Universita’ degli Studi di Torino Facolta’ di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea Specialistica in Fisica Delle Interazioni Fondamentali Studio della rottura spontanea di simmetria mediante il processo di fusione di bosoni vettori nell’ambito dell’esperimento CMS Candidata S. Bolognesi Relatrice Dott.sa C. Mariotti Co-relatore Dott. A. Ballestrero Contro-relatore Prof. M. Masera Gruppo CMS di Torino

LHC e CMS Large Hadron Collider √s(p-p)= 14 TeV bassa luminosita’ L = 2×1033 cm-2s-1 (2007-2010) alta luminosita’ L = 1034 cm-2s-1 (2010 - ?) CMS LHCb ATLAS ALICE Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

EWSB via VBF VV -> VV Modello GWS di unificazione elettrodebole U(1)Y × SU(2)I EWSB: meccanismo di Higgs particella scalare (Higgs) MW ~ 80 GeV Mg = 0 (di massa non fissata) MZ ~ 90 GeV (massa -> polarizzazione longitudinale) Processo di fusione di bosoni vettori: VV -> VV V V viola l’unitarieta’ in assenza di Higgs V v = 246 GeV V contributo di Higgs corregge la divergenza della sezione d’urto VBF = sonda del meccanismo di rottura spontanea di simmetria in maniera indipendente da qualunque modellistica Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

VBF@LHC M(q,q,l,n) = M(V,W) = M(H) s(VV->VW) VS M(V,W) Principali osservabili del VBF a LHC e scenari possibili: q q q Higgs = risonanza nello spettro V M(q,q,l,n) = M(V,W) = M(H) V q l V W n M(H) 300 500 700 (GeV) q q G(H) ~50 ~120 (GeV) s(VV->VW) VS M(V,W) ~10 M(H) = 300 GeV No Higgs -> effetti di violazione dell’unitarieta’ M(H) = 500 GeV M(H) = 700 GeV fortemente soppressi da No Higgs bosoni entranti off-shell PDF quark iniziali bosoni non polarizzati NUOVA FISICA = deviazione da tale spettro Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Studi partonici utilizzo di un nuovo MC -> definizione di segnale confronto con il MC precedentemente usato (PYTHIA) divisione in contributi del segnale (VV->VW: WW->WW, ZZ->WW, ZW->ZW) studio della sezione d’urto ad alta massa invariante per evidenziare gli effetti di violazione di unitarieta’ in assenza di Higgs Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

