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Universita' degli Studi di Torino Facolta' di Scienze Matematiche Fisiche Naturali Corso di Laurea in Fisica A Study of the WW-fusion Process at CMS as.

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1 Universita' degli Studi di Torino Facolta' di Scienze Matematiche Fisiche Naturali Corso di Laurea in Fisica A Study of the WW-fusion Process at CMS as a Probe of Symmetry Breaking Relatore Dott.sa Chiara MARIOTTI Candidato Gianluca CERMINARA A.A. 2002/2003

2 11/07/2003 Gianluca Cerminara Rottura di Simmetria Nel Modello Standard le masse delle particelle sono introdotte attraverso il meccanismo dell 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 11/07/2003 Gianluca Cerminara Diffusione di Bosoni W L l'ampiezza di diffusione Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo W L W L viola l'unitarieta' viola l'unitarieta' all'energia critica: Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

4 11/07/2003 Gianluca Cerminara l'ampiezza di diffusione Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo W L W L viola l'unitarieta' viola l'unitarieta' all'energia critica: Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta' Diffusione di Bosoni W L

5 11/07/2003 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 meccanismo di produzione Fusione gluone-gluone 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 11/07/2003 Gianluca Cerminara Diffusione di Bosoni W L fusione di bosoni vettori W 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 M WW ) Determinare la risoluzione sulla misura della sezione d'urto in funzione della massa invariante del sistema WW ( WW vs M WW )

7 11/07/2003 Gianluca Cerminara Il Large Hadron Collider (LHC) Collisionatore protone-protone. Bassa luminosita': L = 2 x cm -2 s -1 Alta luminosita': L = 2 x cm -2 s -1 Energia nel centro di massa: = 14 TeV In fase di realizzazione al CERN Inizio presa dati prevista per il 2007

8 11/07/2003 Gianluca Cerminara Fisica ad LHC Alta luminosita' Alta luminosita' Alto rate di eventi Alto rate di eventi ''pile-up'': sovrapposizione di eventi nello stesso bunch crossing. ''pile-up'': sovrapposizione di eventi nello stesso bunch crossing. Interazioni multiple nello stesso urto p-p Interazioni multiple nello stesso urto p-p Sezioni d'urto interessanti ordini di grandezza piu' piccole di quelle dei processi di fondo Sezioni d'urto interessanti ordini di grandezza piu' piccole di quelle dei processi di fondo Acceleratore progettato per esplorare il meccanismo della rottura spontanea di simmetria.

9 11/07/2003 Gianluca Cerminara Fisica ad LHC In un collisionatore adronico lenergia iniziale dei partoni interagenti e determinata dalle PDF del protone, quindi: P z iniziale non noto mentre P T iniziale = 0. P z iniziale non noto mentre P T iniziale = 0. Centro di massa dellinterazione non a riposo nel laboratorio Centro di massa dellinterazione non a riposo nel laboratorio Per questo si usano quantita Lorentz invarianti: Momento trasverso: Momento trasverso: Pseudorapidita: Pseudorapidita:

10 11/07/2003 Gianluca Cerminara Il Segnale 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. 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 I jet spettatori permettono di distinguere la fusione di bosoni W da altri meccanismi di produzione di coppie di W q q spett q

11 11/07/2003 Gianluca Cerminara Il Segnale Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di masse dellHiggs pesante: – m H =500 GeV – m H =750 GeV – m H =1000 GeV No Higgs case, simulato usando: – m H =2000 GeV – m H =10000 GeV Nel Modello Standard m H 1000 GeV Situazione sperimentalmente piu difficile sulla quale focalizziamo lattenzione. quale focalizziamo lattenzione.

