Medida da massa e da largura do quark top Manuel Fonseca e Silva

Nascimento do quark top Constituintes fundamentais da matéria Constituintes fundamentais da matéria Descoberta do  em 1975 Descoberta do  em 1975 Descoberta do  = bbar em 1977 Descoberta do  = bbar em 1977

Propriedades do top Modelo Standard (SM) Modelo Standard (SM) Spin ½ Spin ½ Tripleto de cor Tripleto de cor P = +1 P = +1

Propriedades do quark top Teoria de gauge electrofraca (EW) Teoria de gauge electrofraca (EW) Grupo de simetria SU(2) L  U(1) Y Grupo de simetria SU(2) L  U(1) Y L – quiralidade esquerda L – quiralidade esquerda Y – hipercarga fraca Y – hipercarga fraca Q = T 3 + Y/2 (Gell-Mann-Nishijima) Q = T 3 + Y/2 (Gell-Mann-Nishijima)

Propriedades do quark top Teoria de gauge EW (cont.) Teoria de gauge EW (cont.) 3 bosões W  i acoplados às correntes j  i : constante g (só “esquerdos”) 3 bosões W  i acoplados às correntes j  i : constante g (só “esquerdos”) 1 bosão B  acoplado à corrente j  Y : constante g’/2 (ambas as quiralidades) 1 bosão B  acoplado à corrente j  Y : constante g’/2 (ambas as quiralidades) Bosões W   = (W  1  W  2 )/  2  só quiralidade esquerda Bosões W   = (W  1  W  2 )/  2  só quiralidade esquerda Bosão Z  = - B  Sin  W + W  3 Cos  W  ambas as quiralidades Bosão Z  = - B  Sin  W + W  3 Cos  W  ambas as quiralidades Fotão: A  = B  Cos  W + W  3 Sin  W  ambas as quiralidades Fotão: A  = B  Cos  W + W  3 Sin  W  ambas as quiralidades Cada geração de leptões e de quarks (Cabibbo-rotated) transformam-se como dobletos (esquerdos) de isospin fraco Cada geração de leptões e de quarks (Cabibbo-rotated) transformam-se como dobletos (esquerdos) de isospin fraco Top é o parceiro electrofraco do bottom Top é o parceiro electrofraco do bottom

Propriedades do quark top Teoria de gauge EW (cont.) Teoria de gauge EW (cont.) Props. EW do t e do b iguais às das duas 1ª gerações (teoric.) Props. EW do t e do b iguais às das duas 1ª gerações (teoric.) Experimentalmente já se confirmaram as previsões para o b Experimentalmente já se confirmaram as previsões para o b Consequentemente, para o top Consequentemente, para o top QuarksQ T3T3T3T3Y u, c, t + 2/3 + 1/2 1/3 d, s, b - 1/3 - 1/2 1/3

Propriedades do quark top Massa do top ? Massa do top ? SM não prevê massas dos quarks  são meros “inputs” SM não prevê massas dos quarks  são meros “inputs” Medidas EW dependem apenas de 3 parâmetros: , G F e M Z Medidas EW dependem apenas de 3 parâmetros: , G F e M Z (na ordem mais baixa) (na ordem mais baixa) Com correcções EW  alguns parâmetros dependem de m top Com correcções EW  alguns parâmetros dependem de m top “Global EW Fit” junta medidas EW + valores experimentais num ajuste  2  estimativas para parâmetros que ainda não foram medidos “Global EW Fit” junta medidas EW + valores experimentais num ajuste  2  estimativas para parâmetros que ainda não foram medidos M top = GeV/c 2 (PDG 2002 sem medições directas) M top = GeV/c 2 (PDG 2002 sem medições directas)

Propriedades do quark top

Produção do quark top Processos fortes Processos fortes Aniquilação quark-antiquark (qqbar  ttbar) Aniquilação quark-antiquark (qqbar  ttbar) Fusão de dois gluões (gg  ttbar) Fusão de dois gluões (gg  ttbar)

Produção do quark top Processos fracos Processos fracos q qbar  t bbar (troca de W no canal s) q qbar  t bbar (troca de W no canal s) q b  q’ t (troca de W no canal t) q b  q’ t (troca de W no canal t) g b  t W g b  t W

Produção do quark top Experimental Experimental Colisões p pbar Colisões p pbar Tevatron (Fermilab) – Run I (  s = 1.8 TeV) já produziu o top Tevatron (Fermilab) – Run I (  s = 1.8 TeV) já produziu o top Run II (  s = 1.96 TeV) off-line Run II (  s = 1.96 TeV) off-line LHC (CERN) –  s até 14 TeV – (só em 2007) LHC (CERN) –  s até 14 TeV – (só em 2007)

Produção do quark top Experimental Experimental Colisões e + e - (aceleradores lineares) Colisões e + e - (aceleradores lineares) GLC (Japão) -  s até 1 TeV GLC (Japão) -  s até 1 TeV NLC (Stanford) -  s até 1.5 TeV NLC (Stanford) -  s até 1.5 TeV Tesla (Alemanha) -  s até 0.5 TeV Tesla (Alemanha) -  s até 0.5 TeV CLIC (CERN) – em fase de projecto (pós-LHC) CLIC (CERN) – em fase de projecto (pós-LHC)

