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Fisica del Quark Top Corso Fisica Subnucleare II anno laurea specialistica Tommaso Dorigo, AA 2010/2011 Tommaso Dorigo Stanza 3L0, 049-8277230.

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1 Fisica del Quark Top Corso Fisica Subnucleare II anno laurea specialistica Tommaso Dorigo, AA 2010/2011 Tommaso Dorigo Stanza 3L0,

2 Sommario PARTE I: –Introduzione storica –La necessità di tre generazioni di quarks Indizi sperimentali Motivazioni teoriche –La corsa al top Gli strumenti Ricerche ai colliders e+e- e a SppS PARTE II: –Fenomenologia del quark top pesante Modi di decadimento Meccanismi di produzione –Ricerca del top al Tevatron Limiti inferiori La scoperta del top, –Studio del quark top al Tevatron nel Run II Tecniche sperimentali Misure di sezione durto Misure di massa e implicazioni Altre misure

3 Riferimenti bibliografici Appunti dalle lezioni... Gli articoli qui sotto sono di livello avanzato ma potete comunque darci una utile occhiata: –J.Kuhn, Theory of Top production and decay, hep-ph/ –W.Wagner, Top quark physics in hadron collisions, hep-ph/ –M.Beneke et al., Top Quark Physics, hep-ph/ –(per scaricare i preprint hep/ph eccetera:

4 PARTE I Introduzione storica La necessità di tre generazioni di quarks Indizi sperimentali Motivazioni teoriche La corsa al top Gli strumenti Ricerche ai colliders e + e - e a SppS

5 Introduzione storica Lipotesi che gli adroni siano composti di quarks nasce nel 1962 da Murray Gell-Mann (e Yuval Neeman indipendentemente) –Tutte le risonanze conosciute sono inquadrabili in multipletti del gruppo SU(3), ipotizzando siano costituiti di 3 quarks Up, down dalla simmetria di isospin Strange dalla fenomenologia dei K e iperoni –La motivazione di base è che gli operatori di isospin commutano con H e in particolare con gli operatori di momento angolare e parità stati di definita spin-parità sono multipletti di flavor –Il modello è predittivo: nuove particelle sono previste, e successivamente identificate, per riempire i buchi nei diagrammi delle rappresentazioni Si preferisce lipercarica alla stranezza come numero quantico additivo da aggiungere a I e I 3 : Q=I 3 +Y/2 Y è conservato dalle int. forti (somma di S e B) Produzione associata di due V-particles: p K°

6 Qualche cenno sul modello a quark Ponendo i tre quarks u,d,s nella rappresentazione fondamentale di SU(3), gli antiquarks sono la rappresentazione coniugata 3*. Per costruire i mesoni, interpretati come stati q-antiq, si decompone nella rappresentazione triviale (1) e aggiunta (8), singoletto e ottetto. La simmetria non è esatta (M s >>M u,M d ) e i mesoni hanno masse diverse. Inoltre vi è un mixing fra eta e eta che hanno un mass splitting non accomodabile nel modello a quark puzzle risolto in QCD (anomalia chirale) Per i barioni la decomposizione risulta I barioni sono fermioni e la loro funzione donda e antisimmetrica. Ciò si ottiene con una parte di colore antisimmetrica e il resto (flavor, spin, space) globalmente simmetrica. Il decupletto è simmetrico nel flavor, il singoletto antisimmetrico, e gli ottetti hanno simmetria di flavour mista. Nel decupletto si riescono a introdurre nove barioni noti – il decimo, la - viene scoperta poco dopo averne prevista la massa e i decadimenti possibili Il modello gruppale permette anche di prevedere le masse degli stati, attraverso formule empiriche motivate da esso Nonostante i successi di SU(3), i quarks sono pensati come entità matematiche, non tutti credono alla loro reale esistenza.

7 La scoperta della - A brookhaven nel 1964 un fascio di 5 GeV di K - interagisce coi protoni del bersaglio generando la seguente sequenza: Successivamente la lambda decade in protone e pione,e i due fotoni emessi dal pione neutro convertono (pura fortuna!) in coppie elettrone-positrone. La cinematica permette di calcolare la massa della, in ottimo accordo con le previsioni.

8 Esercizio per casa Determinare la massa della dai seguenti dati, estratti dalla figura nella slide precedente: 1) Determinare il quadrimomento della particella P1 decaduta in due fotoni, 7 e 8. Dalla massa, dedurne lidentità. 2) Determinare il quadrimomento della particella P2 decaduta in 5 e 6. Dalla massa, dedurne lidentità. 3) Calcolare il quadrimomento della, che decade in P1 e P2. Dalla massa, dedurne lidentità. 4) Calcolare infine il quadrimomento della, che decade in e nel pione negativo 4. Che massa ha il barione Omega ricostruito come sopra ? Track numberpx (calcul)py (calcul)pz (calcul) 185, ,125358, , ,546760, (pi minus)-2, , , (pi minus)-51, , , (proton)-64, , , (photon)5, , , (photon)-3, , ,

9 Più di tre quarks… L estensione del numero di sapori di quarks venne suggerita dalla non osservazione del decadimento dei K neutri in coppie di muoni Mentre i K carichi decadono K, lassenza del processo analogo per i K neutri era un problema insoluto Il mescolamento dei quarks di tipo down ipotizzato da Cabibbo per ristabilire luniversalità delle correnti deboli neutre ( decay, n decay, decay) implica lesistenza di correnti deboli neutre che mescolano quarks d e s, con el. di matrice prop. a cos sin Glashow, Iliopoulos e Maiani scoprirono che lesistenza di un quarto quark poteva cancellare quel contributo, e rendere le correnti deboli neutre incapaci di cambiare il sapore dei quarks Il quarto charm poi cancella quasi perfettamente leffetto degli altri 3 nei loops dei diagrammi a scatola: il meccanismo GIM prevede che il charm abbia massa fra 1 e 3 GeV!

