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Fermilab: Fermi National Accelerator Laboratory ¿qué hacemos? www.fnal.gov

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Fermilab:Fermi National Accelerator

Laboratory

¿qué hacemos?

www.fnal.gov

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• The Tevatron is aproton-antiprotoncollider with 980GeV/beam

• 36 p and p bunches!396 ns betweenbunch crossing– Increased from 6x6

bunches with 3.5µs inRun I

• Increasedinstantaneousluminosity:– Run II goal 30 x 1031

cm–2 s-1

– Current: 3÷4.5 x 1031

cm–2 s-1

Tevatron collider in Run II

RunI)(1.8TeV RunII in1.96TeV s =

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D0

CDF

E815

MINOS

MINiBOON

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• Descubrimiento del quark Top (1995, D0 y CDF):– Ultimo quark de los 6 predichos por la teoría del modelo

estándar. Tan pesado como el átomo de oro

• Descubrimiento del quark bottom (1977, E288):– Descubrieron una nueva partícula, Upsilon, estado resonante

de quark b y de su antiquark. (comienza la 3rd generación)

• Determinación mas precisa de los bosones W,Z:– Permite confirmación del modelo estándar y junto con la

medida de la masa del top => masa Higgs

• Observación de violación CP directa (1999, Ktev)– Tiene implicaciones en el entendimiento de la asimetría

materia-antimateria

• Medida precisa de la vida media de las partículas concharm– Entendimiento de las fuerzas entre quarks y de cómo

combinan los quarks para formar partículas

Descubrimientos

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• Evidencia experimental del neutrino del tau (2000,DONUT)– Ultima partícula de la tercera generación. Casi sin masa. Completa el

modelo estándar de partículas

• Estructura del protón y del neutron usando haces de neutrino– Determinación de la división de quarks y gluones dentro de estas

partículas y su energía

• Medida del momento magnético de partículas con charm(hiperones)– Pequeños imanes que viven menos de un billon de segundo.

• Calculo de la constante de acoplamiento fuerte, !s, usandosuperordenadores (grupo teórico, lattice QCD)– Describe la intensidad de la fuerza fuerte. Una medida precisa de esta

constante solo se puede hacer usando cálculos numéricos de “ latticeQCD” y gran poder de calculo.

• Descubrimiento de un quasar a 27 billones de años luz(2000,SDSS)– Estudian un cuarto del cielo (10000 grados2 o 200 millones de objetos

celestiales). Este es el segundo quarsar mas lejano

Descubrimientos

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¿Como sehace?

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Tools from Physics Research

" Parallel computing – the use of many

computers to attack different parts of a

problem simultaneously – was invented by

scientists who needed faster real-time

processing of data. Such techniques are

now the mainstay of weather forecasting

and market trend analyses.

" Medical imaging tools – Magnetic

Resonance Imaging (MRI), PET scan

detectors, tracer nuclides, CAT scans are

derived from techniques invented for

research.

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Accelerators for SocietyParticle accelerators were devised to produce high energy

probes for studying the atom.

Now they are used for medical therapy, medical

diagnostics, materials research, making electronic circuits,

nuclear waste disposal and food sterilization.

CATEGORY OF ACCELERATORS NUMBERSIN USE

NUCLEAR AND PARTICLE PHYSICSHigh energy accelerators 112BIOMEDICAL ACCELERATORSRadiotherapy(Biomedical) researchMedical radioisotope production

>4000800~200

INDUSTRIAL ACCELERATORSIndustrial electron acceleratorsIon implantersSurface modification centers and research

~1500>2000~1000

SYNCHROTRON RADIATION SOURCES ~50Estimated total ~10000

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• Top quark was expected in the Standard Model(SM) of electroweak interactions as a partnerof b-quark in SU(2) doublet of weak isospin forthe third family of quarks– Evidence for top in 1994 (CDF)

– Observation in 1995 (CDF&D0)

• In Run I statistical uncertainties dominated:– Overall consistency with the SM picture

– but…still a few loose ends

• In anticipation of much increased statistics inRun II:– Rich physics menu

– Increased luminosity ! increased precision

– Surprises?• Preliminary results on: cross section, mass, W helicity

and single top

Introduction

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Top quark production

•Difficult

to produce

1 in 10000

Millions

Events is

a top

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Top Quarks at the Tevatron

85%

15%

W’s decaymodes used toclassify thefinal states

Pair production

B(t_Wb) =100%

•Dilepton (e,m) BR=5%

•Lepton (e,m) +jets BR=30%

•All jets BR=44%

• thad+X BR=21%

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• Un suceso top:

Ejemplo: Masa del Top

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Identifying particles

The quarks (and gluons) are seen as jets –sprays of particles travelling in similardirections

Jets from b-quarks are of particular interest; they havesome particles that live for a long time and their decaysare separated from the primary interaction point by amillimeter or so, and sensed in the inner silicontracking detector

Neutrinos do not interact at all, but can be sensed bythe imbalance in momentum of all the observedparticles. We ‘observe’ them in the sense of SherlockHolmes’ dog that did not bark in the night.

quark particles in a jet

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Methodology & tools

Full characterization of the chosen final statesignature in terms of SM background processes (controlregion)

– Optimize signal region for best measurement precision

• How to separate signal from background:

– Top events have very distinctive signatures

• Decay products (leptons, neutrinos, jets) have large pT’s

• Event topology: central and spherical

• Heavy flavor content: always 2 b jets in the final state!

