INFN – Università di Trento Attività del gruppo PD-TN nella preparazione delle analisi HWW e W,Z, all’interno della collaborazione CMS Ambra Gresele INFN – Università di Trento

Outline Breve descrizione di LHC e del rivelatore CMS Breve panoramica sulla fisica prevista ad LHC Misura della sezione d’urto inclusiva W e Z Fenomenologia del Bosone di Higgs ad LHC Ricerca del bosone di Higgs nel canale H  WW  ll Conclusioni

Large Hadron Collider Large 27 km di circonferenza Costruito nel tunnel di LEP Hadron Fasci di protoni Collider Se paragonato a Tevatron 7volte l’energia nel c.m. aumento di un fattore 100 della luminosità integrata Numero di bunch nb 2808 Spaziatura bunch Δt 25ns Protoni/bunch Nb 1.1 1011 1.7 1011 Energia E 7 TeV 7.45 TeV lunghezza bunch (rms) σz 7.55 cm Beta a IP β* 0.55 m 0.5 m angolo a IP (rms) θc 285 μrad 315 μrad Luminosita’ (max.) L 1034 cm-2s-1 2.6 1034 cm-2s-1

Compact Muon Solenoid

Fisica a LHC Gli scopi principali di fisica dei due esperimenti ATLAS e CMS a LHC sono: 1. ricerca del bosone di Higgs da mH= 100 GeV a 1 TeV (limite teorico mH)  se si trova l’Higgs capire se è del Modello Standard o Supersimmetrico  se l’Higgs non si trova cercare alternative (in nuova fisica) 2. nuova fisica  Supersimmetria  LeptoQuark, technicolor, new strong-interaction, nuove famiglie di leptoni, bosoni addizionali, extra-dimensions  ? 3. misure di precisione sulle osservabili elettrodeboli  mW (mW ~ 15 MeV)  mtop (mtop ~ 2 GeV)

Primo anno a LHC From F Gianotti, LHC Physics, La Thuile 2005

 calibrazione del detector stima delle efficienze di ricostruzione, isolamento, triggers studio accurato di quelli che saranno i contributi dominanti al background nella ricerca dell’Higgs studi delle incertezze introdotte dai modelli teorici 

Determinare l’efficienza di ricostruzione usando i dati Usando un sample di Z si sviluppa un metodo detto di “tag and probe” che permette di risalire all’efficienza di ricostruzione, di isolamento e del trigger per i muoni nei dati. Nel plot si ha l’andamento dell’efficienza di ricostruzione ottenuta usando il metodo di tag and probe rispetto all’efficienza “vera” cosi` come misurata a livello di puro Monte Carlo

T. Dorigo et al.

Misure delle incertezze legate ai modelli teorici Testare l’andamento dei diversi generatori Monte Carlo ad ordini superiori al LO che si vogliono introdurre nella maggior parte delle analisi Stimare le sistematiche introdotte dalle PDF e contemporaneamente aiutare a ridurre le incertezze legate alle medesime PDF

Produzione dell’Higgs ad LHC Il processo di produzione dominante è mediante la fusione di due gluoni. Al crescere della massa dell’Higgs diventa importante anche il meccanismo di produzione via la fusione di due bosoni W o Z

Canali di decadimento e BR H, H  , HWW (VBF) , Hbb (solo in produzione associata) molto rilevanti per piccole masse (MH<130 GeV) HZZ(*)4l , HWW per masse piu’ grandi. Anche se il BR in WW è circa 3 volte superiore di quello in ZZ, lo stato finale ZZ è più facilmente ricostruibile in quanto non si ha la presenza di neutrini (GOLDEN CHANNEL)

Limiti sulla massa dell’Higgs Dalla ricerca diretta a LEP: MH>114.4GeV Fit elettrodebole: MH<144 GeV al 95% C.L. Unitarieta’: MH < 800 GeV Limiti dalla teoria del Modello Standard (Higgs self-coupling e stabilita’vuoto) Winter 2007 114 GeV < mH < 182 GeV @ 95% C.L.