10 Universalità della corrente debole carica e angolo di Cabibbo Il decadimento del neutrone e della Lambda è supposto avere, nella teoria IVB, la stessa struttura: una corrente ubar-d e una corrente ubar-s La seconda è osservata avere una intensità venti volte inferiore Se le correnti deboli sono universali bisogna ipotizzare (Cabibbo, 1963) un mescolamento degli autostati dellinterazione forte (u,d,s). Parametrizzato da un angolo theta, viene scelto mescolare d e s in d=d cos + s sin Lampiezza delle correnti deboli cariche a s=0 e s=1 allora dipendono da cos e sin, e le intensità (e quindi le vite medie) da cos 2 e sin 2, rispettivamente: J + (q) ~ g cos ( s=0) J + (q) ~ g sin ( s=1) Per langolo di Cabibbo si stima un valore di circa 13 gradi, dalle misure di decadimenti deboli. Per neutrone e Lambda ad esempio, ( pe ) / (n pe ) ~ g 4 sin 2 /g 4 cos 2 (ma attenzione, va tenuto conto dei fattori cinematici AKA spazio delle fasi).

11 Il meccanismo GIM Nel 1970 Glashow, Iliopoulos e Maiani cercano di spiegare il rapporto 1:100,000,000 fra frazioni di decadimento K+ e K° Con 3 quarks cè una corrente debole neutra che cambia il sapore: lo si vede esprimendo Se si suppone che esista un quarto quark c, possiamo introdurre un secondo doppietto mescolato, (c, s)=(c,-d sin +s cos ). Con questo, la corrente adronica neutra non contiene più fattori che cambiano il sapore dei quarks. Rimangono diagrammi a scatola che permettono il decadimento in due muoni dei K neutri: in questi, il contributo del quark charm risulta opposto a quello del quark up, a meno della loro differenza di massa GIM riescono a sfruttare la misura del BR(K° ) per stimare che il charm deve avere massa intorno a 1-3 GeV. Un successo strepitoso li attende nel 1974!

12 La scoperta del Charm Nel novembre 1974 due esperimenti scoprono simultaneamente la particella J/Psi, immediatamente riconosciuta come uno stato legato charm-anticharm –B.Richter et al. a SLAC (SPEAR e+e- asimmetrico) –S.Ting et al. a Brookhaven (p da 30 geV su Berillio coppie e+e-) Anche Adone (a Frascati) riesce ad osservare la nuova particella e ne conferma lidentità

13 Una nota di colore: la spalla di Lederman Alla fine degli anni 60 in un esperimento a targhetta fissa Leon Lederman aveva già visto la J/Psi! Purtroppo la risoluzione energetica dei muoni nellapparato era insufficiente a permettere la ricostruzione di un picco nello spettro di massa invariante Lederman si rifarà solo nel 1977, scoprendo la Upsilon, di nuovo una risonanza in coppie di muoni, e di nuovo uno stato di quarkonio. The yield of muon pairs decreased rapidly from 1 GeV to the kinematic limit of nearly 6 GeV with the exception of a curious shoulder near 3 GeV. The measurement of muons was by range as determined by liquid and plastic scintillation counters interspersed with steel shielding. Each angular bin (there were 18) had four range bins, and for two muons this made a total of only 5000 mass bins into which to sort the data. Multiple scattering in the minimum of 10 feet of steel made finer binning useless. Thus we could only note that "Indeed, in the mass region near 3.5 GeV, the observed spectrum may be reproduced by a composite of a resonance and a steeper continuum." This experiment was repeated in 1974 by Aubert et al. (1974), with a magnetic spectrometer based upon multiwire proportional chambers. The shoulder was refined by the superior resolution into a towering peak [see Fig. 7(a)] called the "J" particle. Da una lecture di Lederman (http://history.fnal.gov/GoldenBooks/gb_lederman.html):http://history.fnal.gov/GoldenBooks/gb_lederman.html

14 Il Rapporto R Il rapporto fra sezione durto di annichilazione di elettrone-positrone con stato finale adronico e la reazione di controllo e+e- - rappresenta unulteriore smoking gun per dimostrare la effettiva creazione di coppie di quarks. Il rapporto è semplicemente pari alla somma del quadrato delle cariche elettriche di tutti i quarks producibili al vertice:

