Marina Cobal University of Udine 1 Trieste, fisica sperimentale nucleare e subnucleare Physics at Colliders The Z boson

2 SM last milestones Discovery of a Higgs particle 2012

UA1. Prima Z 4/5/2015 C.8 A. Bettini 3

Z  e + e – L’eliminazione delle tracce con p T < 1 GeV rende completamente pulito l’evento, sopravvivono solo elettrone e positrone Il rivelatore centrale tracciante nel campo magnetico misura segno della carica e momento. I calorimetri misurano l’energia degli elettroni Si controlla che E=p Nei calorimetri elettromagnetici le Z appaiono come depositi localizzati di energia in direzioni opposte

Carlo Rubbia (1934) Simon van der Meer (1925) Nobel Prize 1984 f or their decisive contributions to the large project, which led to the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction

Nobel Prize 1979 for their contributions to the theory of the unified weak and electromagnetic interaction between elementary particles, including, the prediction of the weak neutral current Sheldon Lee Glashow (1932) Abdus Salam (1926 – 1996) Steven Weinberg (1933)

7 LEP

Misure di Precisione a LEP 8

9 Misure di Precisione a LEP: Mz

10 Propagatore di un bosone massivo

 (e + e - >adroni) 11

LEP 12

LEP experiment: DELPHI 13

LEP dal 1989 al

Campione Z -> adroni 15

16 Campione Z -> leptoni

Branching Ratio Ovvero quante volte la Z o decade in un particolare tipo di particelle… Previsioni teoriche

Trionfo del Modello Standard analisi complete di tutti i dati disponibili allora concludendo che il MS è in perfetto accordo con i dati L’angolo di Weinberg deve aver lo stesso valore in ogni caso, ma nel confronto bisogna introdurre in ciascun caso delle correzioni radiative, previste dalla teoria Le principali L’accordo si perde se m t > GeV Da misure precise di LEP di m W e m Z  m t =166±27 GeV

Z o → e + e - Udine, 10 marzo 2006 Masterclasses ALEPH

Z o →  +  - Udine, 10 marzo 2006 Masterclasses ALEPH

Z o →  +  - Udine, 10 marzo 2006 Masterclasses ALEPH

Z o → qqbar Udine, 10 marzo 2006 Masterclasses ALEPH

Z o → qqbar 23 DELPHI: WIRED

24 Risonanza

25 Misura della lineshape

Esempi. Sezione d’urto al picco 26 Quante Z in µ + µ – si producono con una luminosità (tipica per LEP) L=10 35 m –2 s –1 Cioè circa una al minuto Quante Z in adroni si producono?

Correzioni radiative La  Born è troppo semplificata. Ci sono importanti “correzioni radiative”: le maggiori elettromagnetiche, Dominante: Brensstrahlung iniziale Altre correzioni EM minori:

La forma della riga Se un elettrone o un positrone irradia un fotone l’energia della collisione diminuisce; diventa risonante √s>M Z. Coda alle alte energie  (picco)= 30%, dM Z  200 MeV Si calcolano le correzioni “ovvie”, si corregge la curva misurata, si estraggono i parametri (massa, larghezza, altezza del picco) M Z costante fondamentale, nei valori delle altre due incertezze teoriche dovute alla non conoscenza perfetta di M H,  s etc

Le larghezze parziali della Z Gli esperimenti a LEP hanno misurato le larghezze parziali in e + e –, µ + µ –,    – la “larghezza invisibile” cui contribuiscono tutte le generazioni di neutrini ed eventuali particelle neutre non previste la larghezza in ccbar individuando i vertici secondari di decadimento la larghezza in bbar individuando i vertici secondari di decadimento Perfetto accordo con la teoria (e determinazione di sin 2  W ) Verifica universalità dell’accoppiamento debole neutro dei leptoni

Il numero di neutrini

31 La misura di Mz

Misura di M Z E 1 (e –, µ – ) E 2 (e +, µ + )  Domina l’errore sulle energie (calorimetro) errore statistico su singola misura  (m)  2-3 GeV errore sulla scala  3.1 GeV (UA1); 1.7 GeV (UA2) UA1 (24 Z  ee) M Z =93.1±1.0(stat)±3.1(syst) GeV UA2 M Z =91.5±1.2(stat)±1.7(syst) GeV

Dilepton mass spectra near the Z 0 peak (CDF Collaboration) More precise methods give world average values of M Z =  GeV/c 2  Z =  GeV/c 2 corresponding to a lifetime of 2.6x s Branching ratios of leptonic decay modes of Z 0 are around 3.4% for each lepton generation

34 Risultati del fit

35 Risultati del fit

36 Risultati del fit

Z LHC

Z Boson Cross Section Trigger requires one electron with E T >20 GeV –Criteria at L1, L2 and L3/EventFilter You select two electrons in the analysis –With certain quality criteria –With an isolation requirement –With E T >25 GeV and |eta|<2.5 –With oppositely charged tracks with p T >10 GeV You require the di-electron mass to be near the Z: 66<M(ll)<116 GeV 38 =>  total   trig  rec  ID  kin  track

Total W /Z production x-section X. Wu, SUSY2012, 13/08/12 39 Measurements already limited by sys and lumi uncertainties ATLAS points overlap with CMS Good agreement with NNLO prediction Discriminating power against different PDF sets Phys. Rev. D85 (2012) CMS-PAS

ZZ production at 8 TeV ATLAS (5.8 fb −1 ) CMS (5.26 fb −1 ) (include 2l2  ATLAS-CONF CMS-PAS-SMP