O Quark Top em ATLAS
António Onofre
LIP / UCP
IST, Lisboa 17 Maio 2005
Sumário
I. O quark top no Modelo Padrão (SM)
II. O quark top em ATLAS
III. Conclusões
IST, Lisboa 17 Maio 2005
I. O quark top no SM
Primeira observação directa no FERMILAB
(CDF e D0 no TEVATRÃO)
O quark top completa a estrutura de 3 familias
do SM:

Possui spin=1/2,

Carga=+2/3,

Transforma-se como um tripleto de cor do
grupo de simetria SU(3),

Parceiro de isospin fraco do quark b,

G=1.42GeV (incluindo mb,MW,as,EW corr.)
LQCD-1=(100MeV)-1=10-23s
Mt => tt<10-23s
Tempo de Hadronização
Não existem
hadrões do top
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Nν = 2.9841±0.0083
I. O quark top no SM
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
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I. O quark top no SM
1. A massa do top (Mt)


É um parâmetro fundamental do SM
Mt e MW constrangem a massa do
bosão de Higgs (MH)
CDF&D0
@2 fb-1
DMW a Mt2
DMW a 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?
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hep-ph/0410177
I. O quark top no SM
1. A massa do top (TEVATRON,LEP,SLD)
inferido
medido
Nova Análise de ~125 pb-1 dos
dados colectados por D0 entre
1994 - 1996 (RUN I)
Mt= 180.1 ± 3.6 (stat) ± 3.9 (sys)
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I. O quark top no SM
1. A massa do top (TEVATRÃO)
2001
2002
2003
2004
Resumo dos Resultados de Mt
Peak lumi. above 1x1032 cm-2 s-1
2001
2002
2003
2004
Delivered luminosity approaches 800 pb-1
C
D
F
Aug'04
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I. O quark top no SM
2. A secção eficaz de pp
Diagramas:
Dependência com Energia:
t
q
q
Dependência com MH:
tt (TEVATRÃO)
~85%
t

t
g
g

~15%

s(pp

t
tt)@NLL=6.7pb (15% erro) at Mt=175GeV
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I. O quark top no SM
2. A secção eficaz de pp
D0 RUN 2 (Preliminar Abr05):
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tt (TEVATRÃO)
CDF Run 2 (Preliminar Abr05):
I. O quark top no SM
3. O decaimento t bW e a polarização do W
O W possui 3 estados de helicidade:
“Esquerda”, “Longitudinal” e “Direita”
O decaimento do quark top é a fonte mais
importante de Ws longitudinais
W0 Longitudinal
F0
W- Esquerda
W+ Direita
F-
F+
0
+1/2
t
-1/2
+1/2
W
t
b
b
t
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W
b
W
+1/2
+1
+1/2
-1/2
+1
I. O quark top no SM
3. O decaimento t bW e a polarização do W
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)
3
3
3
w(cos  l b )  F  (1  cos  l b )2  F0  (1  cos 2  l b )  F  (1  cos  l b )2
8
8
8
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F0  0.89  0.30
0.34 (stat)  0.17(syst)
F0  0.25@95%CL
I. O quark top no SM
4. Decaimentos raros do top
O top decai quase sempre para um quark b B(tWb)~1
Os decaimentos raros do top no SM são mesmo raros:


B(tWs)<0.18%, B(tWd)<0.02%
Teste em CDF  Razão entre acontecimentos com e sem b´s:

R=B(tWb)/B(tWq) = |Vtb|2 / (|Vtd|2 + |Vts|2 + |Vtb|2) =99.8%

Decaimentos FCNC:
B(t  gc) +B(t  gu)<3.2% at 95% CL
B(t  Zc) +B(t  Zu)<33% at 95% CL
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II. O quark top em ATLAS
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II. O quark top em ATLAS
1. ATLAS no CERN
20 Estados Membros
+ US, Canada, Japan, Russia, China, India, ...
CERN
CERN (Prevessin)
27 km
Acelerador SPS
• Colisões Protão-Protão
Ecm = 7000 + 7000 GeV
• 800 milhões de colisões/s
• O maior sistema criogénico do Mundo
(1.8K, helium superfluido)
Aeroporto de Geneve
• 27 km de magnetos com B=8T
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O LHC
ATLAS, CMS,
LHCb e ALICE
II. O quark top em ATLAS
1. ATLAS no CERN
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II. O quark top em ATLAS
1. Secções Eficazes de Produção em LHC