15 La violazione di CP Ben prima della prima evidenza chiara della realtà dei quarks e la scoperta della J/psi, un esperimento aveva trovato una piccola violazione dellinvarianza CP nelle interazioni deboli dei K neutri In una piccola percentuale, i K 0 2 erano stati osservati decadere in due pioni in un esperimento da Christenson, Cronin, Fitch, Turlay (1964) Kobayashi e Maskawa nel 1973 notarono che la presenza di violazioni di CP nelle interazioni deboli implica, nel contesto del modello a quark degli adroni, la presenza di una fase complessa nella matrice che ne rappresenta le ampiezze di transizione. –Con 4 quarks, la matrice è 2x2 e la richiesta di unitarietà implica che vi siano (n-1) 2 = 1 parametro libero: c (angolo di Cabibbo) –Il numero di fasi complesse di una matrice unitaria è (n-1)(n-2)/2, per cui il numero minimo di generazioni che permettano violazione CP è 3. La speculazione di K.M. diventa molto verosimile dopo che si scopre il quark charm. La successiva scoperta del leptone tau (Perl et al., 1975) rende ancora più verosimile lipotesi di tre generazioni di quarks, e la caccia al quark b comincia.

16 La scoperta del quark b Lederman et al. 1977: protoni da 400 GeV ottenuti dal sincrotrone di Fermilab vengono fatti collidere su un bersaglio di berillio, e si analizzano gli stati finali con muoni in due spettrometri ai due lati del fascio Lesperimento osserva un accumulo di eventi a massa invariante tra 9 e 10 GeV, presto riconosciuto come la somma di tre distinte risonanze: le Y(1S,2S,3S). Le proprietà del nuovo quark vengono successivamente studiate anche ai collider e+e-, confermando la carica (- 1/3, PLUTO/DASP), laumento di R, e lisospin debole (PETRA, vedi più avanti)

17 Tre generazioni: motivazioni teoriche Se il panorama sperimentale puntava fortemente allesistenza del quark top, per completare la terza famiglia di quarks e accomodare la violazione di CP in modo naturale, dal punto di vista teorico levidenza era forse anche più forte: 1) Cancellazione delle anomalie triangolari 2) Isospin debole del b-quark 3) Mancanza di FCNC dei B neutri 4) Frequenza di oscillazione dei B neutri Discutiamo brevemente questi aspetti per il loro valore didattico: le previsioni di una teoria non sono solo quantitative (2,3,4), ma a volte dettate anche dalla coerenza interna del modello (1).

18 1- Le anomalie triangolari Si chiama anomalia una perdita di simmetria della teoria classica a livello quantistico –Tipicamente si tratta di effetti quantistici che danno un contributo non nullo alla divergenza di una corrente conservata –Se le correnti di gauge sono anomale, vengono meno le identità di Ward, sulle quali si basa la rinormalizzabilità della teoria. –Lo standard model è rinormalizzabile solamente se i diagrammi triangolari che accoppiano una corrente assiale a due correnti vettoriali cancellano il loro contributo Se questi diagrammi allordine più basso si cancellano, lo fanno ad ogni ordine e la teoria è rinormalizzabile –Si trova che vi è cancellazione famiglia per famiglia dei contributi al diagrammi triangolari se –In ogni famiglia vi sono 3 quarks per ogni flavor a causa del colore, e quindi

19 Una nota su N c e le anomalie Abbiamo detto che la rinormalizzabilità dello SM richiede la cancellazione della carica elettrica totale dei fermioni, generazione per generazione E interessante notare che la condizione Q u -Q d =1 tra le cariche dei quarks di ogni generazione, che deriva dalla struttura gruppale di SU(2)xU(1) con correnti deboli cariche, è indipendente da N c. La relazione vista prima si può combinare con questa e si ottiene Si scopre quindi che per avere barioni a carica intera con tre quarks è necessario avere carica frazionaria dei quarks, e tre colori! –N c =1 Q d =0, Q u =1 possibili sia mesoni che barioni, ma non cè una forza forte dotata di anti-screening e non ce antisimmetria della parte di colore della funzione donda –N c =2 Q d =-1/2, Q u =1/2 non ci sono stati a 3 quarks (non avrebbero zero colore, non avrebbero carica elettrica intera).

20 2- Lassenza di FCNC Nello SM le correnti deboli neutre non appaiono cambiare il sapore dei quarks. Tuttavia, se il b è un isosingoletto, ci si aspetta un mescolamento con il doppietto (cs): Il mescolamento provoca la rottura del meccanismo GIM: Ci si aspetterebbe in tal caso un rapporto fra i branching ratio B llX e B l X maggiore del 12% UA1 per primo mostrò come tale rapporto era inferiore per almeno 4 ordini di grandezza il quark b deve avere un partner

21 3-Asimmetrie elettrodeboli e I 3 b Non appena i collider leptonici raggiunsero energia sufficiente a essere sensibili ad effetti elettrodeboli, si iniziarono a misurare effetti legati al vertice La produzione elettrodebole e + e - bb è asimmetrica per via della natura V-A della corrente debole neutra: lasimmetria si può definire come il numero di quarks meno antiquarks prodotti nella direzione degli elettroni, diviso per la loro somma. Si calcola che a bassa energia linterferenza e.m./debole valga Lasimmetria, misurata a energie tra 30 e 60 GeV, misura lisospin debole del quark b levogiro, che è -1/2, e destrogiro, che è pari a 0. Per un isosingoletto di isospin debole anche la componente left dovrebbe invece essere 0.

