Η Ανακάλυψη του Top Quark στο Tevatron Ονοματεπώνυμο:Κατσιμπούρη Δέσποινα Επιτηρητής καθηγητής:κ.Κατσούφης Ηλίας

Τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης   Η εικόνα που έχουμε σήμερα

Τα Κουάρκ  1964:Οι Gell-Mann και Zweig προτείνουν την ύπαρξη των κουάρκ  Τα πέντε πρώτα κουάρκ είχαν ανακαλυφθεί πολύ νωρίτερα up up down down strange strange charm charm bottom bottom top top  Βραβεία Nobel !! 1968,SLAC κοσμική ακτινοβολία κοσμική ακτινοβολία – ανίχνευση καονίων – ανίχνευση καονίων } 1974, SLAC,BNL 1977, Fermilab 1995, Fermilab

Τα Κουάρκ  Οι μάζες των Κουάρκ Μ t ~ M ατόμου χρυσού !!!

Τα Κουάρκ  Ηλεκτρομαγνητικές,ασθενείς,ισχυρές αλληλεπιδράσεις  Χρωματικό φορτίο(rgb)  Δεν παρατηρούνται ποτέ ελεύθερα,σχηματίζουν μεσόνια(quark-antiquark)και βαρυόνια(qqq) ‘’εγκλωβισμός’’ (confinement) V(r) = - ── ── +kr, r>> : V(r) ~r 4 3 αsαsαsαs r

Τα Κουάρκ  Σε πειράματα υψηλών ενεργειών οι συγκρούσεις αδρονίων (όπως εδώ p-pbar) μπορούν να θεωρηθούν σαν συγκρούσεις των συστατικών τους(κουάρκ,γκλουόνια)

Top Κουάρκ  Η ανακάλυψη του bottom κουάρκ το 1977 ήταν ισχυρή ένδειξη για την ύπαρξη του top  Οι προβλέψεις από το έδειχναν όλο και μεγαλύτερη μάζα για το top  Η ύπαρξή του είχε προβλεφθεί από το Καθιερωμένο Πρότυπο - συμπλήρωση τρίτης γενιάς  Η εμφάνιση του top σε ανώτερης τάξης διαγράμματα Feynman υπήρξε η βάση για την εκτίμηση της μάζας του

Top Κουάρκ:Παραγωγή  Τα top κουάρκ μπορούν να παραχθούν μέσα από ασθενείς αλληλεπιδράσεις … ...και σε ζεύγη top – antitop (Tevatron Run I)

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ  Tevatron,Fermilab (Chicago,Illinois,USA)

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ  Στο Tevatron (Run I) συγκρούονται δέσμες πρωτονίων και αντιπρωτονίων με ενέργεια 900 GeV η κάθε μία,στο κέντρο μάζας : Ε = 1.8 TeV  Χρησιμοποιήθηκαν υπεραγώγιμοι μαγνήτες (~2 Tesla) νιοβίου-τιτανίου σε θερμοκρασία υγρού He 4.2 Κ για την εστίαση των δεσμών υψηλής ενέργειας  Οι ανιχνευτές τοποθετούνται στα σημεία σύγκρουσης και καταγράφουν τα γεγονότα.Και τότε, 1 στις συγκρούσεις συμβαίνει κάτι σαν αυτό....

Η ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ

Διάσπαση του top  To top ‘’ζει’’ για 0.4* s,ενώ για να αλληλεπιδράσει ισχυρά θα μεσολαβούσε χρόνος ~ s > 0.4* s → δεν παρατηρείται αδρονοποίηση του top!! → έμμεση παρατήρηση,από τα προιόντα της διάσπασής του  Στο Tevatron μελέτησαν διάσπαση της μορφής t → W + b και tbar → W - b bar t → W + b και tbar → W - b bar  Τα μποζόνια W± διασπώνται το ίδιο γρήγορα→ανίχνευση προιόντων: W → q qbar (2/3) → jets W → l v l (1/3) W → q qbar (2/3) → jets W → l v l (1/3)  Το b κουάρκ ανιχνεύεται από τους πίδακες αδρονίων που σχηματίζονται (b jets )

Επιλογή υποψήφιων γεγονότων  Προβλήματα: 1. Ταυτοποίηση πιδάκων ( jets ) από το b quark ( Silicon Vertex Detector ) 2. Νετρίνα !!

