Universita' degli Studi di Torino Studio della reazione pp qqW L W L qq qq al rivelatore CMS ad LHC Gianluca CERMINARA.

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1 Universita' degli Studi di Torino Studio della reazione pp qqW L W L qq qq al rivelatore CMS ad LHC Gianluca CERMINARA

2 22/09/2003 Gianluca Cerminara Rottura di Simmetria Nel Modello Standard le masse delle particelle sono introdotte attraverso il meccanismo della rottura spontanea di simmetria. Rottura della simmetria elettrodebole I bosoni vettoriali W ± e Z acquisiscono la massa accoppiandosi al campo di Higgs: Prima: Prima: – 3 bosoni vettoriali con m = 0 x 2 stati di polarizzazione (V T ) – 4 campi reali i Totale = 10 d.o.f. Dopo: Dopo: – 3 bosoni vettoriali con m 0 x 3 stati di polarizzazione (V L +V T ) – 1 bosone scalare (Bosone di Higgs) 3 bosoni di Goldstone 3 d.o.f. longitudinali V L W L +, W L -, Z L

3 22/09/2003 Gianluca Cerminara Diffusione di Bosoni W L Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo W L W L viola l'unitarieta' all'energia critica: s c 1.2 TeV Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

4 22/09/2003 Gianluca Cerminara Diffusione di Bosoni W L Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo W L W L viola l'unitarieta' all'energia critica: s c 1.2 TeV Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

5 22/09/2003 Gianluca Cerminara Il Bosone di Higgs H WW canale di decadimento principale per m H alta. H WW canale di decadimento principale per m H alta. Fusione gluone-gluone principale meccanismo di produzione Fusione gluone-gluone principale meccanismo di produzione Fusione WW importante per alte masse dell'Higgs Fusione WW importante per alte masse dell'Higgs Meccanismi di produzione in urto p-p Rapporti di decadimento La fusione di bosoni vettoriali e' quindi un canale interessante per lo studio del bosone di Higgs nel caso in cui m H sia grande.

6 22/09/2003 Gianluca Cerminara Diffusione di bosoni W L Studio della fusione di bosoni vettori W come metodo investigativo della rottura di simmetria elettrodebole Nuovi fenomeni devono essere osservati entro la scala di energia di 1 TeV: – La sezione d'urto deviera' dalle previsioni del Modello Standard – Nel caso del bosone di Higgs osserveremo una risonanaza a M WW = M H altrimenti pp qqW L W L qq l qq Obiettivi del presente lavoro: Verificare se sia possibile estrarre il segnale dai possibili fondi Verificare se sia possibile estrarre il segnale dai possibili fondi Determinare la risoluzione sulla misura della sezione d'urto in funzione della massa invariante del sistema WW ( WW vs M WW ) Determinare la risoluzione sulla misura della sezione d'urto in funzione della massa invariante del sistema WW ( WW vs M WW )

7 22/09/2003 Gianluca Cerminara Il segnale Segnatura sperimentale: Un muone ad alto P T Un muone ad alto P T E T mancante (neutrino non rivelato) E T mancante (neutrino non rivelato) 2 jet dal decadimento del W 2 jet dal decadimento del W 2 jet spettatori (''jet tag'') 2 jet spettatori (''jet tag'') Stato finale a 6 fermioni jet spettatori I jet spettatori permettono di distinguere la fusione di bosoni W da altri meccanismi di produzione di coppie di W Topologia: Due quark dei protoni emettono un bosone vettoriale. I due bosoni interagiscono dando nello stato finale due bosoni W. Uno di questi decade leptonicamente l'altro in una coppia di quark. Due quark dei protoni emettono un bosone vettoriale. I due bosoni interagiscono dando nello stato finale due bosoni W. Uno di questi decade leptonicamente l'altro in una coppia di quark. q spett q q