22 Più tardi lasimmetria fu misurata anche a LEP, ottenendo valori ancora più precisi. Alla Z vale la relazione Data la dipendenza di (bb) da I 3 b, ovviamente anche il branching ratio Z bb è un forte indicatore dellisospin debole del b-quark: Quindi dati i valori di v b e a b, risulta Nei primi anni di presa dati LEP ha ottenuto confermando che il b è membro di un doppietto di isospin debole. Risultati

23 La figura mostra una griglia di punti corrispondenti ai valori possibili della parte L(in ascissa) e R(in ordinata) del quark b, e i constraints sperimentali a queste due grandezze da misure combinate della larghezza della Z in bb e delle asimmetrie F/B a LEP e a PETRA, PEP e TRISTAN.

24 4- Oscillazioni di beauty Infine, un quarto argomento non solo portava alla necessità dellesistenza del top ma ne prevedeva anche una massa elevata: le oscillazioni dei mesoni B. Scritti come autostati di CP, i mesoni B1 e B2 hanno una differenza di massa e vita media dovuta alle loro diverse interazioni deboli. UA1, ARGUS e CLEO misurarono la differenza di massa m fra i due autostati, che riceve il massimo contributo dal quark top: Tuttavia vi sono tre parametri incogniti in questa relazione, per cui la massa del top non è direttamente estraibile

25 Misura del mixing integrato Alla Y(4S) si può anche studiare il mixing dei mesoni B d dalla carica dei leptoni ottenuti nel decadimento ARGUS misura un valore grande del parametro di mixing, il che implica una massa elevata per il quark top:

26 La larghezza del bosone W La larghezza del W misura il numero di modi di decadimento possibili –Più stati finali adronici sono permessi, più piccolo è il rapporto (W e )/ (W) (W) può essere ottenuta dalle sezioni durto totali di produzione di W e Z in leptoni e da (Z): dalla teoria da LEP

27 La corsa al top: Gli strumenti Colliders e+ e-: vantaggi e svantaggi Colliders p antip: ups and downs Limportanza dei detectors al silicio

28 Pro e contro dei colliders e + e - Per la ricerca di nuove particelle massive vi sono varie cose da notare: Stato iniziale a riposo, o comunque con moto perfettamente noto nel lab frame –Si può in effetti disegnare il rivelatore attorno al boost per ottenere dei vantaggi sperimentali nella ricostruzione Alta intensità facile da ottenere –Facile produrre positroni… –Ma sezione durto bassa! Il che è anche un vantaggio: no multiple interactions Anche un vantaggio per la semplicità del trigger E per la gestione del data flow E per il management dei dati offline! Però chiaramente meno eventi buoni per la fisica Stato finale pulito –Praticamente tutto ciò che si misura nel detector è rilevante per determinare la natura dellinterazione –Constraint cinematici stringenti possibili (e.g. missing energy) –Il detector necessita di minor ridondanza, minor radiation hardness, loccupanza è bassa Tutta lenergia dei fasci è disponibile per la creazione di nuovi stati –Per produrre in coppie quarks di massa M, basta avere fasci di energia E=M o poco più Maggior problema: radiation loss, potenza necessaria –La potenza irradiata da una particella carica in un giro in una traiettoria circolare dipende dalla sua energia alla quarta potenza I progetti non scalano: oltre una certa energia con sincrotroni non si va Acceleratori lineari sono invece limitati dalla lunghezza delle cavità risonanti

29 Pro e contro dei colliders adronici I colliders adronici permettono una maggiore energia per un dato raggio di circonferenza –La radiazione di sincrotrone è irrilevante per i protoni, dato che lintensità dipende da 1/m 4 –Però non tutta lenergia dei fasci è disponibile per la creazione di nuovi stati La sezione durto di produzione di vari processi fisici di interesse è maggiore –Ma per la creazione di coppie di nuovi quarks, e.g., le cose vanno diversamente –I backgrounds da processi concorrenti sono enormi –Il triggering è un problema difficilissimo da risolvere –La raccolta dati necessariamente scarta la massima parte degli eventi –Lanalisi offline è condizionata da grande lavoro per il data management Lo stato iniziale del sottoprocesso duro ha un boost incognito lungo lasse dei fasci –Impossibile determinare la componente z della missing energy –Problemi di accettanza –Ogni misura è affetta da incertezze sistematiche dovute alla imperfetta conoscenza delle parton distribution functions Lo stato finale è enormemente più complesso che in una collisione leptonica –Multiple interactions, minimum bias, radiazione di stato iniziale e finale –Occupanza un problema –Radiation hardness è un concern –Necessaria maggiore ridondanza dei detectors –Lalto rate implica problemi di integrazione dei segnali

30 E perché non più targhetta fissa ? Lenergia disponibile per la creazione di nuovi stati scala con la radice dellenergia del fascio E b –Molto difficile raggiungere energie elevate: Es. per produrre due particelle di massa m=200 GeV serve che s=2m p E b >>(2m) 2 E b >>2m 2 /m p E b >>80 TeV! Dunque serve un collider adronico. Ma cè un problema: pp o p-antip ? –Protoni contro antiprotoni: vantaggio enorme, basta un solo sincrotrone (gli stessi magneti) –Protoni contro protoni: servono due anelli separati –Però produrre antiprotoni è difficile! Esercizio per casa: soglia energetica di produzione di antiprotoni in collisioni protone-targhetta fissa ? Il problema non è lenergia di soglia, ma la bassa sezione durto e la bassa efficienza con cui è possibile selezionare e raccogliere gli antiprotoni –I pro e i contro in questo caso si bilanciano abbastanza… SppS, Tevatron hanno scelto p-antip nel passato, LHC usa pp.

