O Quark Top em ATLAS IST, Lisboa 17 Maio 2005 António Onofre LIP / UCP.

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1 O Quark Top em ATLAS IST, Lisboa 17 Maio 2005 António Onofre LIP / UCP

2 Sumário I. O quark top no Modelo Padrão (SM) I. O quark top no Modelo Padrão (SM) II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS III. Conclusões III. Conclusões IST, Lisboa 17 Maio 2005

3 I. O quark top no SM I. O quark top no SM Primeira observação directa no FERMILAB (CDF e D0 no TEVATRÃO) N ν = 2.9841±0.0083 O quark top completa a estrutura de 3 familias do SM: n Possui spin=1/2, n Carga=+2/3, n Transforma-se como um tripleto de cor do grupo de simetria SU(3), grupo de simetria SU(3), n Parceiro de isospin fraco do quark b,  =1.42GeV (incluindo m b,M W,  s,EW corr.)  =1.42GeV (incluindo m b,M W,  s,EW corr.) Tempo de Hadronização Não existem hadrões do top  QCD -1 =(100MeV) -1 =10 -23 s M t =>  t < 10 -23 s IST, Lisboa 17 Maio 2005

4 O TEVATRÃO O TEVATRÃO O conhecimento experimental sobre o quark top é dominado pelo TEVATRÂO Run I (1992-1996)  s = 1.8 TeV Descoberta do quark top em 1994! Luminosidade Integrada 120pb -1 Run II (2001-hoje)  s = 1.96 TeV Luminosidade 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 SM I. O quark top no SM IST, Lisboa 17 Maio 2005

5 1. A massa do top (M t ) 1. A massa do top (M t ) n É um parâmetro fundamental do SM n M t e M W constrangem a massa do bosão de Higgs (M H )  M W  M t 2  M W  ln(M H ) n M t é da ordem da escala de energia da quebra de simetria da Interação EW u M t ~ VEV do campo de Higgs u O quark top desempenha algum papel especial no SM? CDF&D0 @2 fb -1 hep-ph/0410177 I. O quark top no SM I. O quark top no SM IST, Lisboa 17 Maio 2005

6 1. A massa do top (TEVATRON,LEP,SLD) 1. A massa do top (TEVATRON,LEP,SLD) medidoinferido M t = 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 SM I. O quark top no SM IST, Lisboa 17 Maio 2005

7 20022003 20042001 Peak lumi. above 1x10 32 cm -2 s -1 Delivered luminosity approaches 800 pb -1 Aug'04 2002200320042001 CDFCDF Resumo dos Resultados de M t I. O quark top no SM I. O quark top no SM 1. A massa do top (TEVATRÃO) 1. A massa do top (TEVATRÃO) IST, Lisboa 17 Maio 2005

8 ~85% g g ~15% Diagramas:Dependência com M H :Dependência com Energia: 2. A secção eficaz de pp tt (TEVATRÃO) 2. A secção eficaz de pp tt (TEVATRÃO)  (pp tt)@NLL=6.7pb (15% erro) at M t =175GeV I. O quark top no SM I. O quark top no SM IST, Lisboa 17 Maio 2005

9 CDF Run 2 (Preliminar Abr05):D0 RUN 2 (Preliminar Abr05): 2. A secção eficaz de pp tt (TEVATRÃO) 2. A secção eficaz de pp tt (TEVATRÃO) I. O quark top no SM I. O quark top no SM IST, Lisboa 17 Maio 2005

10 3. O decaimento t bW e a polarização do W 3. O decaimento t bW e a polarização do W t W 0 Longitudinal F 0 W b +1/2 0 W - Esquerda F - t b W +1/2 -1/2 +1 W + Direita F + t W b +1/2 +1 -1/2 V-A SUPRIMIDO 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 SM I. O quark top no SM IST, Lisboa 17 Maio 2005

11 Medir a fracção dos Ws longitudinais é: Testar uma previsão do SM: F 0 =0.7 e F - =0.3 (F + =0.0) Testar o vértice tWb, que se acredita ser do tipo (V-A) 3. O decaimento t bW e a polarização do W 3. O decaimento t bW e a polarização do W I. O quark top no SM I. O quark top no SM IST, Lisboa 17 Maio 2005

12 4. Decaimentos raros do top 4. Decaimentos raros do top n O top decai quase sempre para um quark b B(t  Wb)~1 n Os decaimentos raros do top no SM são mesmo raros: B(t  Ws)<0.18%, B(t  Wd)<0.02% n Teste em CDF  Razão entre acontecimentos com e sem b´s: R=B(t  Wb)/B(t  Wq) = |V tb | 2 / (|V td | 2 + |V ts | 2 + |V tb | 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 SM I. O quark top no SM IST, Lisboa 17 Maio 2005

13 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS IST, Lisboa 17 Maio 2005

14 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 1. ATLAS no CERN 1. 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 IST, Lisboa 17 Maio 2005

15 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 1. ATLAS no CERN 1. ATLAS no CERN IST, Lisboa 17 Maio 2005

16 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 1. Secções Eficazes de Produção em LHC 1. Secções Eficazes de Produção em LHC σ(W→lν) σ(tt) m t =175 GeV   (pp tt): 10% g g 90% u Taxa de Colisão Elevada F LHC (Tevatrão) – cada 25 ns (396 ns) u Secções Eficazes Elevadas ~0.1b F 2-3 interacções por colisão LHC inicial/baixa lumi L=10 33 cm -2 s -1 F 20 interacções por colisão LHC design/alta lumi L=10 34 cm -2 s -1 u W, Z, top são relativamente raros F Necessitam alta luminosidade F Trigger é crucial: sel. Leptões alto pT IST, Lisboa 17 Maio 2005

