Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik VH-NG-400

1. Auswahlsitzung der zu fördernden Nachwuchsgruppen im Impuls- und Vernetzungsfonds • der Helmholtz-Gemeinschaft • 14. November 2007 Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-PhysikVH-NG-400

2. Die fundamentalen Bausteine der Natur • Standardmodell der Elementarteilchenphysik: • Materie: 6 Quarks und 6 Leptonen • Kräfte: starke Wechselwirkung – elektromagnetische Wechselwirkung – schwache Wechselwirkung • Experimentelle Bestätigung des Standardmodells an Teilchen-beschleunigern mit hoher Präzision seit mehr als 30 Jahren • Standardmodell ist unvollständig: • Ungelöste Frage: wie erhalten Elementarteilchen ihre Masse? • Präzisionsmessungen: Probleme bei Beschreibung von Prozessen oberhalb von 1 Tera-Elektronvolt (TeV) Energie? • Kosmologie: nur 4% der Energie im Universum durch „normale” Materie [DESY] DunkleMaterie „normale” Materie DunkleEnergie U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 2 2

3. Die Sonderrolle des Top-Quarks • Top-Quark entdeckt am Tevatron (1995), seitdem: detaillierte Vermessung der Eigenschaften • Große Masse: Punktförmiges Teilchen, aber Masse vergleichbar mit Goldatom • Extrem kurze Lebensdauer, bildet keine gebundenen Zustände • Neue Physik mit Top-Quarks? • Hat das Top-Quark die im Standardmodell vorhergesagten Eigenschaften? • Gibt es noch schwerere Teilchen, die in Top-Quarks zerfallen? • Was trägt das Top-Quark zum Mechanismus der Massenerzeugung bei? Seitenansicht eines Top-Quark-Zerfallsbeim CDF-Experiment am Tevatron (24.09.1992) [CDF] U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 3 3

4. Physik an Hadron-Speicherringen • Tevatron (bis 2009/10): Proton-Antiproton-Kollisionen bei Energien von 2 TeV • Neu: Large Hadron Collider (LHC) • Proton-Proton-Kollisionen bei bisher unerreichten 14 TeV, Inbetriebnahme: 2008 • Vielzweckexperimente: ATLAS, CMS • LHC: Revolution des physikalischen Weltbilds erwartet • Hadron-Speicherringe sind „Entdeckungsmaschinen”: höchste verfügbare Energien, höchste Ereignisraten • Schwieriges experimentelles Umfeld: interessante Ereignisse müssen von großem Untergrund getrennt werden (1 Top-Antitop-Paar in 100 Millionen Kollisionen) Luftbildaufnahme: LHC CMS 8,5 km LHCb ALICE ATLAS [CERN] ATLAS-Detektor 40 m [ATLAS] U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 4 4

5. Promotionsstudium Physik • Universität Dortmund und Universität Siegen • (2001–2005) • Leptonpaar-Trigger bei HERA-B • Kerneffekte in der Produktion von J/ψ-Mesonen (hadronische Umgebung) … und Musik! [Late Show with Leon Lederman] • Postdoctoral Associate • University of Rochester und Yale University • (2005–heute) • Top-Quark-Physik am Hadron-Speicherring Tevatron • Leiter der Siliziumdetektor-Gruppe des CDF-Experiments Mein wissenschaftlicher Werdegang • Diplomstudium Physik • Universität Dortmund (1995–2001) • Sommerstudent am NOMAD-Experiment: Neutrino-Kern-Streuung • Diplomarbeit am HERA-B-Experiment: Leptonpaare in Proton-Kern-Kollisionen U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 5 5

6. Zielsetzung der Nachwuchsgruppe „Top As Key to LHC Physics” Signifikante Beiträge zu zentralen Fragestellungen der Elementarteilchenphysik in der LHC-Ära • Top-Quark-Physik bei ATLAS • Inbetriebnahme des ATLAS-Detektors: Top-Ereignisse als Kalibrationssignale • Genaue Vermessung der Eigenschaften des Top-Quarks mit großen Datensätzen • Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks • Siliziumdetektoren für LHC und Super-LHC • Zentrales Detektorelement für Top-Physik und Suche nach Neuer Physik: hochpräzise Silizium-Vertexdetektoren • Inbetriebnahme und Betrieb des ATLAS-Silizium-Pixeldetektors • Entwicklung von Siliziumdetektoren für LHC-Upgrade zu „Super-LHC” U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 6 6

7. Top-Paar-Zerfall Top-Quark-Physik bei ATLAS ATLAS-Detektor • Phase I: Inbetriebnahme • Herausforderung: komplexer neuer ATLAS-Detektor (100 Millionen Auslesekanälen) • Top-Quarks ideal zur Optimierung der Detektor-Leistungsfähigkeit: • Große Datensätze, bekannte Masse, diverse Zerfallskanäle • Test aller wichtigen Signaturen im Detektor: Jets aus leichten und schweren Quarks, geladene Leptonen, Neutrinos • Signatur im Detektor ähnelt Signalen Neuer Physik [ATLAS] Kalibration U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 7 7