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ  CDF ⊕ Ακριβέστερη ανίχνευση τροχιάς του σωματιδίου → υπολογισμός της ορμής → υπολογισμός της ορμής ⊕ Silicon Vertex Detector (b tagging) (b tagging)

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ .... ⊕ Έμφαση στην μέτρηση της ενέργειας-υψηλής τεχνολογίας καλορίμετρα

ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ  Τα σωματίδια που παράγονται από τη σύγκρουση διαπερνούν τον ανιχνευτή και αλληλεπιδρούν δίνοντας ένα ηλεκτρονικό σήμα  Το σήμα αφού διαμορφωθεί,μετατρέπεται σε ψηφιακό και αποθηκεύεται σε υπολογιστή για την περαιτέρω επεξεργασία της μέτρησης

ΥΠΟΨΗΦΙΟ ΓΕΓΟΝΟΣ ΑΠΟ ΤΟΝ CDF  W + → e+, αντινετρίνο, W - → q qbar  b, b bar (ταυτοποίηση από τον SVX) } 4 jets

ΥΠΟΨΗΦΙΟ ΓΕΓΟΝΟΣ ΑΠΟ ΤΟΝ DO  Τα W± έχουν διασπαστεί ‘’λεπτονικά’’ σε μ,ν μ και e,v e  Έχουν ταυτοποιηθεί 2 πίδακες Β-μεσονίων

Το σήμα του top

ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΩΝ ΓΕΓΟΝΟΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ  Αναλλοίωτη μάζα  Τα σωματίδια μέσα σε έναν επιταχυντή κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες,γεγονός που περιπλέκει τις μετρήσεις και τις συγκρίσεις των ορμών και των μαζών τους.Ευτυχώς...  Υπάρχει μια ποσότητα ενός συστήματος σωματιδίων που παραμένει ίδια σε όποιο σύστημα αναφοράς κι αν τη μετρήσουμε.Μια πολύ χρήσιμη ιδιότητα διότι: Η αναλλοίωτη μάζα των προιόντων διάσπασης ενός σωματιδίου ισούται με τη μάζα ηρεμίας του διασπώμενου σωματιδίου Η αναλλοίωτη μάζα των προιόντων διάσπασης ενός σωματιδίου ισούται με τη μάζα ηρεμίας του διασπώμενου σωματιδίου Μ 0 2 c 4 = ( Σ Ε) 2 – ( Σ pc) 2 όπου : Μ 0 :αναλλοίωτη μάζα του συστήματος, Ε=γmc 2, p=γmv γ=(1-(v 2 /c 2 )) -1/2

ΠΟΤΕ Η ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΕΙΝΑΙ ΓΕΓΟΝΟΣ  Μετά τη συλλογή και τη στατιστική ανάλυση των δεδομένων,η πιθανότητα να ευθύνεται μόνο το υπόβαθρο για το σήμα βρέθηκε ίση με ΄  Η διακριτή κορυφή πάνω από το υπόβαθρο σημαίνει πως πολύ πιο συχνά από ότι σε κοντινές ενέργειες υπάρχουν διασπάσεις των οποίων η αναλλοίωτη μάζα είναι τόση όση του ανακαλυφθέντος σωματιδίου. Αυτή είναι η ‘υπογραφή’ του σωματιδίου. Αυτή είναι η ‘υπογραφή’ του σωματιδίου.  Ανακοίνωση της ανακάλυψης: 2 Μαρτίου Μαρτίου 1995 !!

Ιδιότητες Top  Φορτίο +2/3, spin 1/2, χρόνος ζωής ~ 0.4* s, M TOP = ± 5.1 GeV M TOP = ± 5.1 GeV Mια απόπειρα να υπολογίσουμε αυτόν τον τρομακτικά μικρό χρόνο ζωής θα ήταν : Mια απόπειρα να υπολογίσουμε αυτόν τον τρομακτικά μικρό χρόνο ζωής θα ήταν : τ = ħ/Γ Γ(t→Wb)=(G F /8π√2) Μ t 3 IVtbI 2 (1- 3(M w 4 /M t 4 )+2(M w 6 /M t 6 ) G F : Η σταθερά ζεύξης των ασθενών αλληλεπιδράσεων του Fermi, M t ~ 175 GeV, M w ~ 80 GeV,IVtbI ~ 1 G F : Η σταθερά ζεύξης των ασθενών αλληλεπιδράσεων του Fermi, M t ~ 175 GeV, M w ~ 80 GeV,IVtbI ~ 1 …=> Γ(t→Wb) ≈ 1.56 GeV και τ ~ 0.4* s

