Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen, es hat so viel Masse wie ein Wolfram-Atom und ist somit 40 mal schwerer als das nächste-schwerere Elementarteilchen, das Bottom-Quark. Diese Eigenschaft macht das Top-Quark zu einem hochspannenden Forschungsobjekt, denn es bietet einen Zugang zur Physik bei hohen Energieskalen und kann so eine Brücke zu neuen Phänomenen bieten.

Durch seine große Masse hat das Top-Quark eine sehr kleine Lebensdauer, so dass es zerfällt bevor sich Hadronen bilden können. Bei der Produktion oder im Zerfall auftretende Polarisationseffekte werden daher an die Zerfallsprodukte weitergegeben und sind experimentell zugänglich. Diese Besonderheit hebt das Top-Quark von den anderen Quarks ab.

Der wichtigste Prozess zur Produktion von Top-Quarks in Hadronkollisionen ist die Erzeugung von Top-Antitop-Quark-Paaren. In Störungstheorie auf Born-Niveau tragen dazu zwei Subprozesse bei, die Quark-Antiquark-Annihilation und die Gluon-Gluon-Fusion, deren Feynman-Diagramme hier abgebildet sind:

Produktion von Top-Antitop-Paaren jenseits des Standardmodells

Die Top-Quark-Masse hat die gleiche Größenordnung wie die Skala der elektroschwachen Symmetriebrechung. Deswegen spielt das Top-Quark in Modellen der elektroschwachen Symmetriebrechung jenseits des Standardsmodells eine besondere Rolle. Es werden z.B. neue, sehr schwere Eichbosonen mit einer Masse von einigen TeV (1012 eV) vorhergesagt. In bestimmten Modellen koppeln diese neuen Teilchen bevorzugt anTop-Quarks. Experimentell zeigt sich dieser zusätzliche Produktionsmechnismus von Top-Quark-Paaren in einer Abweichung der Verteilung der invarianten Masse des Top-Antitop-Quark-Paares von der Standardmodellerwartung.

Unsere Wuppertaler Analyse konzentriert sich auf den semileptonischen Zerfallskanal der Top-Antitop-Paare. Man erwartet Ereignisse mit einem hochenergetischen Elektron oder Muon, vier Quark-Jets und einem Neutrino. Aufgrund der hohen Masse der Resonanz, sind die Zerfallsprodukte der Top-Quarks sehr stark kollimiert. So werden z.B. die Quarks aus dem hadronisch zerfallenden Top-Quark bzw. W-Boson teilweise in einem Jet rekonstruiert. Die experimentelle Herausforderung besteht in der Selektion und Rekonstruktion solcher Ereignisse, weil der vorhergesagte Produktionswirkungsquerschnitt der neuen Eichbosonen im Vergleich zum Standardmodell-Produktionswirkungsquerschnitt der Top-Quark-Paare sehr gering ist. Vorbereitende Studien für die Analyse wurden in der öffentlichen ATLAS-Note ATL-PHYS-PUB-2010-008 (Titel: Prospects for top anti-top resonance searches using early ATLAS data) dokumentiert.

Beteiligte Wissenschaftler

Dipl.-Phys. Thorsten Boek
Dipl.-Phys. Tatjana Lenz
Dipl.-Phys. Markus Mechtel
Dr. Thorsten Kuhl
Prof. Dr. Peter Mättig
Priv.-Doz. Dr. Daniel Wicke