen Aufbau eines Kolliderdetektors auf,
der schematisch in Abbildung I dargestellt ist. Dabei sind zunächst radialsymmetrisch um
den Wechselwirkungspunkt Spurdetektoren aufgebaut, die zur Rekonstruktion der Spuren
geladener Teilchen dienen. Die Spurrekonstruktionsdetektoren werden hermetisch einge-
schlossen von den elektromagnetischen und hadronischen Kalorimetern, die der Ener-
giemessung von elektromagnetisch und stark wechselwirkenden Teilchen dienen, wobei
letztere als Hadronen bezeichnet werden. Wie bereits der Name suggeriert, handelt es
sich beim CMS-Detektor um ein sehr kompaktes Instrument, d.h. alle bisher beschrie-
benen Detektorkomponenten befinden sich innerhalb einer supraleitenden Solenoidspule,
die ein Magnetfeld von etwa 3.8 T zur Verfügung stellt, und somit die Impulsmessung ge-
ladener Teilchen im Spurrekonstruktionsdetektor ermöglicht. Die einzigen experimentell
direkt beobachtbaren Teilchen, die diesen inneren Detektorteil verlassen können, sind mi-
nimalionisierende Myonen. Zu deren Nachweis sind außerhalb der Solenoidspule weite-
re Spurrekonstruktionsdetektoren angebracht, die zusammengefasst als Myonsystem be-
zeichnet werden. Insgesamt weist der CMS-Detektor einen Durchmesser von etwa 15 m,
eine Länge von etwa 22 m und ein Gesamtgewicht von rund 12.500 t auf. Im Jahr 2010
konnten mit dem CMS-Detektor Proton-Proton-Kollisionsereignisse aufgezeichnet wer-
−1den, die einer Datenmenge von L=( 36.1± 4.0) pb [11] entsprechen, und nun den
Physikanalysen zur Verfügung stehen. Ziel dieser Arbeit war es, die Erzeugung von Top-
Quarks in den Daten des CMS-Experiments nachzuweisen und eine erste Messung des
¯Wirkungsquerschnitts für die tt-Produktion vorzunehmen.III
Supraleitender Solenoid
Zylindersegmente
Endkappe
Strahlrohr
Spurrekonstruktionsdetektoren
Elektromagnetisches Kalorimeter
Hadronisches
Myonsystem
Rückführjoch
Abbildung I: Schematische Darstellung des Compact Muon Solenoid Detektors mit dem für Kol-
liderexperimente typischen zwiebelschalenförmigen Aufbau und der Zylinder- und Endkappen-
struktur zur maximalen räumlichen Abdeckung [12].
Der Wirkungsquerschnitt der Top-Antitop-Quark-Paarerzeugung liegt etwa neun Grö-
ßenordnungen unter dem inelastischen pp-Wirkungsquerschnitt. Zudem ist die experi-
mentelle Signatur eines hochenergetischen Myons, fehlender Transversalenergie, die auf
das nicht direkt experimentell beobachtbare Neutrino hinweist, und vier Jets nicht al-
¯lein tt-Myon+Jets-Ereignissen vorbehalten. Verschiedene andere Standardmodellprozes-
se weisen eine ähnliche Signatur auf und können dadurch irrtümlicherweise als Signaler-
¯eignisse klassifiziert werden. Man verwendet daher Monte-Carlo-Methoden umtt-Signal-
und Untergrundprozesse zu simulieren. Basierend auf diesen simulierten Kollisionsereig-
nissen wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Ereignisselektion entwickelt, um ein gutes
Verhältnis zwischen Signal- und Untergrundbeiträgen zu erhalten. Hierbei wurden Se-
lektionskriterien auf genau ein wohlidentifiziertes und isoliertes Myon, die Abwesenheit
weiterer Lepton-Kandidaten und das Auftreten von exakt drei beziehungsweise mindes-
tens vier Jets pro Ereignis angewendet. Auf ein dediziertes Selektionskriterium di