p hysique des particules élémentaires – aspects expérimentaux suive/complémente le phys 2263...
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PHYS 2356: Jour 7. P hysique des particules élémentaires – aspects expérimentaux Suive/complémente le PHYS 2263 (d) La référence de base: D.H. Perkins Introduction to High Energy Physics, 4th edition + PDG, Review of Particle Physics , les chapitres selectionnés à http://pdg.lbl.gov - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Physique des particules élémentaires – aspects expérimentaux
Suive/complémente le PHYS 2263 (d)
La référence de base: D.H. Perkins Introduction to High Energy Physics, 4th edition +PDG, Review of Particle Physics, les chapitres selectionnés à http://pdg.lbl.gov
+ les références supplémentaires:Aitchison&Hey, Halzen&Martin, Ferbel(ed), Kleinknecht
PHYS 2356: Jour 7
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 2
Plan du cours1. Introduction/motivation (3.2)
2. Détecteurs modernes (10.2)
3. Collisionneurs à hautes énergies (17.2)
4. Systèmes des déclenchement et sélection (24.2)
5. Interactions ee(3.3)6. Interactions ep
(10.3)7. Interactions pp
(21.4)8. Au-delà du modèle standard +
physique des particules et cosmologie(5.5)
9. Cours d’exercices pratiques10. … et encore une fois
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 3
La physique aupres des collisioneurs pp
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 23
Measurement of W mass with precision
Method used at hadron colliders differentfrom e+e- colliders
• W jet jet : cannot be extracted from QCD jet-jet production cannot be used
• W : since + X , too many undetected neutrinos cannot be used
only W e and W decays are used to measure mW at hadron colliders
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 24
W production at LHC :
q’
q W
Ex.
e, (pp W + X) 30 nb
~ 300 106 events produced~ 60 106 events selected after analysis cuts
one year atlow L, perexperiment
~ 50 times larger statistics than at Tevatron~ 6000 times larger statistics than WW at LEP
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 25
Since not known (only can be measured through ET
miss), measuretransverse mass, i.e. invariant mass of in plane perpendicular to the beam :
Lp
Tp
)cos1(p 2p m TTT
W
ETmiss
)cos -(1E2E )p p()E (E m 222
W
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 26
mTW distribution is sensitive to mW
mTW (GeV)
mW= 79.8 GeV
mW= 80.3 GeV
fit experimental distributions with SM prediction (Monte Carlo simulation) for different values of mW find mW
which best fits data
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 27
Uncertainties on mW
Come mainly from capability of Monte Carloprediction to reproduce real life, that is:
• detector performance: energy resolution, energy scale, etc.
• physics: pTW, W,W, backgrounds, etc.
Dominant error (today at Tevatron, most likely also at LHC):knowledge of lepton energy scale of the detector:if measurement of lepton energy wrong by 1%, then measured mW wrong by 1%
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 28
Expected precision on mW at LHC
Source of uncertainty mW
Statistical error << 2 MeV
Physics uncertainties ~ 15 MeV(pT
W, W, W, …)
Detector performance < 10 MeV(energy resolution, lepton identification, etc,)
Energy scale 15 MeV
Total ~ 25 MeV(per experiment, per channel)
Combining both channels (e) and both experiments (ATLAS, CMS), mW 15 MeV should be achieved.However: very difficult measurement
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 29
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 30
Measurement of mtop
• Top is most intriguing fermion: -- mtop 174 GeV clues about origin of particle masses ?
• Discovered in ‘94 at Tevatron precise measurements of mass, couplings, etc. just started
Top massspectrumfrom CDF
tt b bjj events
S+BS+B
BB
-- u c t d s b
m (t-b) 170 GeV radiative corrections
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 31
Top production at LHC:
e.g. g
g
t
t
t
t
q
q
(pp + X) 800 pbtt
107 pairs produced in one year at low Ltt
~ 102 times more than at Tevatron
measure mtop, tt, BR, Vtb, single top, rare decays (e.g. t Zc), resonances, etc.
production is the main background to new physics (SUSY, Higgs)
tt
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 32
Top decays:
t W
b
BR 100% in SM
-- hadronic channel: both W jj 6 jet final states. BR 50 % but large QCD multijet background.
-- leptonic channel: both W 2 jets + 2 + ET
miss final states. BR 10 %. Little kinematic constraints to reconstruct mass.
-- semileptonic channel: one W jj , one W 4 jets + 1 + ET
miss final states. BR 40 %. If = e, gold-plated channel for mass measurement at hadron colliders.
In all cases two jets are b-jets displaced vertices in the inner detector
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 33
Expected precision on mtop at LHC
Source of uncertainty mtop
Statistical error << 100 MeV
Physics uncertainties ~ 1.3 GeV(background, FSR, ISR, fragmentation, etc. )
Jet scale (b-jets, light-quark jets) ~ 0.8 GeV
Total ~ 1.5 GeV(per experiment, per channel)
• Uncertainty dominated by the knowledge of physics and not of detector. • By combining both experiments and all channels: mtop ~ 1 GeV at LHC
From mtop ~ 1 GeV, mW ~ 15 MeV indirect measurement mH/mH ~ 25% (today ~ 50%)
If / when Higgs discovered, comparison of measured mH with indirect measurement will be essential consistency checks of EWSB
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 34
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 38
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 39
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 40
Real event at RHIC (BNL)
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 41
Distribution inclusive des particules
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 42
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 43
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 44
Transverse “radii” of the system at freeze-out
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 45
HBT; coordinate system
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 46
The Phase Structure of QCD
baryon density
Te
mp
era
ture
Neutron stars
Early universe
nucleinucleon gas
hadron gascolour
superconductor
quark-gluon plasmaTc
0
critical point ?
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K. Piotrzkowski, PHYS 2356 47
Jet quenching prediction
• Before high-pt partons hadronize and form jets they interact with the medium
decreases their momentum
fewer high-pt particles
“jet quenching”