Medida da massa Medida da massa e da e da

largura do quark largura do quark toptop

Manuel Fonseca e Silva - Manuel Fonseca e Silva - 4674546745

Nascimento do quark topNascimento do quark top Constituintes fundamentais da matériaConstituintes fundamentais da matéria

Descoberta do Descoberta do em 1975 em 1975Descoberta do Descoberta do = bbar em 1977 = bbar em 1977

Propriedades do topPropriedades do top

Modelo Standard (SM)Modelo Standard (SM)

Spin ½Spin ½ Tripleto de corTripleto de cor P = +1P = +1

Propriedades do quark Propriedades do quark toptop

Teoria de gauge electrofraca (EW)Teoria de gauge electrofraca (EW)

Grupo de simetria SU(2)Grupo de simetria SU(2)LLU(1)U(1)YY

L – quiralidade esquerdaL – quiralidade esquerda Y – hipercarga fracaY – hipercarga fraca Q = TQ = T33 + Y/2 (Gell-Mann-Nishijima) + Y/2 (Gell-Mann-Nishijima)

Propriedades do quark Propriedades do quark toptop

i

i

l

Teoria de gauge EW (cont.)Teoria de gauge EW (cont.)

3 bosões W3 bosões Wii acoplados às correntes j acoplados às correntes j

ii : constante g (só : constante g (só “esquerdos”)“esquerdos”)

1 bosão B1 bosão B acoplado à corrente j acoplado à corrente jYY : constante g’/2 (ambas as : constante g’/2 (ambas as

quiralidades)quiralidades)

Bosões WBosões W = (W = (W

1 1 W W22)/)/2 2 só quiralidade esquerda só quiralidade esquerda

Bosão ZBosão Z = - B = - B SinSinWW + W + W33 Cos CosW W ambas as quiralidades ambas as quiralidades

Fotão: AFotão: A = B = BCosCosWW + W + W33 Sin SinW W ambas as quiralidades ambas as quiralidades

Cada geração de leptões e de quarks (Cabibbo-rotated) Cada geração de leptões e de quarks (Cabibbo-rotated) transformam-se como dobletos (esquerdos) de isospin fracotransformam-se como dobletos (esquerdos) de isospin fraco

Top é o parceiro electrofraco do bottomTop é o parceiro electrofraco do bottom

Propriedades do quark Propriedades do quark toptop

Teoria de gauge EW (cont.)Teoria de gauge EW (cont.) Props. EW do t e do b iguais às das duas 1ª gerações Props. EW do t e do b iguais às das duas 1ª gerações

(teoric.)(teoric.)

Experimentalmente já se confirmaram as previsões Experimentalmente já se confirmaram as previsões para o b para o b

Consequentemente, para o topConsequentemente, para o top

QuarkQuarkss

QQ TT33 YY

u, c, u, c, tt

+ 2/3+ 2/3 + 1/2+ 1/2 1/31/3

d, s, d, s, bb

- 1/3- 1/3 - 1/2- 1/2 1/31/3

Propriedades do quark Propriedades do quark toptop

Massa do top ?Massa do top ?

SM não prevê massas dos quarks SM não prevê massas dos quarks são meros “inputs” são meros “inputs” Medidas EW dependem apenas de 3 parâmetros: Medidas EW dependem apenas de 3 parâmetros: , G, GF F e Me MZZ (na ordem mais baixa)(na ordem mais baixa)

Com correcções EW Com correcções EW alguns parâmetros dependem de m alguns parâmetros dependem de mtoptop

““Global EW Fit” junta medidas EW + valores experimentais Global EW Fit” junta medidas EW + valores experimentais num ajuste num ajuste 22 estimativas para parâmetros que ainda não estimativas para parâmetros que ainda não foram medidosforam medidos

MMtoptop = 178 = 178+10.4+10.4-8.3-8.3 GeV/c GeV/c22 (PDG 2002 sem medições (PDG 2002 sem medições

directas)directas)

Propriedades do quark Propriedades do quark toptop

Produção do quark topProdução do quark top Processos fortesProcessos fortes

Aniquilação quark-antiquark (qqbarAniquilação quark-antiquark (qqbarttbar)ttbar)

Fusão de dois gluões (ggFusão de dois gluões (ggttbar)ttbar)

Produção do quark topProdução do quark top Processos fracosProcessos fracos

q qbar q qbar t bbar (troca de W no canal s) t bbar (troca de W no canal s)

q b q b q’ t (troca de W no canal t) q’ t (troca de W no canal t)

g b g b t W t W

Produção do quark topProdução do quark top ExperimentalExperimental

Colisões p pbarColisões p pbar

Tevatron (Fermilab) – Run I (Tevatron (Fermilab) – Run I (s = 1.8 TeV) já s = 1.8 TeV) já produziu o topproduziu o top

Run II (Run II (s = 1.96 TeV) off-s = 1.96 TeV) off-lineline

LHC (CERN) – LHC (CERN) – s até 14 TeV – (só em 2007)s até 14 TeV – (só em 2007)

Produção do quark topProdução do quark top ExperimentalExperimental

Colisões eColisões e+ + ee- - (aceleradores lineares)(aceleradores lineares)

GLC (Japão) - GLC (Japão) - s até 1 TeVs até 1 TeV NLC (Stanford) - NLC (Stanford) - s até 1.5 TeVs até 1.5 TeV Tesla (Alemanha) - Tesla (Alemanha) - s até 0.5 TeVs até 0.5 TeV CLIC (CERN) – em fase de projecto (pós-LHC)CLIC (CERN) – em fase de projecto (pós-LHC)

