O Quark Top em ATLASO Quark Top em ATLAS
IST,IST, Lisboa 17 Maio 2005Lisboa 17 Maio 2005
António António OnofreOnofreLIP / UCPLIP / UCP
SumárioSumário
I. I. O quark top no Modelo Padrão (SM)O quark top no Modelo Padrão (SM)
II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS
III. ConclusõesIII. Conclusões
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I. O quark top no SMI. O quark top no SMPrimeira observação directa no FERMILAB Primeira observação directa no FERMILAB (CDF e D0 no TEVATRÃO)(CDF e D0 no TEVATRÃO)
Nν = 2.9841±0.0083
O quark top completa a estrutura de 3 O quark top completa a estrutura de 3 familias do SM:familias do SM: Possui spin=1/2, Possui spin=1/2, Carga=+2/3,Carga=+2/3, Transforma-se como um tripleto de cor Transforma-se como um tripleto de cor do do grupo de simetria SU(3),grupo de simetria SU(3), Parceiro de isospin fraco do quark b,Parceiro de isospin fraco do quark b,
=1.42GeV=1.42GeV (incluindo m(incluindo mbb,M,MWW,,ss,EW corr.),EW corr.)Tempo de Hadronização
Não existem hadrões do top
QCD-1=(100MeV)-1=10-23s
Mt => t<10-23s
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O TEVATRÃOO TEVATRÃOO conhecimento experimental sobre o quark top é dominado pelo TEVATRÂO
•Run I (1992-1996)s = 1.8 TeVDescoberta do quark top em
1994!Luminosidade Integrada 120pb-1
•Run II (2001-hoje)s = 1.96 TeVLuminosidade Integrada até Abril
05:Em tape ~600pb-1
Analizada até agora ~350pb-1
•2 detectores “multi-purpose”
D e CDF
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
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1.1. A massa do top A massa do top (M(Mtt)) É um parâmetro fundamental do SM Mt e MW constrangem a massa do
bosão de Higgs (MH)
MW
Mt2
MW ln(MH)
Mt é da ordem da escala de energia da quebra de simetria da Interação EW Mt ~ VEV do campo de Higgs O quark top desempenha algum
papel especial no SM?
CDF&D0@2 fb-1
hep-ph/0410177
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
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1. 1. A massa do top (TEVATRON,LEP,SLD)A massa do top (TEVATRON,LEP,SLD)
medidoinferido
Mt= 180.1 ± 3.6 (stat) ± 3.9 (sys)
Nova Análise de ~125 pb-1 dos dados colectados por D0 entre 1994 - 1996 (RUN I)
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
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2002 2003 20042001
Peak lumi. above 1x1032 cm-2 s-1
Delivered luminosity approaches 800 pb-
1
Aug'04
2002 2003 20042001
CDF
Resumo dos Resultados de Mt
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
1. 1. A massa do top (TEVATRÃO)A massa do top (TEVATRÃO)
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q
q
t
t ~85%
t
t
g
g~15%
Diagramas: Dependência com MH:
Dependência com Energia:
2. 2. A secção eficaz de pp tt A secção eficaz de pp tt (TEVATRÃO) (TEVATRÃO)
(pp tt)@NLL=6.7pb (15% erro) at Mt=175GeV
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
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CDF Run 2 (Preliminar Abr05):
D0 RUN 2 (Preliminar Abr05):
2. 2. A secção eficaz de pp tt A secção eficaz de pp tt (TEVATRÃO) (TEVATRÃO)
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
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3. 3. O decaimento t bW e a polarização O decaimento t bW e a polarização do Wdo W
t
W0 Longitudinal
F0
W
b
+1/2
+1/2
0
W- Esquerda
F-
tb
W
+1/2
-1/2
+1
W+ Direita
F+
tW
b
+1/2+1
-1/2V-A S
UPRIMID
O
O W possui 3 estados de helicidade:
“Esquerda”, “Longitudinal” e “Direita”O decaimento do quark top é a fonte mais importante de Ws longitudinais
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
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Medir a fracção dos Ws longitudinais é: Testar uma previsão do SM: F0=0.7 e F-=0.3 (F+=0.0) Testar o vértice tWb, que se acredita ser do tipo (V-A)
220
2 )cos1(8
3)cos1(
8
3)cos1(
8
3)(cos
blblblblFFFw
F0 0.890.340.30 (stat) 0.17(syst)
F0 0.25@95%CL
3. 3. O decaimento t bW e a polarização O decaimento t bW e a polarização do Wdo W
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
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4. Decaimentos raros do top4. Decaimentos raros do top
O top decai quase sempre para um quark b B(tWb)~1 Os decaimentos raros do top no SM são mesmo raros:
B(tWs)<0.18%, B(tWd)<0.02%
Teste em CDF Razão entre acontecimentos com e sem b´s: R=B(tWb)/B(tWq) = |Vtb|2 / (|Vtd|2 + |Vts|2 + |Vtb|2) =99.8%
Decaimentos FCNC: B(t c) +B(t u)<3.2% at 95% CL B(t Zc) +B(t Zu)<33% at 95% CL
I. O quark top no SMI. O quark top no SM
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 1. ATLAS no CERN1. ATLAS no CERN
Aeroporto de Geneve
O LHC
CERN
Acelerador SPS
CERN (Prevessin)