31 Ricerche ai colliders e+e- Ai colliders leptonici si cerca di salire con lenergia dei fasci, in cerca di una risonanza top-antitop, eventi più sferici, o un salto in R –Tristan: Mt>30 GeV –LEP/SLC: Mt>46 GeV

32 Prime ricerche ai colliders adronici lSppS scopre i bosoni W e Z e si mette a cercare il top nei decadimenti del W –Se M w >M t +M b, una frazione consistente di decadimenti produce un quark top –La segnatura cercata è dunque un leptone di alta energia, missing energy, e due jets –UA1 vede un segnale, annuncia la scoperta, ma poi ritratta: a quei tempi la QCD perturbativa non era uno strumento di facile uso, e le simulazioni non riproducevano la giusta quantità di processi di produzione di W con jets adronici – prima trova il top, poi lo esclude al 95% fino a 69 GeV (UA1-UA2, run) Il limite sale fino a 91 GeV (CDF, run) la produzione da W non è possibile

33 Cosa manca a CDF ? Nel run del CDF raccoglie una luminosità integrata di 4/pb Ricerche del quark top vengono effettuate in tutti gli stati finali favorevoli –Le vedremo in dettaglio più avanti Larma fondamentale però è ancora spuntata: il B-tagging è solo possibile con lidentificazione di leptoni (e, ) nei jets –B(b e X)=10%, B(b X)=10%, B(b X (e, )X)=4% –La frammentazione dei b B è dura per cui il leptone trasporta una frazione ragionevole dellenergia originaria –Lidentificazione di elettroni e muoni entro i coni di jets adronici è però difficoltosa si ottengono efficienze totali di SLT tagging di pochi percento –Servirebbe un rivelatore al silicio per identificare i vertici secondari prodotti dal decadimento di B-mesoni e barioni… Daltra parte il canale golden dileptonico ha BR troppo piccolo CDF vede un evento eccezionalmente pulito, ma non può farsene molto –Ne nasce perfino una controversia internazionale…

34 Rivelatori al silicio CDF dal 1992, D0 dal 2002 sono dotati di rivelatori di microvertice al silicio Si tratta di una serie di cilindri concentrici, costituiti da moduli - strati di silicio dello spessore di 300 m, con strisce spaziate m con un bias positivo di V ove la carica ionizzante (20000 elettroni) viene raccolta Il silicio è una giunzione pn polarizzata inversamente svuotata di carica libera tutta la carica prodotta per ionizzazione viene raccolta con basso rumore La struttura fisica permette grande precisione nella misura di posizione delle particelle cariche che attraversano i detectors si ottiene un tracking molto preciso B tagging!

35 Due parole sulla frammentazione I processi alla base dellemergenza di un getto di adroni stabili (per linterazione forte!) da un quark emesso con alto impulso nella collisione dura sono non calcolabili (QCD non perturbativa) Si descrivono con modelli i cui parametri vengono tunati dal confronto con le osservazioni sperimentali Fenomenologicamente, si può studiare la frammentazione dallo spettro di impulsi degli adroni prodotti: come essi si dividono limpulso originale Per il quark b si trova che esso trasferisce la maggior parte del suo impulso al mesone che lo contiene –Questo fatto è importante perché permette al mesone di avere una lunghezza di decadimento sufficiente a essere identificato come vertice secondario. In media Pt(B)=0.7Pt(b) per un b-quark di 50 GeV di momento trasverso si ha L xy = c =0.7x10x450 m=3mm

36 Ancora sul B-tagging La complessità e non calcolabilità dei processi di frammentazione rendono in genere impossibile determinare il sapore del quark originante un jet, o discriminare jets di quark e gluone Solo con b-quarks si può fare, perché il quark b decade in tempi lunghi ( s) e con caratteristiche ben discriminanti –produce un vertice secondario spostato qualche mm dal vertice primario –le tracce cariche prodotte dal decadimento di mesoni B hanno massa invariante elevata –i b-quarks decadono semileptonicamente ¼ delle volte si possono identificare gli elettroni o i muoni nei jets I leptoni tau che decadono in adroni (65%) producono invece jets molto collimati e con una o tre tracce cariche si possono anchessi discriminare dai jets generici di quark leggero e gluone MC event visualization for bbH(500)-> ->2jet jet 2 b jet 1 b jet 2 jet 1

37 Fenomenologia del quark top pesante Meccanismi di decadimento –Decadimento standard –FCNC decays Meccanismi di produzione ai colliders adronici –Produzione di coppie –Produzione elettrodebole

