Vortrag zu meinem Diplomarbeitsthema auf der DPG Frühjahrstagung 2010.

1. Massenbestimmung
des Top-Quarks
anhand der Zerfallslänge
von B-Hadronen
im CMS-Experiment
Andreas Herten
III. Physikalisches Institut B, RWTH Aachen
DPG Frühjahrstagung 2010
GEFÖRDERT VOM

2. Inhalt
• CMS-Experiment
• Zerfallslängenmethode
t b B∗ B D
•
B (stacked)
5
rel. Einheiten
10
104
• Generatorstudie
103
102
10
1
0 2 4 6 8 10 12
Lxy [cm]
mt = 170 TeV
rel. Einheiten
• Rekonstruierte B-Jets
10-2
10-3
10-4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Lxy [cm]
2

3. Solenoid
Myonkammern
Eisenjoch
HCAL
ECAL
Pixel-Tracker
Streifen-Tracker
Compact Muon Solenoid
ø 15 Meter • 12.500 Tonnen • 3,8 Tesla Magnetfeld
3

4. Solenoid
Myonkammern
Eisenjoch
HCAL
ECAL
Pixel-Tracker
Streifen-Tracker
Compact Muon Solenoid
ø 15 Meter • 12.500 Tonnen • 3,8 Tesla Magnetfeld
3

5. Tracker Streifen Pixel
Pixel Streifen
Zylinder 3 Lagen 10 Lagen
(„Barrel“) (4, 7, 11 cm) (bis 130 cm)
Endkappe je 2 pro Seite je 9 pro Seite
(„Endcap“)
Anzahl 66 Millionen 9,6 Millionen
10 cm * 180 µm
Abmessung 100 µm * 150 µm
25 cm * 180 µm
Fläche 1 m² 200 m²
Größter Siliziumdetektor der Welt
(Fläche eines Tennisfelds)
Auflösevermögen:
• z: ± 20 µm
• r-Φ: ± 10 µm
• |η| 2,4
4

6. Tracker Streifen Pixel
Pixel Streifen
Zylinder 3 Lagen 10 Lagen
(„Barrel“) (4, 7, 11 cm) (bis 130 cm)
Endkappe je 2 pro Seite je 9 pro Seite
(„Endcap“)
Anzahl 66 Millionen 9,6 Millionen
10 cm * 180 µm
Abmessung 100 µm * 150 µm
25 cm * 180 µm
Fläche 1 m² 200 m²
Größter Siliziumdetektor der Welt
(Fläche eines Tennisfelds)
Auflösevermögen:
• z: ± 20 µm
• r-Φ: ± 10 µm
• |η| 2,4
4

7. Jet
b
W+
t
p
W− ¯
t
p
¯
b
Top-Zerfall
5

8. Jet
b
W+
t
p
W− ¯
t
p
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
übliche Vorgehensweise
6

9. Jet
b
W+
t
p
W− ¯
t
p
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
übliche Vorgehensweise
6

10. leptonisch
Jet µ+
W+
b
W-Boson: νµ
• dileptonisch • semileptonisch • vollhadronisch
t
Kenntnisse aller Zerfallsprodukte
p Jet
Kalorimeter-Information notwendig q
¯
→ Systematische Unsicherheiten
¯
νe +
hadronisch
W− ¯
t W
(Jet-Energie-Skala: 10%) p q
e− Jet
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
übliche Vorgehensweise
7

11. leptonisch
Jet µ+
W+
b
W-Boson: νµ
• dileptonisch • semileptonisch • vollhadronisch
t
Kenntnisse aller Zerfallsprodukte
p Jet
Kalorimeter-Information notwendig q
¯
→ Systematische Unsicherheiten
¯
νe +
hadronisch
W− ¯
t W
(Jet-Energie-Skala: 10%) p q
e− Jet
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
übliche Vorgehensweise
7

12. Jet
b
µ+
W+
t
p νµ
¯
νe
W− ¯
t
p
e−
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
Zerfallslängenmethode
Unabhängig von der JES!
8

13. Jet
b
µ+
W+
t
p νµ
¯
νe
W− ¯
t
p
e−
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
Zerfallslängenmethode
Unabhängig von der JES!
8

14. t b B ∗
B D
Zerfall: instantan Lebensdauer:
−12
τ = 1,574 · 10
¯ s
¯
Zerfallslänge: L = 0,472 mm
Zerfallslängenmethode
9

