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Studio della rottura spontanea di simmetria mediante la fusione di bosoni vettori nellambito dellesperimento CMS Relatrice Dott.ssa C.Mariotti Co-relatore.

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1 Studio della rottura spontanea di simmetria mediante la fusione di bosoni vettori nellambito dellesperimento CMS Relatrice Dott.ssa C.Mariotti Co-relatore Dott. A.Ballestrero Candidata S.Bolognesi

2 EWSB e il problema della massa invarianza di Gauge SU(2) U(1) EM doppietto scalare complesso di SU(2) Potenziale scalare ( >0, <0) il cui minimo (= stato di vuoto) si ha per SU(2) 3 bosoni di Goldstone i 1 campo scalare fisico (v = valore di aspettazione del vuoto) Gauge generico Gauge unitario 4 campi di Gauge si combinano nei bosoni vettori noti: W,Z massivi, fotone massless 1 campo scalare fisico -> Higgs 4 campi di Gauge W i,B U(1) o ×

3 V V LHiggs e lunitarieta Il processo W + L W - L ->W + L W - L viola lunitarieta in assenza di Higgs Dunque studiando questo processo sara possibile avere informazioni sullEWSB Lo stesso andamento al crescere dellenergia si ha per (NO canale T) (NO canale s) (NO canale s, MA canale u) canale Scanale T QGC V V V V VV -> VV Processo di fusione di bosoni vettori

4 Fusione di bosoni vettori Studiare il processo di fusione di bosoni vettori permette dunque di analizzare il problema dellEWSB con un approccio indipendente da qualunque modellistica: tenere sotto controllo il processo sensibile alla violazione dellunitarieta i.e. conoscere il piu precisamente possibile le previsioni del MS per restare in ascolto per ogni possibile deviazione da tali previsioni (VV -> VV) vs M(VV) M(VV) = M(H) Higgs leggero risonanza nello spettro in corrispondenza di Higgs pesante e lunitarieta richiede M(H) < 1 TeV assenza di Higgs nuova fisica ad una scala s < 1.5 TeV per conservare luniterieta Nel presente studio si vuole dunque - studiare lo spettro previsto dal MS nei diversi scenari - far emergere tale spettro da quello di fondo (riducibile ed irriducibile) risonanza molto larga ~ ~

5 Gli scenari considerati se si considera il processo completo pp->qq->qqWV->qqWV->qqqqln (o diversi stati finali) landamento divergente sara coperto da diversi fattori: - PDF - bosoni entranti off-shell - bosoni non polarizzati … - Si vogliono considerare diverse masse dellHiggs - Il caso di assenza di Higgs e stato simulato spegnendo tutti i suoi accoppiamenti il teorema di violazione dellunitarieta e valido a rigore solo per i nudi processi individuazione di strategie per far emergere le conseguenze di tale andamento divergente per alti valori di M(VV) e distinguerlo dallandamento nel caso di presenza di Higgs con M(H)=500 selezione di queste larghe risonanze sul fondo continuo M(H) (H) ~10 ~50~120 OBIETTIVO: di fusione con bosoni longitudinali on-shell, (GeV)

6 MC & approssimazioni (EVBA) sez.durto per scattering di bosoni vettori EffectiveVectorBosonApproximation (M(VW)>>M W,~M H ) distribuzione di probabilita di emissione di bosoni vettori dai protoni In tale approssimazione si trascurano diagrammi di tipo bremsstrahlung o non risonanti bosoni ON-SHELL Higgs TGC QGC segnale VV-fusion (PYTHIA)

7 MC & approssimazioni (V L,V T ) In tale approssimazione si considerano solo i bosoni polarizzati longitudinalmente poiche solo questi si accoppiano allHiggs e quindi sono sensibili alla violazione dellunitarieta (PYTHIA) M(H)=500 GeV NoHiggs W ±,Z,(A) m V 0 W i,B m V = 0 EWSB: Higgs A(W L W L ->H->W T W T ) = - A(W T W T ->H->W L W L ) A(W T W T ->H->W T W T ) = 0 A(WW->WW) ~ VTVT V T V L 1 η(u) > -5.5 E(u,d,c,s,μ) > 20 GeV P t (u,d,c,s,μ) > 10 GeV 70< M(sc, μν) < 90 LL sottostima A(W L W L ->W L W L ) A(W L W T ->H->W L W T ) = 0

8 MC & approssimazioni (produzione per decadimento) poi fatti decadere nel narrow width limit Si considerano tutti i diagrammi con bosoni uscenti on shell (MADEVENT) prod.per decadim. sovrastima

9 PHASE PHact Adaptive Six Fermion Event generator e il primo MC che calcola lelemento di matrice esatto per il processo completo qq->qqqqln O( EW 6 ) Nel calcolo completo si evidenziano enormi interferenze fra i diversi set di diagrammi i quali separatamente non risultano neppure Gauge invarianti tutti i possibili diagrammi devono allora essere considerati, alcuni esempi: segnale: VV -> VW un bosone uscente tre bosoni uscenti due bosoni uscenti fondo irriducibile (~ 250 processi)