38 Decadimenti del top I decadimenti standard del quark top includono sempre un bosone W e un quark b o s o d –Dal valore di |V tb | e |V ts | segue che t Wb è dominante B(t Ws) solo 0.2% –La conservazione dellelicità impedisce il decadimento in W con h=+1 –Il decadimento è semi-debole in quanto la massa del top è grande e la larghezza dipende dalla massa al cubo = s

39 Implicazioni di (t)=1.5 GeV Il grande valore di agisce da cut-off per la dinamica di QCD, legata alla scala = MeV –La distribuzione angolare dei decadimenti del top segue le previsioni per una particella a spin ½, perché la QCD non ha tempo di intervenire a modificare il decadimento di particella libera –Da confrontare col decadimento dei b-quarks, che avviene allinterno di mesoni ( B >>1/ ) e che è isotropico (non dipende dallo spin di produzione del b) –Il quark top viene prodotto e decade come una particella libera, la QCD non gioca alcun ruolo –Ciò implica la possibilità di Misurare lo spin del top direttamente dalle distribuzioni angolari del decadimento Misurare la dinamica del decadimenti e verificare se è governata da interazione V-A

40 Il top quark non forma mesoni T Questa può apparire una implicazione banale di quanto visto finora, ma ragioniamoci su. –Si può confrontare il caso del t alla dinamica del quark b, ben nota da studi della fenomenologia di produzione e decadimento dei mesoni B Lo splitting in massa del B dai suoi stati eccitati B*, B** dipende per il B* da 1/M Q, per il B**/B è costante (dipende dalla dinamica del quark leggero) ed eguale a 450 MeV Stati T,T* e T** sono quindi lo stesso stato quantistico dato che (t)=1.5 GeV Anche per il toponio tt vale un ragionamento simile, (tt)=2 (t)=3 GeV mentre lo splitting atteso fra stati 1S e 2S è 1.2 GeV le risonanze non hanno tempo di formarsi Al Tevatron ciò significa che si possono studiare le caratteristiche dello spin del top, a un collider lineare implica che si osserverà solo una curva di sezione durto che cresce senza spikes allaumentare di s.

41 Decadimenti delle coppie tt Assumendo t Wb, si ha uno stato finale che comprende due W e due quark b I b-quark hanno alta energia e producono jets adronici I W decadono per 2/3 in quarks 2 jets, per 1/9 in ciascuna coppia di leptoni Si usa classificare tre stati finali principali, segnature sperimentali ben definite: –Canale all hadronic: 6 jets, B=4/9=44% –Canale single lepton: 4 jets + e o, B=8/27=30% –Canale dileptonic: 2 jets + ee o o e, B=4/81=5% –I canali con i leptoni tau sono esclusi da questa classificazione per la difficile segnatura sperimentale dei tau

42 tt W + bW - b … La situazione si può descrivere graficamente con un grafico in cui i BR sono proporzionali alle aree Ogni W decade per 2/3 in jj e per 1/9 in ciascuna coppia di leptoni In rosso il canale single lepton In verde il dilepton In blu il canale all hadronic

43

44 Canale single lepton: è il miglior compromesso fra numero di eventi raccoglibili e rapporto S/B Lidentificazione di b-tags è fondamentale per ridurre il background di W+jets La ricostruzione cinematica è possibile perché anche se non è noto il Pz del neutrino, ci sono sufficienti constraint cinematici: M t =M t (1 constraint) M W1 =80 GeV (1 constraint) M W2 =80 GeV (1 constraint) P t (t)=P t (t) (2 constraints) Meno tre componenti incognite dellimpulso del neutrino 2 constraints al fit

45 Canale dileptonico: pochi eventi, ma molto puliti In particolare, lo stato finale con un elettrone, un muone, missing Et, e due jets è quasi impossibile da riprodurre con altri processi nello SM Un fit cinematico non è però possibile: sei incognite (P n1, P n2 ), 5 constraints

46 Esercizio Quale canale di ricerca delle coppie top-antitop è più vantaggioso ? Supponiamo di avere 20/pb di dati al Tevatron nel Run 1a, Supponiamo anche (e)=0.5, (m)=0.5, (j)=1.0 Segnale: (tt)=5 pb. Fondo principale nel canale a leptone singolo: W+4jets, (W+4jets)=50 pb Fondo principale nel canale dileptonico: produzione WW con due jets, (WW)=10 pb, P(2j)=5% Fondo principale nel canale adronico: produzione QCD di 6 jets, (6 jets)=500 pb B-tagging: efficienza 50%, fondo 2% per ogni jet Significanza statistica: N(segnale)/sqrt(N(fondo)) Che significanza mi aspetto da un esperimento di conteggio nei tre canali, se applico doppio b-tagging ? E se faccio solo N(b)>=1 ? E se non applico alcun b-tag?