12 11/07/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali: ttbar Produzione di coppie top anti-top pp tt WWbb + X l l qq Topologia: Topologia: Nell'interazione di un quark ed un anti-quark, o di due gluoni, del protone si forma una coppia t-tbar. Questi quark subito decadono in un quark b e un bosone W. Segnatura sperimentale: Segnatura sperimentale: – 2 jet dal decadimento del W – 2 leptoni o due jet dal decadimento dell'altro W – 2 jet dall'adronizzazione dei due b-quark BR(t Wb) 100 % g/q

13 11/07/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali: ttbar Produzione di coppie top anti-top Topologia: Topologia: Nell'interazione di un quark ed un anti-quark, o di due gluoni, del protone si forma una coppia t-tbar. Questi quark subito decadono in un quark b e un bosone W. Segnatura sperimentale: Segnatura sperimentale: – 2 jet dal decadimento del W – 2 leptoni o due jet dal decadimento dell'altro W – 2 jet dall'adronizzazione dei due b-quark g/q No Higgs case

14 11/07/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali: ttbar Produzione di coppie top anti-top Topologia: Topologia: Nell'interazione di un quark ed un anti-quark, o di due gluoni, del protone si forma una coppia t-tbar. Questi quark subito decadono in un quark b e un bosone W. Segnatura sperimentale: Segnatura sperimentale: – 2 jet dal decadimento del W – 2 leptoni o due jet dal decadimento dell'altro W – 2 jet dall'adronizzazione dei due b-quark No Higgs case g/q

15 11/07/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali: Wjj Topologia: Topologia: Due partoni dei protoni interagiscono producendo un bosone W e due quark/gluoni. Produzione di un bosone W + 2 jet pp W+ q/g+q/g + X Segnatura sperimentale: Segnatura sperimentale: – Muone e E T dal decadimento del W – Jet a bassa pseudorapidita' Quando vengono ricostruiti piu' di due jet lo stato finale diventa simile a quello del segnale. g/q No Higgs case

16 11/07/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali: WW Topologia: Topologia: Produzione di una coppia di bosoni W dall'interazione di due partoni del protone. Uno dei due bosoni decade leptonicamente l'altro adronicamente. Segnatura sperimentale: Segnatura sperimentale: – 2 jet dal W che decade adronicamente – 1 muone dal W che decade leptonicamente – Energia mancante E T (neutrino non rivelato) – NO jet spettatori. Produzione di coppie di bosoni W pp WW + X qq g/q

17 11/07/2003 Gianluca Cerminara I fondi principali: singolo W Topologia: Topologia: Nell'interazione di due partoni viene prodotto un bosone W che decade leptonicamente o adronicamente Segnatura sperimentale: Segnatura sperimentale: – Una coppia di leptoni o di quark dal decadimento del bosone W Produzione di un singolo bosone W qq pp W + X

18 11/07/2003 Gianluca Cerminara Simulazione degli eventi Molti dei campioni generati alla ''farm'' di Torino Molti dei campioni generati alla ''farm'' di Torino Processati con CMSJET (simulazione rivelatore) Processati con CMSJET (simulazione rivelatore) Analizzati con ROOT Analizzati con ROOT Eventi pesati: Eventi pesati: Sezione durto (pb) N o eventi generati Generatore Segnale M H =500 GeV 6 x PYTHIA Segnale M H =750 GeV 4 x PYTHIA Segnale M H =1000 GeV 3 x PYTHIA Segnale: No Higgs case 2 x PYTHIA Fondo ttbar PYTHIA Fondo W+jj CompHEP Fondo WW PYTHIA Fondo W PYTHIA

19 11/07/2003 Gianluca Cerminara Simulazione del rivelatore (CMS) Muoni identificati nell'intervallo di pseudorapidita': 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 CMSJET: programma di simulazione veloce del rivelatore

20 11/07/2003 Gianluca Cerminara Selezione degli eventi Muone Indispensabile per identificare il decadimento leptonico del W Indispensabile per identificare il decadimento leptonico del W Criterio di selezione: Criterio di selezione: – P T > 30 GeV (Trigger L1) – | | < 2.4 Efficienza: Efficienza: ~ 89 % Neutrino Ricostruzione del quadrimpulso del neutrino: Ricostruzione del quadrimpulso del neutrino: P T = P T miss P T > 30 GeV P T = P T miss P T > 30 GeV P z calcolato imponendo: P z calcolato imponendo: m W = GeV W = 2.14 GeV W = 2.14 GeV (p + p ) 2 = m W 2 Scelta della soluzione con P Z minore Scelta della soluzione con P Z minore Efficienza:~ 88 % Efficienza:~ 88 % Selezione dei leptoni dal decadimento W