10 STUDI PARTONICI

11 Definizione di segnale - taglio contro contributo di top: - richiesti due bosoni (WW o WZ) nello stato finale: in caso di ambiguita (es. ud->uddu ) si sceglie la combinazione piu vicina alla massa nominale del bosone si richiede il giusto flavour per i quark - taglio contro terzo bosone nello stato finale Date le interferenze tra segnale e fondo irriducibile (i.e. stesso stato iniziale e finale) -> la definizione di segnale deve essere data a posteriori 160 < M(bqq,b ) < 190 (GeV) [ 80 < M(qq) < 100 (GeV) || 70 < M(qq) < 90 (GeV) ] && [ 70 < M( ) < 90 (GeV) ] [ 80 < M(qq) < 100 (GeV) || 70 < M(qq) < 90 (GeV) ] sui due quark rimasti

12 Fondo irriducibile b t b W W V qq diagrammi di top singolo o doppio 72 % della sezione durto generata (nh) (pura EW) diagrammi NON risonanti QGC e Higgsstralhung 5% della sezione durto generata (nh)

13 Sezioni durto M(H) = 500 GeV 0.18 pb top altro fondo irriducibile segnale0.16 pb 0.49 pb 0.04 pb NO Higgs (singolo o doppio) totale 0.71 pb0.69 pb ENORME CONTRIBUTO FONDO IMPORTANTE

14 Divisione in sottoprocessi (1) Non si puo a priori separare i diversi contributi (a la pythia) poiche questi possono interferire tra loro quando danno luogo allo stesso stato iniziale e finale W+W- -> W+W- W-W- -> W-W- & C.C. ZZ -> W+W- ZW->ZW es. bb -> bbcs es. cb->cbcs - es. ud multiple-counting !!! udcs udZZ udW + W - M(H) = 500 GeV

15 Divisione in sottoprocessi (2) Tagli appositi di selezione per i diversi contributi -> multiple counting si e richiesta la giusta combinazione in flavour e segno in pz fra i quarks entranti ed uscenti p z (u IN ) * p z (u OUT ) > 0 p z (d IN ) * p z (d OUT ) > 0 ZZ -> W + W - W + W - -> W + W - In questo modo si perdono rispetto al segnale gli eventi in cui i due quarks tag non hanno segno opposto in p z (3%) p z (u IN ) * p z (u OUT ) < 0 p z (d IN ) * p z (d OUT ) < 0 es. u IN d IN ->u OUT d OUT cs -

16 Confronto con PYTHIA PYTHIA: solo polarizzazione longitudinale, Breit-Wigner per il decadimento EVBA=> bosoni on-shell, sottostima dello stato finale WZ per M(H)=500 diversita nella topologia del segnale WZ / totale PYTHIAPHASE M(H)=500 GeV no Higgs

17 noHiggs/M(H)=500 ad alta M(VV) La chiave dellEWSB sta nella divergenza della sezione durto VV->VW in assenza di Higgs (<= violazione unitarieta) importante distinguere le code in presenza od assenza di Higgs secondo le previsioni dello SM per avere informazioni sul meccanismo di conservazione dellunitarieta I due casi non saranno mai osservati contemporaneamente ma dobbiamo poter distinguere a quale delle due categorie appartiene lo spettro dei dati (fb) eventi 1y low lumi1y high lumi per M(VW)>1000 GeV

18 V L V L vs V T V T ad alta M(VV) Tagli che eliminino il fondo TT per avere uno spettro di soli LL (a la pythia) tuttavia non e possibile separare LL e TT in fase di generazione in un conto esatto (bosoni off-shell) tagli che eliminino la coda ad alta M(VV) per M(H)=500 (soli TT) conservandola pero nel caso di noHiggs (LL+TT) dove si vogliono preservare gli effetti di divergenza della violazione di uniterieta V L V L e V T V T -> M(H)=500 GeV e noHiggs bassa statistica: RETE NEURALE risultano avere una cinematica molto simile ad alta M(VV) (no Higgs) ~ 6.2 fb (M(H)=500) ~ 7.8 fb segnale con M(VW)>1000GeV... studio di alcune variabili cinematiche...