47 Decadimenti FCNC Le flavor-changing neutral currents non esistono nello SM al tree level –Sono dovute allo scambio di due bosoni vettori fortemente soppresse –La cancellazione di diagrammi a box dovuta alla struttura a doppietti delle famiglie non aiuta Tuttavia, decadimenti rari del top – ad es. in Zc, c – saranno studiabili a LHC Curiosamente, limiti interessanti a questi processi rari sono stati ottenuti fuori dal Tevatron –Unico caso di ricerche dirette e risultati sperimentali sul top che non provengono da Fermilab! –HERA e LEP hanno cercato la produzione di top da processi FCNC solo limiti superiori poco interessanti –Al Tevatron limiti migliori, ma lontanissimi dallo SM: B(t c)=10 -12, B(t Zc)= una osservazione è automaticamente un segnale chiaro di nuova fisica –LHC potrà spingere le ricerche di NP molto più in là, a causa della enorme sezione durto di coppie top-antitop

48 Meccanismi di produzione Al Tevatron, la produzione forte non domina così tanto su quella debole come per altri quarks in altre condizioni sperimentali –Come al solito, la differenza la fa la grande massa del quark top –Produzione forte coppie (per conservare il flavor!) serve Q 2 >>4M t 2 –Produzione EW singolo top basta un quarto del Q 2 Facendo i conti, la produzione forte è più frequente, ma solo di un fattore 2 – (ttX)=5pb (1.8 TeV), 7pb (1.96 TeV) – (tX)=2.7pb (1.96 TeV)

49 Diagrammi di produzione A causa dellalta energia necessaria, la produzione di coppie è dominata da annichilazione qq (85%), e solo il 15% rimanente è costituito da fusione di gluoni –A LHC le proporzioni sono invertite! A 14 TeV, una collisione che dà 350 GeV disponibili per la creazione di massa è facilmente fornita da gluoni La produzione elettrodebole è soprattutto mediata dallo scambio di un W space-like –La produzione di W off-shell (s-channel) è più piccola anche a causa delle limitazioni dello stato iniziale (stesso colore dei quarks, corretto flavor)

50 Ricerche del top al Tevatron Abbiamo lasciato le ricerche dirette al 1990, quando si è trovato M>91 GeV Le ricerche sono continuate al Tevatron in CDF e D0. –CDF nel Run 1 ( ) monta per la prima volta un rivelatore di microvertice al silicio (costruito anche a Padova) –D0 non è altrettanto ben equipaggiato: Manca un solenoide Manca un rivelatore di microvertice Nel 1994 CDF presenta i risultati dellanalisi di 19/pb di dati –3-sigma evidence da un conteggio degli eventi –Un segnale che spicca nello spettro di massa –CDF misura M=174 GeV misura estremamente precisa!! –Tuttavia le regole in HEP implicano che questa non è ancora una definitiva osservazione della particella… Serve più statistica!!!

51 D0 nel 1993 misura la sezione durto da 9 eventi single lepton, ma la significanza è <2 sigma un altro limite Nel 1995 CDF e D0 pubblicano back to back le loro analisi osservazione del nuovo quark da un conteggio degli eventi (counting experiment) D0 event count CDF event count

52 Evidenza cinematica Oltre alleccesso di eventi, sia CDF che D0 sono in grado di mostrare che la massa ricostruita è in disaccordo col background e invece in accordo con lipotesi di presenza del nuovo quark nei dati. Misure di massa nel 1995: –CDF, M= GeV –D0, M= GeV Le misure sono effettuate nel canale single lepton da una ricostruzione dellevento con un fit cinematico

53 Il fit cinematico Distilla tutta linformazione disponibile dalle quantità misurate (energia dei jets e leptoni, missing Et) in un solo numero: la massa invariante incognita del top quark Viene selezionata la più probabile assegnazione dei jets ai partoni dello stato finale usando il 2, dopo aver richiesto che eventuali jets con b-tag siano assegnati ai b-quarks La massa ricostruita del top è lunico parametro libero nel fit ν W+W+ W-W- t t b-jet X Constraints l P T balance m lν =m W m jj =m W m t1 =m t2

54 Alcuni event displays D0, candidato dilepton:

55 CDF: candidato dileptonico con b-tagging di un jet

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57 Fisica del quark top I campioni di top raccolti da CDF nel Run II sono sfruttati per misure di precisione (M, ) e per indagare molti dettagli del modello standard con fermioni della 3 a famiglia CDF eccelle soprattutto nelle misure di massa. Altre misure nuove o migliorate di recente: –Misure di sezione durto –Ricerca di top singolo –Studio dei processi di produzione –Ricerca di risonanze t-anti t –Più molte altre (carica, spin, Vtb) Impossibile discutere tutto, discuto nel seguito solo di –Massa del top –Ricerche di single top production

58 Misure di massa del top CDF e D0 hanno investito in queste misure un enorme sforzo, ottenendo risultati migliori delle aspettative M/M<0.7% !! Sono ancora possibili ulteriori miglioramenti: b-JES ottenuto con Z bb Nuovi b-taggers Migliore risoluzione energetica dei jets Nuove tecniche, nuovi campioni

59 Misure di M top : (1) - Dilepton channel Il canale più pulito raccoglie 78 eventi in 1/fb (50±2 di top) Si usa una likelihood globale per evento in funzione di M top usando un integrale sullo spazio delle fasi pesato con funzioni di trasferimento (partone jet) e lelemento di matrice relativo per la produzione top pairs al LO: I backgrounds (DY, WW, W+jets) sono trattati allo stesso modo usando la loro probabilità relativa: Risultato: M top = ± 3.9 (stat.) ± 3.9 (syst.) GeV/c 2

60 (2) – Single-lepton channel Una likelihood globale che ingloba lelemento di matrice della produzione tt e le funzioni di trasferimento partone jet è usato anche dallanalisi che ottiene la misura più precisa nel campione l+jets, con 0.94/fb 166 candidati tt con W+3,4 jets (>=1 b-tag) sono selezionati con tagli standard: La misura usa la massa della coppia di jets assegnata al decadimento W jj per ottenere un vincolo interno allerrore di scala energetica. M top e la sistematica sulla jet energy scale sono estratte congiuntamente dal prodotto delle likelihood di singolo evento.

