Fyzika v experimente ATLAS Stanislav Tokár Univerzita Komenského Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Katedra jadrovej fyziky a biofyziky Bratislava 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 1
Fyzika v experimente ATLAS Základné otázky: • Č o je to ATLAS experiment • Pre č o je potrebný experiment ATLAS ( a pod. experimenty) • Č o bude predmetom skúmania ATLASu • Naše miesto v ATLASe 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 2
ATLAS performance Mnoho-ú č elový č asticový detector (pokrytie do | η |=5, L=10 34 cm -2 s -1 ) pp 7GeV × 7GeV • Inner Detector σ ≈ ⋅ ⊕ p 0 05 . % p GeV ( ) 0 1 . % T T Tracking range | η |< 2.5 • EM Calorimetry σ ≈ ⊕ E 10 % E GeV ( ) 1 % η < Fine granularity up to 2 5 . • Hadronic Calorimetry σ ≈ ⊕ E 50 % E GeV ( ) 3 % η < Range: 4 9 . • Muon System σ − η < p ∼ 2 7 %, range: 2 7 . T Precision physics in | η |<2.5 Magnetické pole : Lepton energy scale: 0.02% (Z → ll) 2T Solenoid + 3 air core toroids Jet energy scale: 1.0 % (W → jj) Za č iatok: 2007 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 3
2. polovica 20. storo č ia: Progres v teórii � Vytvorenie Štandardného modelu (SM) – elektroslabé zjednotenie EW, kvantová chromodynamika QCD SM so svojou kategorizáciou č astíc a síl umožnil: 1. kvalitatívne nový poh ľ ad na fyzikálne procesy na úrovni mikrosveta aj megasveta (horúca fáza vesmíru). 2. predokladal existenciu celého radu č astíc (W ± , Z 0 , gluóny,...) 3. Vynikajúca zhoda s experimentom � Nespokojnos ť so SM: Ve ľ ký po č et vo ľ ných parametrov − v min. verzii 18 parametrov, SM nevysvet ľ uje hierarchiu hmotností č astíc, pôvod narušenia CP-symetrie nie je uspokojivo zodpovedaný, nedáva odpove ď na otázku po č tu generácií, nezahrnuje gravitáciu. � Vytvorenie nových fyzikálnych koncepcií iducích za SM ( GUT-teórie, SuSy, Teória superstrún) 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 4
2. polovica 20. storo č ia: Progres v experimente � Významný progres (revolúcia) v technológii experimentu: 1. Vznik elektronického experimentu – možnos ť študova ť procesy s ve ľ mi nízkymi ú č innými prierezmi. 2. Nástup kolajderov (ISR, SPS, Tevatron, LEP,...) –prechod k štúdiu interakcií pri ve ľ mi vysokých energiách. Experimentálny objav kvarkovej štruktúry hadrónov: � 1. Objav c -, b - a t -kvarkov, Experimentálne potvrdenie existencie W ± , Z 0 boónov. 2. 3. Objav τ -leptónu, neutrín ν µ , ν τ 4. Nájedené experimentalné prejavy kvarkov a gluónov Základná požiadavka na experiment: robi ť precíznu EW a QCD. 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 5
Č astice a sily prírody Sily sú sprostredkované vymennými č asticami ? Higgsove č astice Vákuum=Higgsov kondenzát Zatia ľ neobjavené 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 6
Základné úlohy fyziky na LHC Pôvod mechanizmu spontanného narušenia symetrie v elektroslabom sektore ( h ľ adanie Higgsovho bozónu + fyzika okolo ) Fyzika top-kvarku ( LHC ∼ 10 7 tt-párov/rok → detailné štúdium t- procesov (ú č inné prierezy, rozpady ) Nové testy QCD at 14 TeV (Multijety, top produkcia, p.d.f. sensitívne procesy) B-fyzika a iné procesy SM (Štúdium narušenia CP symetrie, B 0 S - oscilácií; B 0 → J/ ψ+ K 0 S B 0 → π + + π − , fyzika jetov (testovanie QCD) etc . ) Precízne merania v rámci fyziky SM W a Top hmotnos ť , ohrani č enie na hmotnos ť Higgs bozónu via EW fyziku 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 7
Ako h ľ ada ť novú fyziku ♣ H ľ adanie pravých W- a Z- bozónov ( SU(2) L → SU(2) L ⊗ SU(2) R → existujú aj “pravé” intermediálne bozóny W R a Z LR, ; m(W R ) > 406 GeV , m(Z LR ) > 310 GeV ) SuSy č astice ♣ ( Teória Super Symetrie zahrnuje aj gravitáciu; kvark ⇔ skvark , leptón ⇔ sleptón ; Higgsov sektor: H ± , H, h , A ) ♣ Kompozitnost’ fundamentálnych fermiónov ( sú č asný experiment: bodovost’ č astíc < ~ 10 -18 m ) 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 8