19 bosoni longitudinali: - bosoni centrali: - q tag con configurazione cinematica opposta basso eta grande pt No Higgs M(H)=500 GeV M(VW)>1000GeV - decadimento con piccoli angoli

20 Rete neurale Sono state studiate le correlazioni fra le diverse variabili -> scelto set di n variabili ottimale in potere separatore: La rete e stata esportata da ROOT nella forma di una classe c++ TMultiLayerPerceptron in ROOT: metodo di apprendimento BFGS con 2 layer nascosti di 2n, n neuroni WV qtag p T qtag cos Wl

21 Studi partonici previsti - RETE NEURALE - DIVISIONE IN CONTRIBUTI indagare piu a fondo landamento ad alta M(VV) per i diversi sottoprocessi applicare la rete ad un set di eventi diverso da quello usato per allenamento stabilire il taglio piu opportuno per accrescere il rapporto (noHiggs)/ (MH=500) ad alta M(VV) ma conservando una statistica accettabile

22 STUDI DI RICOSTRUZIONE

23 Dalla generazione alla ricostruzione PHASE file ascii con i quadrimomenti delle particelle adattamento al protocollo di LesHouches -> CMKIN adronizzazione con PYTHIA ntuple HEP101 FAMOS ROOTTree ROOT analisi generazione di eventi non pesati simulazione del rivelatore e ricostruzione degli eventi interfaccia diretta phase-pythia prima utente (validazione) il programma di ricostruzione diventera un esempio ufficiale nella prossima release di FAMOS software CMS Generazione fondi riducibili con PYTHIA, ALPGEN e MADEVENT

24 FAst MOntecarlo Simulation Simulazione veloce <= parametrizzazione del detector dal fit della simulazione completa (OSCAR+ORCA) FAMOS_1_2_0 : tracker -interazione con materiale non ancora perfettamente parametrizzata layer per layer calorimetria -manca la calibrazione dei jet per lalgoritmo K T (clustering) -le correzioni per lenergia mancante sono ottimizzate solo per jet di bassa energia efficienza algoritmo di B-tagging comunque ben simulata algoritmo a cono scarsa risoluzione sulle variabili cinematiche del neutrino tracciatore di muoni -non simulati bremsstralhung e shower, no depositi nel calorimetro la simulazione dellefficienza di ricostruzione e della risoluzione risultano piu che accettabili simulazioni ancora mancanti per questa analisi NO PILE-UP !! -manca lalgoritmo di isolamento possibile ottimizzazione ulteriore nella ricostruzione della topologia di segnale

25 p p q tag q q q q q tag W V V V Topologia di segnale 2 jet tag alta pseudorapidità alte energia e massa invariante 2 jet dal bosone vettore bassa pseudorapidita massa invariante ~ m V R limitato muone bassa pseudorapidita p T ~ m V /2 energia mancante E T ~ m W /2 (ricostruita) E Z calcolata imponendo M( )=m W TRIGGER !! I seguenti studi di ricostruzione della topologia di segnale sono stati realizzati con un campione di eventi senza Higgs.

26 Muone e neutrino: risoluzione Si sceglie il muone con massimo p T nellevento Imponendo si ottiene una equazione di secondo grado in p z -> si sceglie la soluzione maggiore in caso di assenza di soluzioni complesse se ne prende la parte reale

27 W leptonico: risoluzione p T > 20 GeV efficienza entrambi 81% 80% 73% p W t ricostruito – p W t generato p W t generato W ricostruito – W generato W generato

28 Jet: risoluzione Matching con i quark generati: 4 jets con p j t > 30 GeV R(j,q) < 1 per eliminare jet soffici da pile- up e rimasugli del protone IterativeConeAlgorithm MiddlePointConeAlgorithm KTAlgorithm RParameter DCut NJet massimizzazione dellenergia contenuta in un cono di dimensione fissata algo a clusthering: i singoli segnali calorimetrici sono associati ai jet a seconda del loro momento trasverso rispetto alla direzione dei jet stessi Calibrazione con eventi f f/g -> g/f + -> jet + Algoritmi di ricostruzione: M V ricostruita – M V generata M V generata

29 jet dal bosone e jet tag (p T >30 GeV) 2 jets con 50 100 GeV 40 % 42 % 58 % 56 % j1 × j2 < 0 j1 - j2 | > 2 j1 |>1.5 || | j2 | > 1.5

30 Fondo irriducibile: top Fra tutti i jet rimasti dopo aver ricostruito il bosone se P(b-tag) >110030 GeV) 100

31 Fondi previsti fondo irriducibile top singolo e doppio VW+qq PHASE PYTHIA O( QCD 4 EW 2 ) VW+j j -> j j qqmn O( QCD 2 EW 4 ) MADGRAPH V+j j -> j j mn in un ambiente adronico si hanno sempre jet aggiuntivi dai resti dei protoni e dal pile-up MADGRAPH da precedenti studi e stato appurato che singolo bosone e singolo top O( EW 4 ) non sono fondi problematici per il canale in esame studio e ottimizzazione di tagli contro questi fondi V+j j j j -> j j j j mn ALPGEN O( QCD 4 EW 2 ) (no jet pesanti) t t -> W + bW - b -> 1 + X O( EW 6 ) O( QCD 2 EW 2 )

32 Progetti STUDI PARTONICI Ottimizzazione della rete neurale per la distinzione di M(H)=500 GeV e noHiggs ad alta M(VW) Studio della coda dello spettro ad alta M(VW) separatamente per i diversi contributi STUDI DI RICOSTRUZIONE Generazione dei fondi non irriducibili ancora mancanti Studio di tagli di selezione del segnale contro questi fondi... grazie dellattenzione...


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