Decaimentos do top Admitindo 3 gerações de quarks, o SM prevê que o top decaia exclusivamente pelo processo fraco: t  W b’ Admitindo 3 gerações de quarks, o SM prevê que o top decaia exclusivamente pelo processo fraco: t  W b’ (com b’ = V td d + V ts s + V tb b) (com b’ = V td d + V ts s + V tb b) Matriz CKM (PDG 2002) Matriz CKM (PDG 2002) < Vtd < < Vtd < < Vts < < Vts < < Vtd < < Vtd < Colaboração CDF: V tb = Colaboração CDF: V tb = t  W b é dominante

Largura do top Cálculo a partir do elemento de matriz Cálculo a partir do elemento de matriz Correcção QCD   QCD Correcção QCD   QCD 000 1.555  QCD GeV

Tempo de vida do top  top =  /  c 2  top =  /  c 2 Tempo de hadronização – tempo que uma partícula que se move à velocidade da luz demora a atravessar um hadrão (~1 fm) Tempo de hadronização – tempo que uma partícula que se move à velocidade da luz demora a atravessar um hadrão (~1 fm) t had = 3.33  s >  top  Top não hadroniza t had = 3.33  s >  top  Top não hadroniza Não existem estados ligados (mesões, bariões) com o top Não existem estados ligados (mesões, bariões) com o top  0 0 0  s  4.23  s  QCD 4.71  s

Detectores CDF – identifica os quarks b com grande precisão (pixels de silicone de alta resolução na zona da colisão) CDF – identifica os quarks b com grande precisão (pixels de silicone de alta resolução na zona da colisão)

Detectores D  - obtém medições precisas das energias das partículas recorrendo a calorímetros com grande resolução. Não tem campo magnético central. D  - obtém medições precisas das energias das partículas recorrendo a calorímetros com grande resolução. Não tem campo magnético central.

Estados finais Os estados finais do decaimento, t tbar  W b W bbar, dependem do decaimento do W. Os estados finais do decaimento, t tbar  W b W bbar, dependem do decaimento do W. W  leptao + antineutrino (ou antileptao e neutrino) W  leptao + antineutrino (ou antileptao e neutrino) W  q q’bar (ou qbar q’) W  q q’bar (ou qbar q’) 1 qq’bar b q’’ q’’’bar bbar “All-jets” 2 qq’bar l  bar bbar + inverso “Lepton+ jets” 3 lbar  b l  bar bbar “Dilepton”

Estados finais e ajuste de m t Cada canal tem 6 partículas no estado final  18 variáveis Cada canal tem 6 partículas no estado final  18 variáveis p t do estado inicial (ttbar) e do estado final  + 2 variáveis p t do estado inicial (ttbar) e do estado final  + 2 variáveis Restrições: reduzem para 15 o número de variáveis Restrições: reduzem para 15 o número de variáveis p t dos neutrinos calculado pela diferença entre estado inicial e o final p t dos neutrinos calculado pela diferença entre estado inicial e o final “All-jets” – 20 medições para 15 variáveis “All-jets” – 20 medições para 15 variáveis “lepton + jets” – 17 medições para 15 variáveis “lepton + jets” – 17 medições para 15 variáveis “dilepton” – 14 medições para 15 variáveis  introduz-se m t (para cada evento usam-se vários valores  distrib. máx. veros.) “dilepton” – 14 medições para 15 variáveis  introduz-se m t (para cada evento usam-se vários valores  distrib. máx. veros.)

Massa do top (experimental) Resultados CDF e D  Resultados CDF e D  Canal M t (GeV/c 2 ) Colab. “dilepton” 168  12.3  3.6 DDDD  10.3  4.8 CDF “all-jets” 186  10.0  5.7 CDF “lepton + jets”  5.1  5.3 CDF  5.6  5.5 DDDD

Massa do top (experimental) Resultado “Top averaging group” – CDF e D  Resultado “Top averaging group” – CDF e D  M t =  5.1 GeV/c 2 M t =  5.1 GeV/c 2 Comparando com o valor do “Global EW Fit” Comparando com o valor do “Global EW Fit” M t = GeV/c 2 M t = GeV/c 2

Massa do top - Futuro LHC -  s até 14 TeV, £ = 10 fb -1 /ano. LHC -  s até 14 TeV, £ = 10 fb -1 /ano. São esperados 8  10 6 pares de ttbar/ano São esperados 8  10 6 pares de ttbar/ano Reduzir incerteza para  M t ~1 a 2 GeV Reduzir incerteza para  M t ~1 a 2 GeV Aceleradores lineares – estudar a região limite  s = 2M t Aceleradores lineares – estudar a região limite  s = 2M t Reduzir incerteza para  M t ~200 MeV Reduzir incerteza para  M t ~200 MeV Melhorar “Global EW Fit” Melhorar “Global EW Fit”