21 11/07/2003 Gianluca Cerminara 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 Efficienza Efficienza – ~ 69 % Jet dal decadimento: W qq Distribuzione di pseudorapidita' quark del segnale. Selezione degli eventi

22 11/07/2003 Gianluca Cerminara 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 Efficienza Efficienza – ~ 69 % Jet dal decadimento: W qq Selezione degli eventi Massa ricostruita del bosone W che decade adronicamente

23 11/07/2003 Gianluca Cerminara Richiesta di una coppia di jet ad alta pseudorapidita': Richiesta di una coppia di jet ad alta pseudorapidita': – P T > 20 GeV – j1 x j2 < 0 – 1.5 < | j1 | < 5 o 1.5 < | j2 | < 5 – | 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 – | | > 2 – Veto sui jet centrali: nessun jet con P T > 20 GeV P T > 20 GeV | | < 3 | | < 3 Massa invariante sistema dei jet in avanti: Massa invariante sistema dei jet in avanti: M(jt1+jt2) > 550 GeV Selezione degli eventi No Higgs case

24 11/07/2003 Gianluca Cerminara Efficienze La richiesta di jet spettatori e' un potente strumento di selezione. CampioneMuoneNeutrino Jet dal W Jet Tag M (jt1+jt2) >550 GeV Segnale M H =500 GeV 89 % 86 % 67 % 79 % 80 % Segnale M H =750 GeV 91 % 88 % 71 % 78 % 85 % Segnale M H =1000 GeV 98 % 88 % 71 % 78 % 87 % Segnale No Higgs case 89 % 88 % 69 % 79 % 87 % Fondo t-tbar 37 % 60 % 56 % 29 % Fondo W +jj 84 % 72 % 24 % 25 % 52 % Fondo WW 63 % 55 % 22 % 14 % 89 % Fondo W 41 % 67 % 2 % 21 % ~ 0 %

25 11/07/2003 Gianluca Cerminara Soppressione dei fondi Impulso trasverso dei bosoni W ricostruiti: Impulso trasverso dei bosoni W ricostruiti: – P T Wlept > 100 GeV – P T Wqq > 100 GeV Differenza di pseudorapidita' tra i jet del W e i jet in avanti e tra il muone e i jet in avanti: Differenza di pseudorapidita' tra i jet del W e i jet in avanti e tra il muone e i jet in avanti: – -jt > 1 – jW-jt > 1 Altri tagli applicati No Higgs case

26 11/07/2003 Gianluca Cerminara Efficienze Campione P T Wlept P T Wadr -jt -jt jW-jt jW-jtTotale Segnale M H =500 GeV 94 % 95 % 87 % 89 % % Segnale MH=750 GeV 94 % 96 % 86 % 89 % % Segnale MH=1000 GeV 93 % 96 % 87 % 90 % % Segnale: No Higgs case 89 % 93 % 86 % 89 % % Fondo t-tbar 49 % 77 % 52 % 60 % 0.12 % Fondo W+jj 90 % 72 % 58 % 68 % 0.48 % Fondo WW 31 % 79 % 83 % 0.09 % Fondo W 7 % 25 % ~0.00 % Buone efficienze per il segnale Buone efficienze per il segnale Buona reiezione per i fondi Buona reiezione per i fondi

27 11/07/2003 Gianluca Cerminara Efficienze 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 lHiggs non esista.

28 11/07/2003 Gianluca Cerminara Risultati 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

29 11/07/2003 Gianluca Cerminara Risultati 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.

30 11/07/2003 Gianluca Cerminara Conclusioni 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. ~100 eventi con M WW > 1 TeV dopo 100 fb -1 : ~100 eventi con M WW > 1 TeV dopo 100 fb -1 : – Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi per essere sensibili alla possibile nuova fisica.


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