• Tools (need multipurpose detectors!):

– Lepton ID: detector coverage and robust tracking

– Calorimetry: hermetic and well calibrated

– B identification: algorithms pure and efficient

– Simulation: essential to reach precision goals

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How to tag a high pT B-jet

Silicon Vertex Tag• Signature of a b decay is

a displaced vertex:– Long lifetime of b hadrons

(c" ~ 450 µm)+ boost

– B hadrons travel Lxy~3mmbefore decay with largecharged track multiplicity

B-tagging at hadron machinesestablished:

•crucial for top discovery in RunI•essential for RunII physics program

Soft Lepton Tag

! Exploits the b quarks semi-leptonic decays

# These leptons have a softerpT spectrum than W/Zleptons

# They are less isolated

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Double b-taggeddilepton event @ CDF

69.7

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backgrounds

!

" =Nsignal #Nbackground

$ •L

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Production cross section

• Test of QCD– discrepancies from QCD

might imply non SMphysics

• SUSY processes

• Top-color objects

– Current uncertainty isstatistics dominated

• Experimental handles forRunII:– Larger overall efficiency

(lepton ID, trigger,btagging) w/ betterbackground rejection

– Main data drivensystematics (jet energyscale, ISR, $btag) scalewith 1/%N

Run II Summary

RunII(2fb-1) &'tt/'tt <10%

~

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Top Mass

• Top Mass: FundamentalSM parameter

– needed to determine ttHcoupling

– important in radiativecorrections:

constrain (Mh/Mh to 35%in RunII

• Experimental handles:– B tagging: reduce

background & combinatorial

– Data driven systematics scalewith

1/%N (energy scale, gluonradiation)

CDF/D0

2 fb-1goal!

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Top Mass Measurement

• Template method:– Kinematic fit under the

tt hypotesis

– Combinatorial issues

– best )2 combinationchosen

– Likelihood fit

• Dynamical methods:– Event probability of

being signal orbackground as afunction of m(t)

– Better use of eventinformation ! increasestatistical power

– Well measured eventscontribute more

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Handles for a precision measurement

• Jet energy scale– gamma-jet balancing: basic in situ calibration tool

– Z+jet balancing: interesting with large statistics

– Hadronic W mass: calibration tool in tt double tagged events

– Z!bb mass: calibration line for b-jets, dedicated trigger

• Theory/MC Generators: understand ISR/FSR, PDF’s

• Simulation: accurate detector modeling

• Fit methodology: how to optimally use event information

• Event selection: large statistic will allow to pick bestmeasured events

A precise measurement of the

top mass combines cuttingedge theoretical knowledgewith state of the art detectorcalibration

D0 preliminary

Top mass (GeV) W mass (GeV)

L/L

(max)

L/L

(max)

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Mass measurement

•Event Selection

•Background

•Systematic Errors

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Top Mass Calculation using D0 data

•Three computer-generated views of one event, Run 92704 Event 14022,

that you will analyze.

CAL+TKS R-Z VIEW CAL+TKS END VIEW DST LEGO

•4 jets: large blasts of particles – (red and blue towers). One of the jets

will often contain a low energy or "soft" muon (dotted green line).

•Muon: green tower

•Neutrino : undetected

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Top Mass Calculation using D0 data

•Mass: The mass is determined from the magnitude of themomenta. While the momentum of the total system is zero, themomenta of the various particles are very different.

•Momentum: The data plot shows the direction of themomenta and the magnitude reported in GeV/c for allparticle seen by the detector.

!

E2" p

2= m

2

E2" p

2= (2mt )

2

E2

= (2mt )2

•Momentum conservation

•Transverse momentum is cero

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•Because almost all of the energy of the collision is the resultof top and antitop decay, simply add the energies of the fourjets, the lepton and the neutrino before dividing by the twotops (actually a top and an antitop quark) to obtain themass of the most recently discovered quark.

•Neutrino almost does not interact with the material leavingno track in the detector

•you need to infer the momentum of the neutrino

• Doing this for many events,

•you plot the result for each of them obtaining a Top massdistribution => improve the measurement by fitting thedistribution

Top Mass Calculation using D0 data

•This is a very simplyfied version

•First order to undertand the idea is OK

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Top Mass Calculation using D0 data

Adding up allobjects:

61.2 GeV + 7.3 GeV +

95.5 GeV + 58.6 GeV +

54.8 GeV + 17.0 GeV +

42 GeV = 336.3 GeV

Masa del top:

336.3 GeV/2 = 168 GeV

•If use the computer to calculatethe momentum of neutrino

P = 53.0 GeV

•Top mass = 174.2 GeV

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• Como el ejemplo del top se hacen los analisis de datos

– Produccion debil, produccion fuerte, nueva fisica, etc..

• Se necesita:

– Conocimiento teórico del proceso elegido para estudiar

• Probabilidad de producción, productos de desintegración,Cinemática del suceso,

– Concimiento de los fondos que falsean tu señal

– Aceleradores que produzcan las colisiones a la energíaadecuada y suficiente luminosidad para tener estadistica

– Detectores muy precisos capaces de recoger todo lo que salen delas colisiones

– Triggers que selecciones solo sucesos interesantes para nuestroanalisis

– Medida de la eficiencia de los requisitos que piden

– Un grupo de trabajo que te ayude con todo

– Se hace en colaboraciones grandes

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