Ιδιότητες Top – Tevatron Run II ( ) ( )  Αναβάθμιση των ανιχνευτών CDF και DO και αύξηση της ενέργειας των δεσμών στο 1 TeV  Καλύτερη στατιστική και ακριβέστερη μέτρηση των ιδιοτήτων του top (μάζα,ενεργός διατομή,άλλοι τρόποι παραγωγής και διάσπασης, κ.α) Top quark mass = GeV Μάρτιος 2006 : Μάρτιος 2006 :  Ενεργός διατομή από τον συνδυασμό των μετρήσεων των CDF και DO: σ tt = 7.3 ± 1.5 pb σ tt = 7.3 ± 1.5 pb

Tevatron Run II και το σωματίδιο Higgs  Μάρτιος 2006: Εκτίμηση της μάζας του Higgs σαν συνάρτηση των Μ w και M t (Στον LEP τέθηκε κάτω όριο στα 114 GeV)

Το Top είναι σημαντικό  Η μάζα του top συνδέεται με τις μάζες των W,Z και Higgs μποζονίων μέσω της σχέσης: Μ W 2 = M Z 2 (1-sin 2 θ W ) (1+Δρ) sin 2 θ W : παράμετρος μείξης των ηλεκτρασθενών sin 2 θ W : παράμετρος μείξης των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων αλληλεπιδράσεων Δρ = 3G F M t 2 /8π 2 √ 2 + όροι λογαριθμικής εξάρτησης από τη Δρ = 3G F M t 2 /8π 2 √ 2 + όροι λογαριθμικής εξάρτησης από τη μάζα του Higgs Οι μετρήσεις όλο και πιο υψηλής ακρίβειας της M t και των ιδιοτήτων του top οδηγούν σε καλύτερη εκτίμηση Οι μετρήσεις όλο και πιο υψηλής ακρίβειας της M t και των ιδιοτήτων του top οδηγούν σε καλύτερη εκτίμηση για τη μάζα του Higgs και την κατανόηση των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων για τη μάζα του Higgs και την κατανόηση των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων

Top και Νέα Φυσική  Μεγάλη μάζα του top → ευαισθησία σε νέα φυσική τρόποι παραγωγής και διάσπασης – εμφάνιση Υπερσυμμετρικών σωματιδίων, σωματίδιο Higgs →Μελέτη ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων στη φυσική κλίμακά τους αφού υ Higgs = 246 GeV → θεωρητικές μελέτες (technicolor,topcolor) όπου το top παίζει σημαντικό ρόλο στο μηχανισμό που δίνει μάζες στα φερμιόνια το top παίζει σημαντικό ρόλο στο μηχανισμό που δίνει μάζες στα φερμιόνια

Top και Νέα Φυσική: Μελλοντικά πειράματα  Τevatron Run II ( ) → 40% περισσότερα ttbar γεγονότα  LHC,CERN (2007, σύγκρουση pp, E cm = 14 TeV)  Στόχος η μείωση του σφάλματος για τη μάζα του top στα 2 GeV  Μελέτη του μηχανισμού διάσπασης του top και των ιδιοτήτων των προιόντων της  Ανίχνευση παραγωγής μεμονωμένου top (+ b) και μελέτη της ασθενούς αλληλεπίδρασης του  Διάσπαση σε σωματίδιο Higgs ή στο υπερσυμμετρικό s- top  Εμφάνιση παρόμοιου βαρύτερου κουάρκ από το top που θα ανήκει σε τέταρτη γενιά(!)

Αναφορές   F.Abe et al. (CDF Collaboration),Phys.Rev.Lett (1995) (1995)  S.Abachi et al.(DO Collaboration),Phys.Rev.Lett (1995) (1995)  P.Tipton for CDF Collaboration, XXVIII International Conference on High Energy Physics, Warsaw, Poland, July 1996  Top Quark Physics : Future Measurements arXiv:hep-ph/ v1 (4 Apr 1997) arXiv:hep-ph/ v1 (4 Apr 1997)  Donald H.Perkins, “Εισαγωγή στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών”  Kων/νος Βαγιονάκης, “Σωματιδιακή και Κοσμολογική Φυσική”  Andrew Pickering, “Constructing Quarks”  F.Halzen & A.Martin, “Quarks & Leptons : An Introductory Course in Modern Particle Physics”  Physics Today, “Top-ology”, May 1997