Decaimentos do topDecaimentos do top Admitindo 3 gerações de quarks, o SM prevê que o top Admitindo 3 gerações de quarks, o SM prevê que o top

decaia exclusivamente pelo processo fraco: decaia exclusivamente pelo processo fraco: t t W b’W b’ (com b’ = V(com b’ = Vtdtd d + V d + Vtsts s + V s + Vtbtb b) b)

Matriz CKM (PDG 2002)Matriz CKM (PDG 2002)

0.9990 < Vtd < 0.99930.9990 < Vtd < 0.9993 0.0370 < Vts < 0.04400.0370 < Vts < 0.0440 0.0040 < Vtd < 0.01400.0040 < Vtd < 0.0140

Colaboração CDF: VColaboração CDF: Vtbtb = 0.97 = 0.97+.15+.15-.12-.12

t W b é dominante

Largura do topLargura do top Cálculo a partir do elemento de matriz Cálculo a partir do elemento de matriz

Correcção QCD Correcção QCD QCDQCD

00 1.7561.756 1.5551.555QCDQCD 1.3961.396

GeV

Tempo de vida do topTempo de vida do top

toptop = = //cc22

Tempo de hadronizaçãoTempo de hadronização – tempo que uma partícula que se – tempo que uma partícula que se move à velocidade da luz demora a atravessar um hadrão move à velocidade da luz demora a atravessar um hadrão (~1 fm)(~1 fm)

tthadhad = 3.33 = 3.331010-24-24 s > s > toptop Top não hadronizaTop não hadroniza

Não existem estados ligados (mesões, bariões) com o Não existem estados ligados (mesões, bariões) com o toptop

00 3.753.751010-25-25 s s 4.234.231010-25-25 s s QCDQCD 4.714.711010-25-25 s s

DetectoresDetectores CDF – CDF – identifica os quarks b com grande identifica os quarks b com grande

precisão (pixels de silicone de alta resolução na precisão (pixels de silicone de alta resolução na zona da colisão) zona da colisão)

DetectoresDetectores DD - - obtém medições precisas das energias obtém medições precisas das energias

das partículas recorrendo a calorímetros com das partículas recorrendo a calorímetros com grande resolução. Não tem campo magnético grande resolução. Não tem campo magnético central.central.

Estados finaisEstados finais Os estados finais do decaimento, t tbar Os estados finais do decaimento, t tbar W b W W b W

bbar, dependem do decaimento do W. bbar, dependem do decaimento do W.

W W leptao + antineutrino (ou antileptao e leptao + antineutrino (ou antileptao e neutrino)neutrino)

W W q q’bar (ou qbar q’) q q’bar (ou qbar q’)

11 qq’bar b q’’ q’’’bar bbarqq’bar b q’’ q’’’bar bbar ““All-jets”All-jets”22 qq’bar lqq’bar lbar bbar + bar bbar +

inversoinverso““Lepton+ jets”Lepton+ jets”

33 lbar lbar b l b l bar bbarbar bbar ““Dilepton”Dilepton”

Estados finais e ajuste de Estados finais e ajuste de mmtt

Cada canal tem 6 partículas no estado final Cada canal tem 6 partículas no estado final 18 variáveis 18 variáveis pptt do estado inicial (ttbar) e do estado final do estado inicial (ttbar) e do estado final + 2 + 2

variáveisvariáveis Restrições: reduzem para 15 o número de variáveisRestrições: reduzem para 15 o número de variáveis pptt dos neutrinos calculado pela diferença entre estado dos neutrinos calculado pela diferença entre estado

inicial e o finalinicial e o final ““All-jets” – 20 medições para 15 variáveisAll-jets” – 20 medições para 15 variáveis ““lepton + jets” – 17 medições para 15 variáveislepton + jets” – 17 medições para 15 variáveis ““dilepton” – 14 medições para 15 variáveis dilepton” – 14 medições para 15 variáveis introduz-se introduz-se

mmtt (para cada evento usam-se vários valores (para cada evento usam-se vários valores distrib. distrib. máx. veros.) máx. veros.)

Massa do top Massa do top (experimental)(experimental)

Resultados CDF e DResultados CDF e D

CanalCanal MMtt (GeV/c (GeV/c22)) Colab.Colab.

““dilepton”dilepton”168 168 12.3 12.3

3.63.6DD

167.4 167.4 10.3 10.3 4.84.8

CDFCDF

““all-jets”all-jets” 186 186 10.0 10.0 5.75.7

CDFCDF

““lepton + lepton + jets”jets”

176.1 176.1 5.1 5.1 5.35.3

CDFCDF

173.3 173.3 5.6 5.6 5.55.5

DD

Massa do top Massa do top (experimental)(experimental)

Resultado “Top averaging group” – CDF e Resultado “Top averaging group” – CDF e DD

MMtt = 174.3 = 174.3 5.1 GeV/c 5.1 GeV/c22

Comparando com o valor do “Global EW Comparando com o valor do “Global EW Fit”Fit”

MMtt = 178 = 178+10.4+10.4-8.3-8.3 GeV/c GeV/c22

Massa do top - FuturoMassa do top - Futuro LHC LHC - - s até 14 TeV, £ = 10 fbs até 14 TeV, £ = 10 fb-1-1/ano. /ano. São esperados 8São esperados 8101066 pares de ttbar/ano pares de ttbar/ano Reduzir incerteza para Reduzir incerteza para MMtt~1 a 2 GeV~1 a 2 GeV

Aceleradores linearesAceleradores lineares – estudar a região limite – estudar a região limite s = 2Ms = 2Mt t

Reduzir incerteza para Reduzir incerteza para MMtt~200 MeV~200 MeV

Melhorar “Global EW Melhorar “Global EW Fit”Fit”