Produkcia Higgsovho bozónu Produkcia SM Higgs bozónu: • Gluónová fuzia gg → H • (W,Z)-bozónová fusion qq q q H ′ ′ WBF: → • Top-quark associated gg, qq ttH → production • Weak boson associated production qq q q H ′ ′ → Channels for detection: H Z (*) Z (*) 4l, H γγ → → → H W +(*) W -(*) l l +p + - miss → → The cross sections for different H boson T H τ τ + - ttH, H bb → → production processes vs M H 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 9
Higgs couplings Na verifikáciu Higgsovho mechanizmu experimentálne: • Higgs mass(es), spin, CP • Higgs widths and couplings to different particles: Hbb, Htt, H , HW W + - + − τ τ , HZZ, Hgg, H , HHH, γγ … Typical accuracies for couplings and widths : 20-30% 10% accuracy for HZZ, HWW couplings over W threshold Systematic errors contribute up to half the total error Precision of Higgs boson couplings 5 σ discrepancy from SM up to determination vs Higgs mass m A ≈ 300 GeV (MSSM) 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 10
QCD measurements • The LHC physics is based on the interactions of quarks and gluons • Factorization : a convolution of partonic x-section and PDF’s: = ∑∫ σ µ µ σ µ µ ( ) 1 ( ) 2 ˆ dx dx F ( x , ) F ( x , ) ( ; s , ) 1 2 i 1 F j 2 F ij F R f • PDF’s are obtained from a global fit of DIS and DY data + DGLAP evolution to higher scales Q 2 → DGLAP splitting functions: theory is at NNLO. • Partonic x-section: perturbative expansion in α S ( LO, NLO, NNLO, …) • Scale choice : µ F = µ R = Q ⇐ typical process scale (usually set by invariant mass or p T of hard probe) � Problems: if two (or more) scales present in the hard scattering -expansion contains: ( α S L 2 ) n and ( α S L) n (L=ln(Q/Q 1 ) process → σ ˆ � Tools: DGLAP + BFKL evolution equations → resummations 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 11
LHC Parton Kinematics 10 9 � Accurate measurements of QCD x 1,2 = (M/14 TeV) exp( ± y) 10 8 Q = M M = 10 TeV related processes at LHC will constrain the PDF’s. 10 7 10 6 M = 1 TeV � The kinematic acceptance of the LHC detectors allows a large range of 10 5 Q 2 (GeV 2 ) x and Q 2 to be probed 10 4 M = 100 GeV Processes to be studied: 10 3 � Multijet physics – test of pQCD, y = 6 4 2 0 2 4 6 10 2 M = 10 GeV dijet physics: constraints on PDF’s fixed 10 1 HERA � Drel-Yan processes , pp γ + − → Z , l l target ( ) q and q densities 10 0 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 qq γ g → � Direct photon production x Values of x and Q 2 probed in the qg →γ q (sensitive to gluon density) production of an object (mass M, � Top and heavy quark (c,b) production rapidity y) at √ s=14 GeV 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 12
Fyzika top-kvarku • Top production cross section ATLAS detector precisious QCD tests LHC: pp 14 TeV • Top quark mass ATLAS per year constraint on Higgs mass via EW physics pp @ L=10 fb -1 ⇒ • Single top production 7 10 pairs tt top partial width, V tb , spin effects… Start: 2007 • Top spin effects – Top-antitop spin correlations • Anomalous couplings – FCNC in top physics Dobré miesto pre nás! • Rare decays of top and exotics (môj návrh) – Search for charged Higgs, superpartners 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 13
tt Production Cross Section Test of QCD predictions: top pair production (inclusive and differential x-sections) is an effective tool: • big m t ⇒ α S (m t )~0.1 ⇒ pExpansion converges rapidly • top decays before hadronization ⇒ spin of top is not diluted Theory for top X-section: NNLO-NNNLL ( Kidonakis et al., PRD68,114014 (2003) ) •Partonic Xsection: s η = s − α µ 2 ∞ µ 1 ( ) 2 n ∑ ( ) ∑ n η = − 1 σ = πα µ η ˆ S ( , ) n k k 4 ( ) f ( )ln 2 4m i j S ij 2 2 2 4m m m = = n 0 k 0 Usual scale choice: µ F = µ R = µ ∈ (m t /2, 2m t ) or top p T A discrepancy may indicate a new physics! Progress at MC: radiative gluon corrections included: MCatNLO (Frixione et al, hep-ph/0311223) ATLAS: Statistical uncertainties < 1% → Systematics (Exp.& Theo.) will be dominant 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 14
t t Cross Section at 14TeV σ d dp total T NNLO: uncertainty from scale (m t /2, 2m t ) < 3% !!! (N.Kidonakis, hep-ph/0401147) 25/04/2005 S. Tokár, UK FMFI 15
Recommend
More recommend