27 km
ATLAS, CMS, LHCb e ALICE
20 Estados Membros + US, Canada, Japan, Russia, China, India, ...
• Colisões Protão-Protão Ecm = 7000 + 7000 GeV• 800 milhões de colisões/s• O maior sistema criogénico do Mundo (1.8K, helium superfluido)• 27 km de magnetos com B=8T
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 1. ATLAS no CERN1. ATLAS no CERN
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 1. Secções Eficazes de Produção em 1. Secções Eficazes de Produção em LHCLHC
σ(W→lν)
σ(tt)mt=175 GeV
(pp tt):
q
q
t
t 10%
t
t
g
g 90%
Taxa de Colisão Elevada LHC (Tevatrão) – cada 25 ns (396 ns)
Secções Eficazes Elevadas ~0.1b 2-3 interacções por colisão
• LHC inicial/baixa lumi L=1033cm-2s-
1
20 interacções por colisão• LHC design/alta lumi L=1034cm-2s-1
W, Z, top são relativamente raros Necessitam alta luminosidade Trigger é crucial: sel. Leptões alto pT
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 2.2. A massa do top (MA massa do top (Mtt) em ATLAS) em ATLAS
feixe protões feixe protões
W b
t
qq|
quark
quark Jato 2
Jato 1
Topologia Topologia SemileptónicaSemileptónica
e-e (1/81)
mu-mu (1/81)
tau-tau (1/81)
e -mu (2/81)
e -tau (2/81)
mu-tau (2/81)
e+jets (12/81)
mu+jets(12/81)
tau+jets(12/81)
jets (36/81)
pp tt bbWpp tt bbW++WW-- (833pb) (833pb)
• 1 Leptão pT>20 GeV, |η|<2.5• ET>20 GeV• ≥ 4 jatos ET>40 GeV, |η|<2.5• ≥ 2 b-tags
Sinal: tt bbqq´Sinal: tt bbqq´llll++ (l=e,(l=e,))
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 2.2. A massa do top (MA massa do top (Mtt) em ATLAS) em ATLAS
MMtt(had)(had)MMWW(had)(had)
Selecionados 87000 acontecimentos para 10fbSelecionados 87000 acontecimentos para 10fb-1-1 (S/B~78)(S/B~78)
Erros sistemáticos mais importantes: Erros sistemáticos mais importantes: Calibração em Energia dos jatos Calibração em Energia dos jatos Radiação (FSR) Radiação (FSR)
Erros Sistemáticos:Erros Sistemáticos:
SN-ATLAS-2004-040
Tot(sys) = 1.3 GeVTot(stat) = 0.1 GeV
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 3. 3. Spin do topSpin do top
A melhor maneira de aceder ao A melhor maneira de aceder ao spin spin do topdo top e´ estudar a distribuição e´ estudar a distribuição angular dos seus produtos de angular dos seus produtos de decaimento:decaimento:
ii = poder de análise da = poder de análise da partícula ipartícula i
Correlações de spin em pp Correlações de spin em pp tt: tt:
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 3. Correlações de spin em pp 3. Correlações de spin em pp tt tt
Distribuição diferencial dupla:Distribuição diferencial dupla:
Distribuição do ângulo de Distribuição do ângulo de abertura:abertura:
Previsões do SM:Previsões do SM:
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 3. Correlações de spin em pp 3. Correlações de spin em pp tt tt
feixe protões feixe protões
W bq
q|quark
quark Jato 2
Jato 1
Top. Top. SemileptónicaSemileptónica
Erros sistemáticos:Erros sistemáticos:
Resultados (SM):Resultados (SM):
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 4. Decaimentos FCNC do top (eventos 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt)tt)
Suprimidos no Suprimidos no SM ao nível SM ao nível árvore:árvore:IST, LisIST, Lisboa 17 Maio 2005boa 17 Maio 2005
II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 4. Decaimentos FCNC do top (eventos 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt)tt)
IST, LisIST, Lisboa 17 Maio 2005boa 17 Maio 2005
II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 4. Decaimentos FCNC do top (eventos 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt)tt)
A) Sensibilidade de ATLAS A) Sensibilidade de ATLAS (5(5):):