15. t b B ∗
B D
Ruhe Boost durch Top-Masse
L = cτ L = cτ βγ
Zerfallslängenmethode
Messe Zerfallslänge L → messe Top-Masse mt
10

16. t b B ∗
B D
Ruhe Boost durch Top-Masse mt
L = cτ L = cτ βγ ≈ 0,4cτ β
mb
Zerfallslängenmethode
Messe Zerfallslänge L → messe Top-Masse mt
10

17. t b B ∗
B D
Ruhe Boost durch Top-Masse
mt
L = cτ L = cτ βγ ≈ 0,4cτ β
⇒ L ∼ mt mb
Zerfallslängenmethode
Messe Zerfallslänge L → messe Top-Masse mt
10

18. t b B ∗
B D
Ruhe Boost durch Top-Masse
mt
L = cτ L = cτ βγ ≈ 0,4cτ β
⇒ L ∼ mt mb
¯
L = 0,47 mm ¯
L ≈ 8 mm
Zerfallslängenmethode
Messe Zerfallslänge L → messe Top-Masse mt
10

19. aktuelles ? t- ? b- Generator-
Interna
Teilchen Quark Quark
2 1
vertex( 1 )- bel.
! B- ?
vertex( 2 ) Tochter Meson
1
Lxy ! ? ?
B- B*-
Meson Meson
= alle Töchter
Generatorstudie
Strategie
11

20. Bild mit histogrammierten Zerfalsllängen
bei m(t) = 170 GeV
Generatorstudie
PYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events
12

21. Bild mit histogrammierten Zerfalsllängen
bei m(t) = 170 GeV
+ Exponentialfit
Generatorstudie
PYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events
13

22. IG
Zerfallslängen von Zerfallslängen von Zerfallslängen von
B0 B+ Bs
Plot mit stacked Histogrammen der obigen
verschiedenen B-Mesonen, farblich kodiert.
Warum keine Exponentialfunktion?
Überlagerung verschiedener B-Mesonen • Annahme β = 1
14

23. Bild mit histogrammierten Zerfalsllängen
bei m(t) = 170 GeV
+ Exponentialfit
Generatorstudie
PYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events
15

24. Bild mit histogrammierten Zerfalsllängen
für verschiedene Top-Massen inkl. Fits und Fit-Parameter
Generatorstudie
PYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events
16

25. Kalibrationsgeraden zwischen
Fit-Parameter und Top-Massen
für 7 TeV und 10 TeV
Kalibrationsgerade
17

26. Jet
b
µ+
W+
t
p νµ
¯
νe
W− ¯
t
p
e−
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
Detektorsimulation
18

27. Jet
b
µ+
W+
t
p νµ
¯
νe
W− ¯
t
p
e−
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
Detektorsimulation
18

28. Jet
b
µ+
W+
Dileptonischer Kanal:
2 B-Jets p
t
νµ
¯
νe
W− ¯
t
p
e−
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
Detektorsimulation
18

29. Jet
b
µ+
W+
Dileptonischer Kanal:
2 B-Jets p
t
νµ
¯
νe
W− ¯
t
p
e−
¯
b
Rekonstruktion Top-Masse
Detektorsimulation
18

30. aktueller
Jet
Dileptonisch
B-Tag
? höchster
? 2.
höchster
Lxy
B-Tag B-Tag
(je)
Primärvtx
B-Jet 1 B-Jet 2 -
Sekundärvtx
B-Jet-Matching
Strategie (Detektorsimulation)
19

31. Bild mit histogrammierten Zerfalsllängen
bei m(t) = 170 GeV
Detektorsimulation
PYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events
20

32. Bild mit histogrammierten Zerfalsllängen
bei m(t) = 170 GeV und eingezeichnetem Fit
Detektorsimulation
PYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events
21

33. Bild mit histogrammierten Zerfalsllängen
verschiedener Top-Massen, inkl. Fits und Fit-Parameter
Detektorsimulation
PYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events
22

34. Kalibrationsgeraden zwischen
Fit-Parameter und Top-Massen
für 7 TeV und 10 TeV
Detektorsimulation
PYTHIA • 7 TeV • ~1 Mio. Events
23

35. Zusammenfassung Ausblick
• Verifizierung Methode als Generatorstudie
• Abweichungen von Erwartung
• Detektorsimulation (begonnen)
• Detekorsimulation (weiter)
• Implementierung Dileptonselektion (vgl. T38.1, T40.2)
• Fehlerabschätzungen
Vielen Dank!
herten@physik.rwth-aachen.de
24