8 22/09/2003 Gianluca Cerminara 6 x 10 -2 53 k m H = 500 GeV m H = 750 GeV 54 k 4 x 10 -2 3 x 10 -2 54 k m H = 1000 GeV No Higgs case 55 k 2 x 10 -2 Il segnale Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di masse dell'Higgs pesante Campioni N o di eventi generato Sezione d'urto (pb) Nel Modello Standard m H < 1000 TeV

9 22/09/2003 Gianluca Cerminara 6 x 10 -2 53 k m H = 500 GeV m H = 750 GeV 54 k 4 x 10 -2 3 x 10 -2 54 k m H = 1000 GeV No Higgs case 55 k 2 x 10 -2 Il segnale ''No Higgs case'' simulato usando: m H = 2000 GeV m H = 2000 GeV m H = 10000 GeV m H = 10000 GeV Campioni N o di eventi generato Sezione d'urto (pb) Situazione sperimentalmente piu' difficile sulla quale focalizziamo l'attenzione

10 22/09/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali Fondo ttbar W+jj WW Singolo W N o eventi generati Sezione d'urto (pb) 510 k 624.00 30 k 77.00 11.19 135 k 597 k 184885.00 pp tt WW bb + X qq

11 22/09/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali Fondo ttbar W+jj WW Singolo W N o eventi generati Sezione d'urto (pb) 510 k 624.00 30 k 77.00 11.19 135 k 597 k 184885.00 pp W+ q/g+q/g + X

12 22/09/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali Fondo ttbar W+jj WW Singolo W N o eventi generati Sezione d'urto (pb) 510 k 624.00 30 k 77.00 11.19 135 k 597 k 184885.00 pp WW + X qq

13 22/09/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali Fondo ttbar W+jj WW Singolo W N o eventi generati Sezione d'urto (pb) 510 k 624.00 30 k 77.00 11.19 135 k 597 k 184885.00 pp W + X qq

14 22/09/2003 Gianluca Cerminara Simulazione degli eventi Generazione degli eventi PYTHIA: Segnale Segnale Fondo ttbar Fondo ttbar Fondo WW Fondo WW Fondo singolo W Fondo singolo W CompHEP: Fondo W+jj Fondo W+jj Eventi pesati: W = L N gen Muoni identificati nell'intervallo di pseudorapidita':- 2.4 < < 2.4 Muoni identificati nell'intervallo di pseudorapidita':- 2.4 < < 2.4 Ricostruzione dei jet: Ricostruzione dei jet: – Intervallo di pseudorapidita':- 5 < < 5 – Algoritmo a cono: R = 0.5 – P T > 10 GeV No pile- up degli eventi No pile- up degli eventi Simulazione del rivelatore CMSJET simulazione veloce del rivelatore

15 22/09/2003 Gianluca Cerminara Selezione degli eventi Muone Indispensabile per identificare il decadiemto leptonico del W Indispensabile per identificare il decadiemto leptonico del W Criterio di selezione: Criterio di selezione: – P T > 30 GeV – | | < 2.4 – maggiore impulso trasverso Neutrino Ricostruzione del quadrimpulso del neutrino: Ricostruzione del quadrimpulso del neutrino: – P T = P T miss P T > 30 GeV – P z calcolato imponendo: m W = 80.45 GeV W = 2.14 GeV W = 2.14 GeV (p + p ) 2 = m W 2 – Scelta della soluzione con P Z minore Selezione dei leptoni dal decadimento W Muone Neutrino 88 % 60 % 72 % 55 % 67 % 41 % 63 % 84 % 37 % 89 % SegnalettbarW+jjWW Singolo W

16 22/09/2003 Gianluca Cerminara Selezione degli eventi W ricostruito 1 o 2 jet. Criterio di selezione: Criterio di selezione: – P T jet > 30 GeV – | jet | < 3 – 60 GeV < M W < 110 GeV – P T W piu' alto Jet dal decadimento: W qq Distribuzione di pseudorapidita' quark del segnale. Differenza di pseudorapidita' tra i jet del W e i jet in avanti: Differenza di pseudorapidita' tra i jet del W e i jet in avanti: – jW-jt > 1 Efficienze ---- 14 % 26 % 57 % SegnalettbarW+jjWW Singolo W Impulso trasverso dei bosoni W ricostruiti: Impulso trasverso dei bosoni W ricostruiti: – P T Wqq > 100 GeV