Direct bounds: Higgs searches @ LEP Higgsstrahlung – dominant production No discovery Direct lower bound at 114.4 GeV ALEPH: Candidate vertex: Phys.Lett. B565 (2003) 61-75

H  WW  lnln Topologia degli eventi “segnale”: mH (GeV) σNLO x BR (H->llνν) (pb) 120 0.56 130 1.06 140 1.58 150 1.98 160 2.34 170 2.26 180 1.99 190 1.51 200 1.30 Topologia degli eventi “segnale”: 2 leptoni isolati carichi missing transverse energy jets presenti nella regione centrale e a basso pT Principali fondi: coppie WW (irriducibile) WZlll, ZZll ttbar process WW ZZ WZ Z->ll ttbar σNLO (pb) 114.3 15.3 49.9 9640 840

Monte Carlo Datasets I samples sono stati generati usando Pythia LO e Toprex (+ Pythia) per il sample ttbar (NO pile-up) Gli eventi dei samples Higgs (gg fusion) e WW sono stati re-weighted per accordare le previsioni con i calcoli al NLO e quindi tenendo conto di una miglior stima della sezione d’urto di produzione. Per il re-weighting si è introdotto un k-factor dipendente dal pt dell’Higgs. In futuro si prevede di usare direttamente MC@NLO

Strategie di Analisi trigger + skimming Selezionare gli eventi di potenziale interesse riducendo il numero di dati da analizzare Selezionare una coppia di leptoni che soddisfi certi criteri: |η1| < 2.5, |η2| < 2.5 pT1 > 10 GeV, pT2 > 20 GeV q1*q2 < 0 leptons pre-selection Tagliare sulle osservabili cinematiche per ridurre il background: MET > 30 GeV m(ll) >= 12 GeV Njets central <= 2 kinematic pre-selection cut based analysis multivariate analysis

Trigger and skimming I trigger agiscono sui singoli o sulle coppie di e,  HLT paths single isolated single relaxed double isolated double relaxed OR electron 81% 82% 54% 62% 87% muon 90% 93% --- 96% skimming: OR dei trigger paths almeno 2 leptoni ricostruiti con pT > 10 GeV and pT > 20 GeV HLT efficienze per mH=160GeV εHLT εskimming DY->ll 0.072 ± 0.006 5*10-3 ± 1*10-3 ttbar 0.33 ± 0.02 0.15 ± 0.01

Ricostruzione degli oggetti fisici 1. LEPTONI Elettroni  “PixelMatchGsfElectrons” Muoni  “GlobalMuonReconstruction” elettroni/muoni vengono isolati usando info calorimetriche e di tracciatura JETTI algoritmo di tipo cono iterativo con ΔR = 0.5, ETtow > 0.5 GeV uncorrected jets resolution MET somma delle energie delle torri calorimetriche ECAL and HCAL , con correzioni per i muoni

Limiti di esclusione Dalla combinazione dei differenti approcci all’analisi di H  WW  ll, il bosone di Higgs come previsto dallo SM puó essere escluso al 95% C.L. nella regione attorno al valore di 160 GeV della massa della coppia WW risonante considerando una luminosità integrata tra 100 e 150 pb-1 CLs = 5%

Conclusioni Il bosone di Higgs del Modello Standard puo’ essere osservato ad LHC, dal limite di LEP fino a ~1 TeV Studi sempre piu’ dettagliati, all’avvicinarsi della presa dati: MC al NLO, produzione con VBF Tutti gli studi con simulazione completa (possibilmente con rivelatori as-built, ed il software finale degli esperimenti) Accettanze dei sistemi di trigger, definizione dei menu di trigger ottimali per i vari canali Studio dei fondi con i primi dati (gia’ a partire da ~100 pb-1) Scoperta dell’Higgs con: ~15 fb-1 combinando i canali Ma: cruciale sara’ il primo periodo di comprensione dei detector (trigger, calibrazioni, allineamenti, etc…) e dei fondi Con luminosita’ integrate piu’ alte (>100 fb-1): parametri del profilo dell’Higgs  verifica Higgs-SM

Backup

Indirect Higgs bounds: LEP Electroweak data W (and Z) mass depends on mHiggs Logarithmic loop corrections to masses Also depends on top mass Measurements Prediction as a function of mH http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG/

Needle in a haystack… QCD jet production at high energy Higgs production Need to use signatures with small backgrounds: Leptons High-mass resonances Heavy quarks to avoid being overwhelmed

After discovery of Higgs? Measure Higgs mass The remaining unconstrained parameter of the Standard Model Measure Higgs couplings to fermions and vector bosons All predicted by Standard Model Check Higgs mechanism Couplings very important since there may be more than one Higgs boson Theories beyond the Standard Model (such as Supersymmetry) predict multiple Higgs bosons. In such models the couplings would be modified Do direct searches for further Higgs bosons!

If no Higgs found? Arguably more exciting than finding Higgs Look at WW scattering process Look for whatever is “fixing” the cross-section E.g. exotic resonances