17 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 2. A massa do top (M t ) em ATLAS 2. A massa do top (M t ) em ATLAS feixe protões W b t q q|q| quark Jato 2 Jato 1 Topologia Semileptónica Topologia Semileptónica pp tt bbW + W - (833pb) pp tt bbW + W - (833pb) 1 Leptão p T >20 GeV, | η |<2.5 E T >20 GeV ≥ 4 jatos E T >40 GeV, | η |<2.5 ≥ 2 b-tags Sinal: tt bbqq´ l l + (l=e,  ) Sinal: tt bbqq´ l l + (l=e,  ) IST, Lisboa 17 Maio 2005

18 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 2. A massa do top (M t ) em ATLAS 2. A massa do top (M t ) em ATLAS M t (had) M W (had) Selecionados 87000 acontecimentos para 10fb -1 (S/B~78) Erros sistemáticos mais importantes: n Calibração em Energia dos jatos n Radiação (FSR) Erros Sistemáticos: SN-ATLAS-2004-040 Tot(sys) = 1.3 GeV Tot(stat) = 0.1 GeV IST, Lisboa 17 Maio 2005

19 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 3. Spin do top 3. Spin do top A melhor maneira de aceder ao spin do top e´ estudar a distribuição angular dos seus produtos de decaimento:  i = poder de análise da partícula i Correlações de spin em pp tt: Correlações de spin em pp tt: IST, Lisboa 17 Maio 2005

20 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 3. Correlações de spin em pp tt 3. Correlações de spin em pp tt Distribuição diferencial dupla: Distribuição diferencial dupla: Distribuição do ângulo de abertura: Distribuição do ângulo de abertura: Previsões do SM: Previsões do SM: IST, Lisboa 17 Maio 2005

21 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 3. Correlações de spin em pp tt 3. Correlações de spin em pp tt feixe protões W b q q|q| quark Jato 2 Jato 1 Top. Semileptónica Erros sistemáticos: Resultados (SM): IST, Lisboa 17 Maio 2005

22 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt) 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt) Suprimidos no SM ao nível árvore: IST, Lisboa 17 Maio 2005

23 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt) 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt) IST, Lisboa 17 Maio 2005

24 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt) 4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt) A) Sensibilidade de ATLAS (5  ): B) Ausência de sinal (95% C.L.): C) Erros sistemáticos dominantes: M t e  b-tag < 20% IST, Lisboa 17 Maio 2005

25 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 5. Decaimentos FCNC do top (single top) 5. Decaimentos FCNC do top (single top) A) Diagramas para a Produção Simples: B) Decaimentos Estudados: e IST, Lisboa 17 Maio 2005

26 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 5. Decaimentos FCNC do top (single top) 5. Decaimentos FCNC do top (single top) A) B) IST, Lisboa 17 Maio 2005

27 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 5. Decaimentos FCNC do top (single top) 5. Decaimentos FCNC do top (single top) A) Sensibilidade de ATLAS (5  ): B) Ausência de sinal (95% C.L.): IST, Lisboa 17 Maio 2005

28 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top A) Definição: l+l+  lq q l+l+ t ll q t qq W+W+ l+l+ bt  bl t ll q t qq IST, Lisboa 17 Maio 2005

29 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top IST, Lisboa 17 Maio 2005

30 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top A) Análise I: B) Análise II: IST, Lisboa 17 Maio 2005

31 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top A) Análise I: B) Análise II: IST, Lisboa 17 Maio 2005

32 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top 6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top Erros Sistemáticos B) Análise II: A) Análise I: IST, Lisboa 17 Maio 2005

33 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 7. Implicações das Assimetrias Angulares 7. Implicações das Assimetrias Angulares A) Acoplamentos anómalos: V tb R, g L, g R A) Acoplamentos anómalos: V tb R, g L, g R PRD 67, 014009 (2003) PRD 67, 014009 (2003) A FB depende de V tb R, g L, g R B) Correlações de Spin: B) Correlações de Spin: A 1 depende de C A 2 depende de D IST, Lisboa 17 Maio 2005

34 Conclusões  Estamos (apenas!) a dois anos dos primeiros dados  Vai realizar-se um Workshop Internacional em Coimbra sobre a Física do quark top - participem  Outras análises estão em estudo (Q t,spin, Acoplamentos EW, estrutura do top?!... )

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36 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 1. ATLAS no CERN 1. ATLAS no CERN IST, Lisboa 17 Maio 2005

37 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 1. ATLAS no CERN 1. ATLAS no CERN IST, Lisboa 17 Maio 2005

38 II. O quark top em ATLAS II. O quark top em ATLAS 1. Quark Radius at HERA 1. Quark Radius at HERA IST, Lisboa 17 Maio 2005 Q 2 =-(k-k’) 2 =-q 2 d  /dQ 2 = d  SM /dQ 2 x f q (Q 2 ) e ± (k) e ± (k’), e qq,q’ ,Z,W SM q-form factor: f q (Q 2 )=1 - 1 Q 2 6 Result H1: R<1.7x10 -16 cm Result ZEUS: R<0.73x10 -16 cm