17 22/09/2003 Gianluca Cerminara Selezione degli eventi Richiesta di una coppia di jet ad alta pseudorapidita': Richiesta di una coppia di jet ad alta pseudorapidita': P T > 20 GeV P T > 20 GeV j1 x j2 < 0 j1 x j2 < 0 1.5 < | j1 | < 5 o 1.5 < | j2 | < 5 1.5 < | j1 | < 5 o 1.5 < | j2 | < 5 | j1 - j2 | > 3 | j1 - j2 | > 3 Selezione dei jet spettatori. Oppure Richiesta di un solo jet ad alta pseudorapidita': Richiesta di un solo jet ad alta pseudorapidita': P T > 20 GeV P T > 20 GeV | | > 2 | | > 2 – Veto sui jet centrali: nessun jet con P T > 20 GeV P T > 20 GeV | | < 3 | | < 3 Massa invariante sistema di quark in avanti: Massa invariante sistema di quark in avanti: M(jt1+jt2) > 550 GeV Jet tag 79 % Segnalet-tbarW+jjWW Singolo W M jet tag 87 % 29 % 52 % 89 % ~ 0 % 21 % 14 % 25 % 29 %

18 22/09/2003 Gianluca CerminaraEfficienze Efficienza di segnale integrata tra 0 GeV < M WW < 2000 GeV : ~20 % Efficienza di segnale integrata tra 0 GeV < M WW < 2000 GeV : ~20 % Efficienza di segnale per M WW > 800 GeV: ~40- 50 % Efficienza di segnale per M WW > 800 GeV: ~40- 50 % Particolarmente interessante nel caso in cui l'Higgs non esista. Efficienza fondi: < 0.5 % Efficienza fondi: < 0.5 %

19 22/09/2003 Gianluca CerminaraRisultati La risoluzione sulla ricostruzione della massa invariante WW da 200 GeV a 2000 GeV e': La risoluzione sulla ricostruzione della massa invariante WW da 200 GeV a 2000 GeV e': ~ 8 % ~ 8 % Risoluzione sulla massa invariante WW r WW = M WW rec -M WW gen M WW gen Ma pile-up non considerato L = 100 fb -1 Buona sensibilita' alla dipendenza del segnale da m H Buona sensibilita' alla dipendenza del segnale da m H

20 22/09/2003 Gianluca CerminaraRisultati Numero di eventi vs M WW L = 100 fb -1 No Higgs case S = 119 S/ B 2.5 S/ B 2.5 per M WW > 1 TeV: necessari 3 o 4 anni ad alta luminosita' per esplorare la regione ad alte masse. S/ B 2.5 per M WW > 1 TeV: necessari 3 o 4 anni ad alta luminosita' per esplorare la regione ad alte masse. Necessari ulteriori studi per migliorare il rapporto segnale rumore. Necessari ulteriori studi per migliorare il rapporto segnale rumore. Necessari campioni Monte Carlo piu' grandi. Necessari campioni Monte Carlo piu' grandi.

21 22/09/2003 Gianluca CerminaraConclusioni Misura della sezione d'urto per la fusione W L W L ad LHC possibile oltre la scala di energia (M WW ) del TeV. Misura della sezione d'urto per la fusione W L W L ad LHC possibile oltre la scala di energia (M WW ) del TeV. Buona risoluzione su M WW : ~ 10 % Buona risoluzione su M WW : ~ 10 % Alta luminosita' richiesta. Alta luminosita' richiesta. Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi per essere sensibili alla possibile nuova fisica. Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi per essere sensibili alla possibile nuova fisica.