61 (3) – All-hadronic channel Anche in questo canale la likelihood combinata con luso di LO matrix elements permette una misura precisa di M top La selezione richiede 6 jets (E t >15 GeV, | |<2) e usa tagli cinematici su Aplanarità: E t 3, centralita C>0.78, E t >280 GeV, e un taglio sulla top likelihood L<10 basata sullelemento di matrice. I templates di M top e di M jj sono usati in un fit congiunto a M top e alla jet energy scale.

62 Prospettive per M top Il Goal del Run IIA è già stato superato con meno di metà della statistica prevista grazie allabbattimento delle sistematiche legate alla jet energy scale e alluso di metodi avanzati di fitting CDF con 6/fb andrà sicuramente al di sotto dell1%, e CDF+D0 potrebbero raggiungere assieme un errore totale inferiore a 1.0 GeV. Da questo numero da solo non si impara più molto, ma sarà un eccellente lascito a LHC per la calibrazione della scala energetica di CMS e Atlas!

63 Misure di tt La precisione delle misure di sezione durto di top ha raggiunto quella teorica ed è ora del 12% Non un semplce turning the crank! Analisi nuove e metodi di selezione dei dati e stima dei background sempre più efficienti e precisi contribuiscono in maniera sensibile ai nuovi risultati: - Et mancante + jets - miglioramenti al B-tagging

64 Ricerca di produzione di top singolo t = pb s = pb (B.W. Harris et al. Phys. Rev. D 66, (2002), Z. Sullivan, Phys. Rev. D 70, (2004)) background549 ± 95 single-top37.8 ± 5.8 total prediction587 ± 95 observation644 1 isolated high-P T lepton (e, ) p T > 20 GeV, | e | < 2.0 and | | < 1.0 Missing Et > 25 GeV N jets = 2, E T > 15 GeV, | | < 2.8, 1 b tag CDF ricerca la produzione elettrodebole di top dal Run I. Segnale elusivo: piccolo, e segnatura facile da imitare Tre analisi diverse: ME, NN, LD, basate sullo stesso dataset di partenza:

65 Single top: risultati Le tre analisi costruiscono un discriminante globale che separa il segnale dai diversi processi di fondo Un fit alla distribuzione del discriminante permette di ottenere il numero di eventi di segnale cross section

66 Altre misure con il quark top Ricerca di risonanze tt Misura della frazione di produzione qq

67 Ricerca di risonanze top-antitop Un bosone Z tt è previsto in alcune estensioni del modello standard Con i campioni di top quark raccolti al Tevatron è possibile ricercare facilmente questo segnale Si usa il campione di decadimenti single lepton per la possibilità di ricostruire la cinematica con un fit

68 Misura della frazione di produzione qq Il meccanismo di produzione (85% per annichilazione quark-antiquark) può essere verificato con la cinematica dei prodotti del decadimento delle coppie top-antitop Dopo aver selezionato un campione ricco di segnale nello stato finale single lepton, una rete neurale separa il background, il top prodotto da qq, e quello prodotto da gg usando informazione cinematica (Pt del top, rapidità del sistema top-antitop, energia dei corpi nello stato finale) La funzione di risposta (frazione vera di gluoni frazione misurata) è molto larga e permette di illustrare il metodo sperimentale con cui viene solitamente posto un limite ad una quantità misurata, o definito un 95% coverage

69 Conclusioni Il quark top è stato lungamente cercato ai colliders –Un connubio da manuale fra indicazioni teoriche e ricerche sperimentali La consistenza della misura ormai all1% della massa del top con le previsioni del MS (dati in input i parametri liberi del modello, misurati in processi elettrodeboli) è un macigno che limita fortemente lo spazio delle fasi di nuova fisica Qualunque estensione del MS deve entrare in gioco senza modificare il delicato equilibrio fra previsioni teoriche del MS e misura sperimentale di massa, sezione durto, meccanismi di produzione e decadimento La disponibilità di una misura precisa di Mtop stimola ricerche tese a scoprire la regola soggiacente allo spettro così diverso per la massa dei fermioni –Cosa rompe la simmetria ? Il panorama teorico è fermo da 30 anni. Possibili estensioni predittive del MS: –Supersimmetria –Technicolor –Gruppi di simmetria che inglobano SU(2), SU(3), U(1) Molti sperano che LHC romperà limpasse –Se ciò non avverrà, sarà difficile giustificare un nuovo collider lineare e la fisica delle alte energie dovrà subire un ripensamento


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