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
σ(W→lν)
W, Z, top são relativamente raros
 Necessitam alta luminosidade
 Trigger é crucial: sel. Leptões alto pT
s(pp tt):


q
t
q
t
10%

g
t
g
t
90%

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
σ(tt)
mt=175 GeV

II. O quark top em ATLAS
2. A massa do top (Mt) em ATLAS
pp tt
bbW+W- (833pb)
e-e
(1/81)
mu-mu (1/81)
Topologia Semileptónica
tau-tau (1/81)
e -mu (2/81)
e -tau (2/81)
Jato 1
mu-tau (2/81)
e+jets (12/81)
mu+jets(12/81)
tau+jets(12/81)
jets
Sinal: tt
•
•
•
•
(36/81)
feixe protões
bbqq´nll+ (l=e,m)
1 Leptão pT>20 GeV, |η|<2.5
ET>20 GeV
≥ 4 jatos ET>40 GeV, |η|<2.5
≥ 2 b-tags
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feixe protões
t
quark
q
W
q|
quark
b
Jato 2
II. O quark top em ATLAS
2. A massa do top (Mt) em ATLAS
Selecionados 87000 acontecimentos para 10fb-1 (S/B~78)
Erros sistemáticos mais importantes:

Calibração em Energia dos jatos

Radiação (FSR)
MW(had)
Mt(had)
SN-ATLAS-2004-040
Erros Sistemáticos:
Tot(sys) = 1.3 GeV
Tot(stat) = 0.1 GeV
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II. O quark top em ATLAS
3. Spin do top
A melhor maneira de aceder ao spin do top
e´ estudar a distribuição angular dos seus
produtos de decaimento:
ai = poder de análise da partícula i

tt:
Correlações de spin em pp
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II. O quark top em ATLAS
3. Correlações de spin em pp
tt
Distribuição diferencial dupla:



Distribuição do ângulo de abertura:
Previsões do SM:
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II. O quark top em ATLAS
3. Correlações de spin em pp
tt
Erros sistemáticos:
Top. Semileptónica
Jato 1
feixe protões
quark
Resultados (SM):
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W
q
q|
quark
feixe protões
b
Jato 2
II. O quark top em ATLAS
4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt)
Suprimidos no SM
ao nível árvore:
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II. O quark top em ATLAS
4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt)
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II. O quark top em ATLAS
4. Decaimentos FCNC do top (eventos tt)
A) Sensibilidade de ATLAS (5s):
B) Ausência de sinal (95% C.L.):
C) Erros sistemáticos dominantes: Mt e eb-tag < 20%
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II. O quark top em ATLAS
5. Decaimentos FCNC do top (single top)
A) Diagramas para a Produção Simples:
B) Decaimentos Estudados:
e
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II. O quark top em ATLAS
5. Decaimentos FCNC do top (single top)
A)
B)
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II. O quark top em ATLAS
5. Decaimentos FCNC do top (single top)
A) Sensibilidade de ATLAS (5s):
B) Ausência de sinal (95% C.L.):
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II. O quark top em ATLAS
6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top
A) Definição:
l+
t
b
qbl
W+
l+
t
qq
l+
t
q
qlq
q
n
t
qq
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ql
t
q
ql
II. O quark top em ATLAS
6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top
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II. O quark top em ATLAS
6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top
A) Análise I:
B) Análise II:
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II. O quark top em ATLAS
6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top
A) Análise I:
B) Análise II:
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II. O quark top em ATLAS
6. Assimetrias Angulares nos decaimentos do top
A) Análise I:
Erros Sistemáticos
B) Análise II:
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II. O quark top em ATLAS
7. Implicações das Assimetrias Angulares
A) Acoplamentos anómalos: VtbR, gL, gR
PRD 67, 014009 (2003)
AFB depende de
VtbR, gL, gR
B) Correlações de Spin:
A1 depende de C
A2 depende de D
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Conclusões
 Estamos (apenas!) a dois anos dos primeiros dados
 Outras análises estão em estudo (Qt,spin,
Acoplamentos EW, estrutura do top?!... )
 Vai realizar-se um Workshop Internacional em
Coimbra sobre a Física do quark top - participem
II. O quark top em ATLAS
1. ATLAS no CERN
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II. O quark top em ATLAS
1. ATLAS no CERN
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II. O quark top em ATLAS
1. Quark Radius at HERA
e±(k’),ne
e±(k)
ds/dQ2 = dsSM/dQ2
g,Z,W
q
SM
x fq(Q2)
q-form factor: fq(Q2)=1 - 1 <R2>Q2
q,q’
Q2=-(k-k’)2=-q2
Result H1:
R<1.7x10-16cm
Result ZEUS:
R<0.73x10-16cm
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6