Neben der Top-Quark-Paar-Produktion stellt am LHC auch die Produktion einzelner Top-Quarks über die schwache Wechselwirkung eine wichtige Quelle von Top-Quarks dar. Dabei spielen die folgenden drei Subprozesse eine Rolle:

t-Kanal-Austausch		assozierte Wt-Produktion		s-Kanal-Austausch

Warum sind einzelne Top-Quarks interessant?

Der Nachweis der Einzel-Top-Quark-Prozesse ist von großem Interesse, weil deren Wirkungsquerschnitt proportional zum Betragsquadrat des Elements V_tb der Cabbibo-Kobayashi-Maskawa-Quarkmischungs-Matrix (CKM-Matrix) ist und die beste Möglichkeit bietet, |V_tb| experimentell modellunabhängig zu bestimmen. Die CKM-Matrix überführt die Masseneigenzustände der Down-Typ-Quarks (d, s, b) in die Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung und gibt effektiv die Kopplungsstärke von Quark-Antiquark-Paaren verschiedenen Flavors an das W-Boson an.

Im Standardmodell wird |V_tb| ≈ 1 vorhergesagt, eine signifikante Abweichung nach unten könnte auf eine vierte Generation von Quarks hinweisen. Eine größere Rate von einzeln produzierten Top-Quarks könnte auf zusätzliche Produktionsmechanismen jenseits des Standardmodells hindeuten, z.B. auf flavour-ändernde neutrale Ströme oder neue schwere Eichbosonen (W').

Die Entdeckung am Tevatron

Der Nachweis der Einzel-Top-Quark-Produktion gelang erst im März 2009 am Tevatron, 14 Jahre nach der Entdeckung des Top-Quarks im Prozess der Top-Antitop-Quark-Paarproduktion. Das Problem beim Nachweis einzelner Top-Quarks ist der sehr viel größere Untergrund, der von den Tevatron-Experimenten CDF und D0 nur durch den Einsatz multivariater Methoden, die die gesamte in den Kollisionsereignissen enthaltene Information ausnutzen, vom Signal abgetrennt werden konnte. Prof. Wagner und Dr. Hirschbühl von der Wuppertaler Teilchenphysik-Gruppe waren in führender Rolle an der CDF-Analyse mit neuronalen Netzen beteiligt.

Einzelne Top-Quarks am LHC

Im Jahr 2011 gelang unserer Wuppertaler Arbeitsgruppe auch die Beobachtung der Einzel-Top-Quark-Produktion mit dem ATLAS-Detektor am LHC. Unsere Ergebnisse wurden auf der PLHC Konferenz (ATLAS-CONF-2011-088) und der EPS-HEP Konferenz (ATLAS-CONF-2011-101) vorgestellt. Diese erste Beobachtung des Einzel-Top-Quark-Prozesses am LHC stößt die Tür zu einem neuen Forschungsgebiet auf, denn nun steht eine große Anzahl an Einzel-Top-Quark-Ereignissen zur Verfügung, die es erlaubt, die Eigenschaften der in diesem Prozesse erzeugten Top-Quarks genauer zu untersuchen.

Beteiligte Wissenschaftler

Dipl.-Phys. Kathrin Becker
Dr. Dominic Hirschbühl
Dipl.-Phys. Philipp Sturm
B.Sc. Phillipp Tepel
Prof. Dr. Wolfgang Wagner

Weitere Informationen zu einzelnen Top-Quarks

• Beobachtung einzelner Top-Quarks bei CDF
• Beobachtung einzelner Top-Quarks bei D0
• Separate Suche nach t-Kanal und s-Kanal Produktion bei CDF
• Erste Vorhersage des t-Kanal-Prozesses in der Literatur