8. Top-Quark-Physik bei ATLAS • Phase II: Top-Physik in der LHC-Ära • Aufbau auf große Top-Physik-Erfahrung am Tevatron, z. B. • Abschätzung von Untergründen aus Daten • Optimierung der Monte-Carlo-Simulation mit ersten Daten • Vermessung der Eigenschaften des Top mit hoher Präzision • Dilepton-Zerfallskanal: große Datensätze, geringer Standardmodell-Untergrund • Beispiel: Wirkungsquerschnitt für Top-Antitop-Produktion • Top als Untergrund für Suchen nach Neuer Physik, z. B. Higgs-Boson-Zerfall in zwei W-Bosonen Top-Dilepton-Zerfall U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 8 8

9. 4 3 Ereignisse pro 40 GeV/c2 2 1 0 0 1000 2000 Invariante T-Masse (GeV/c2) Top-Quark-Physik bei ATLAS • Phase III: Suche nach Neuer Physik mit Top-Quarks • Fortführung und Erweiterung der Suche nach Neuer Physik mit Top • Beispiel: modellunabhängige Suche nach flavorverletzenden neutralen Strömen (meine derzeitige Forschung bei CDF) • LHC-Erwartung: Verbesserung der Sensitivität um Faktor 100–1000 • Erstmalige Überprüfung attraktiver Modelle Neuer Physik, z. B. Little-Higgs-Modelle • Erweiterter Top-Quark-Sektor verantwortlich fürelektroschwache Symmetriebrechung • Suche nach vorhergesagtem schweren Partner des Top-Quarks • Unerwartete Neue Physik? Einträge Diskriminante basierend auf invarianten Massen ` Erwartetes Signal einesschweren Top-Quark bei ATLASmit 300-fb–1-Datensatz U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 9 9

10. Siliziumdetektoren für LHC & Super-LHC Der ATLAS-Silizium-Pixeldetektor • ATLAS-Silizium-Pixeldetektor • Siliziumdetektoren: zentrale Bedeutung für Identifikation von Top-Quark-Ereignissen und Neuer Physik durch Präzisions-Spurfindung und „B-Tagging” • Herausforderung: komplexer neuer Detektor, 80 Millionen Auslesekanäle • Teilnahme an Inbetriebnahme und Betrieb, Studien zur Leistungsfähigkeit • Fundierte experimentelle Ausbildung für Doktorandinnnen und Doktoranden • Wichtige Servicearbeit für ATLAS: Sichtbarkeit in der Kollaboration • Meine Servicearbeit bei CDF: Leitung der Siliziumdetektor-Gruppe (2006/7) [ATLAS] • Neuartige Siliziumdetektoren für Super-LHC • LHC-Upgrade („Super-LHC” ab 2015): Anforderungen an Siliziumdetektoren: • Dünne strahlungsharte Sensoren • Infrastruktur: Mechanik, Kühlung, serielle Stromversorgung • Aufgaben der Nachwuchsgruppe: • Teilnahme an Forschungs- und Entwicklungsprojekten zu Siliziumdetektoren für Super-LHC • Enge Zusammenarbeit mit anderen Gruppen geplant (DESY, MPI München, Bonn) U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 10 10

11. DESY Dr. Klaus Mönig Top-Quark-Physik bei ATLAS HU Berlin Prof. Dr. Thomas Lohse Prof. Dr. Heiko Lacker Top-Quark-Physik bei ATLAS Siliziumdetektoren Postdoc 2 Doktoranden/Doktorandinnen Einbindung in Lehre 1/2 Doktorand/Doktorandin 1/2 Techniker Weiterreichende Kooperationen ATLAS-D (Helmholtz-Allianz) ATLAS-Kollaboration 1 Doktorand/Doktorandin DESY diverse Gruppen (geplante Zusammenarbeit mit MPI München und Univ. Bonn) Siliziumdetektoren Geplante Zusammenarbeit Nachwuchsgruppe Dr. Ulrich Husemann Top-Quark-Physik bei ATLAS Siliziumdetektoren U. Husemann: Das Top-Quark als Schlüssel zur LHC-Physik (VH-NG-400) 11 11

12. Large Hadron Collider (LHC) • Neue Ära der Elementarteilchenphysik • Revolution im Verständnis der fundamentalen Struktur der Materie steht bevor • Das Top-Quark als Schlüssel zurLHC-Physik • Wichtigstes Kalibrationssignal • Zentrale Rolle in Suche nach Neuer Physik [ATLAS]