B) Ausência de sinal (95% B) Ausência de sinal (95% C.L.):C.L.):
C) Erros sistemáticos dominantes: MC) Erros sistemáticos dominantes: Mtt e e b-tagb-tag < 20%< 20%
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 5. Decaimentos FCNC do top (single 5. Decaimentos FCNC do top (single top)top)
A) Diagramas para a Produção A) Diagramas para a Produção Simples:Simples:
B) Decaimentos Estudados:B) Decaimentos Estudados:
ee
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 5. Decaimentos FCNC do top (single 5. Decaimentos FCNC do top (single top)top)
A)A)
B)B)
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 5. Decaimentos FCNC do top (single 5. Decaimentos FCNC do top (single top)top)
A) Sensibilidade de ATLAS A) Sensibilidade de ATLAS (5(5):):
B) Ausência de sinal (95% B) Ausência de sinal (95% C.L.):C.L.):
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 6. 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do Assimetrias Angulares nos decaimentos do toptop
A) Definição:A) Definição:
l+
lq
q
l+
t
l
q
t
q
W+
l+
bt bl
t
l
q
t
q
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 6. 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do Assimetrias Angulares nos decaimentos do toptop
IST, LisIST, Lisboa 17 Maio 2005boa 17 Maio 2005
II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 6. 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do Assimetrias Angulares nos decaimentos do toptop
A) Análise I:A) Análise I:
B) Análise II:B) Análise II:
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 6. 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do Assimetrias Angulares nos decaimentos do toptop
A) Análise I:A) Análise I:
B) Análise II:B) Análise II:
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 6. 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do Assimetrias Angulares nos decaimentos do toptop Erros Erros
SistemáticosSistemáticos
B) Análise II:B) Análise II:
A) Análise I:A) Análise I:
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 7. Implicações das 7. Implicações das Assimetrias AngularesAssimetrias Angulares
A) Acoplamentos anómalos:A) Acoplamentos anómalos: V VtbtbRR, g, gLL, g, gRR
PRD 67, 014009 PRD 67, 014009 (2003)(2003)
AAFBFB depende de depende de VVtbtb
RR, g, gLL, g, gRR
B) Correlações de B) Correlações de Spin:Spin:AA11 depende de C depende de C
AA22 depende de D depende de D
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Conclusões Conclusões Estamos Estamos (apenas!)(apenas!) a dois anos dos a dois anos dos primeiros dadosprimeiros dados
Vai realizar-se um Workshop Internacional Vai realizar-se um Workshop Internacional em em Coimbra sobre a Física do quark top - Coimbra sobre a Física do quark top - participemparticipem
Outras análises estão em estudo Outras análises estão em estudo ((QQtt,,spinspin, , Acoplamentos EWAcoplamentos EW, , estrutura do estrutura do toptop?!... )?!... )
II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 1. ATLAS no CERN1. ATLAS no CERN
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 1. ATLAS no CERN1. ATLAS no CERN
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II. O quark top em ATLASII. O quark top em ATLAS 1. Quark Radius at HERA1. Quark Radius at HERA
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QQ22=-(k-k’)=-(k-k’)22=-q=-q22
dd/dQ/dQ2 2 = d= dSMSM/dQ/dQ2 2 xx ffqq(Q(Q22) ) ee±±(k)(k) ee±±(k’),(k’),ee
qq q,q’q,q’
,Z,W,Z,W
SMSM
q-form factor:q-form factor:ffqq(Q(Q22)=1 - )=1 - 1 1 <R<R22>Q>Q22
66
Result H1:Result H1:
R<1.7x10R<1.7x10-16-16cmcmResult ZEUS:Result ZEUS:
R<0.73x10R<0.73x10-16-16cmcm
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