... PHASE 2 PHact Adaptive Six Fermion Event Generator (Accomando, Ballestrero, Maina) PHact Adaptive Six Fermion Event Generator qq->qqqqln O(aEW6) In un conto esatto la sezione d’urto e’ data dal quadrato della somma di tutti i contributi 2 ... segnale (VBF) fondo irriducibile definire il segnale = separare il segnale ed il fondo irriducibile a livello partonico Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Definizione di segnale Tagli di eliminazione fondo irriducibile a livello partonico: contributo di top (pura EW) ~ 70 % M(H) = 500 GeV 160 < M(bqq’,bmn) < 190 (GeV) tre bosoni uscenti diagrammi non risonanti M(mn) = mW ± 10 GeV ~ 2 % M(q1q2) = mV ± 10 GeV ~ 3 % M(q3q4) = mV ± 10 GeV Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Violazione unitarieta’ (1) Polarizzazione dei bosoni M(H) = 500 GeV distribuzione di decadimento W nel suo CM No Higgs picco: VL coda: VT+VL coda: VT No Higgs coda picco M(H) = 500 GeV Rifare picco con 500+/-50 (invece di 100) coda selezionare VL ed eliminare VT eliminare la coda per M(H)=500 GeV, conservandola per No Higgs Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Violazione unitarieta’ (2) Rete neurale (NN) dati in ingresso strati nascosti variabile di uscita eventi M(V,W) > 1 TeV Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Studi di ricostruzione e selezione generazione fondi riducibili con vari MC simulazione veloce del rivelatore con il software di CMS studio delle risoluzioni utilizzando la verita’ MC selezione del segnale dal fondo riducibile ed irriducibile Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Cinematica del segnale p q m n q’ W V q tag 2 bosoni centrali con alto pT 2 q dal bosone adronico: centrali, bassa Dh, alto pT alta MET muone centrale con alto pT 2 q tag: alta h, grande Dh e energia molto alta (pm + pn)2 = mW2 ricostruzione del pz del neutrino: No Higgs quark tag quark dal bosone M(H) = 500 GeV pseudorapidita’ bosoni pseudorapidita’ quark momento trasverso bosoni energia quark Compaiono via via: bosoni -> quark -> mu,nu Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Fondi fondo irriducibile top (pure EW) pp t t W- b W+ b 1m+X Sezione d’urto Ordine perturb. ~ 3 × ssegnale top (pure EW) aEW6 pp t t W- b W+ b 1m+X ~ 3000 × ssegnale aS2 aEW4 pp qqWW qqqqmn ~ 50 × ssegnale ~ 2000 × ssegnale aS4 aEW2 pp qqqqW qqqqmn pseudorapidita’ quark tag / b pseudorapidita’ bosoni energia quark tag / b energia bosoni segnale WWqq Wjjjj segnale: quark tag top EW: quark b top QCD: quark b backup slide con altro tipo di fondo Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Simulazione NO PILE-UP !! Simulazione veloce del rivelatore (FAMOS_1_2_0): parametrizzazione del detector dal fit della simulazione completa Studio della risoluzione utilizzando la verita’ MC valore ricostruito – valore generato valore generato risoluzione (%) = risoluzione assoluta = valore ricostruito – valore generato su un campione di eventi senza Higgs (sempre pT jet > 30 GeV) Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Risoluzione leptonica risoluzione su pTm VS pTm generato Si sceglie il muone ricostruito piu’ vicino a quello generato (solo se DR<0.2) risoluzione < 10% nell’ 86% degli eventi momento trasverso sottostimato risoluzione su pTn MET totale ~ pT neutrino MET ricostruita dal calorimetro FWHM ~ 60% (45 GeV) Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Risoluzione adronica Eventi con esattamente 4 jet nello stato finale, ciascuno associato ad un singolo quark generato (DR<1) (pT jet > 30 GeV) risoluzione (%) risoluzione assoluta (fit gaussiano): pt dei quark FWHM ~ 35% M(V -> qq) pt dei quark FWHM ~ 33% deviaz. std. ~ 14 GeV media ~ 2.5 GeV si potrebbe fare un’unica slide sulla risoluzione M(V -> qq) deviaz. std. ~ 15 GeV media ~ 10 GeV Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Procedura di analisi (1) Tagli ottimizzati per no-Higgs per evitare eventuali bias dovuti alla produzione di un oggetto massivo Ricostruzione del segnale (pT jet > 20 GeV) segnale (NoHiggs) fondo ricostruzione del bosone leptonico scelta del muone con massimo pT 73 % 50 % (pTm > 20 GeV) pTn = MET (pTn > 20 GeV) ricostruzione del bosone adronico |hj1|, |hj2| <3 63 % 44 % |hj1-hj2| < 2 50 < M(j1,j2) <125 (GeV) richiesta 2 jet aggiuntivi 60 % 38 % quark tag = restanti 2 jet piu’energetici Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Procedura di analisi (2) Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV) segnale (NoHiggs) fondo taglio contro il top 100 < M(W,b), M(V,b) < 300 (GeV) 54 % 24 % b = jet con massima probabilita’ di b-tagging (solo se P(b)>1) Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Procedura di analisi (3) Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV) tagli sui quark tag segnale (NoHiggs) fondo pTjtag1, pTjtag2 > 50 GeV M(jtag1, jtag2) > 600 GeV |hjtag1-hjtag2| > 1.5 17 % 1.4 % hjtag1 × hjtag2 < -1 M(jtag1, jtag2) hjtag1 - hjtag2 Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Procedura di analisi (4) Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV) segnale (NoHiggs) fondo tagli aggiuntivi DR(m, j)min > 0.2 DR(jtag, jV)min > 0.9 10.56 % 0.52 % Dh(jtag, W) > 0.7 (Njet with |hj|>2) < 8 (Njet with |hj|<2) < 13 |hW| < 2 si potrebbe aggiungere Njet M(V,W,jtag1,jtag2) > 1 TeV Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Risoluzioni Risoluzioni dell’analisi Perfettamente in accordo con le risoluzioni calcolate utilizzando la verita’ MC per riconoscere le particelle di segnale cattiva risoluzione risoluzione calorimetro (termine stocastico 125% / √E) jet = energy flow objects i.e. utilizzo delle tracce associate ai segnali calorimetrici Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

1y@high lumi = 100 fb-1 S/√B VS M(V,W) efficienze finali segnale 10.56 % S/√B VS M(V,W) fondo irrid. 6.02 % (no top) top EW 0.57 % efficienze finali top QCD 0.18 % WWjj 0.33 % Wjjjj 1.11 % eventi VS M(V,W) significanza (S/√B) integrata M(V,W) = totale M(H) ± 30% M(H)=300 GeV 3.2 3.6 M(H)=500 GeV 2.2 2.8 M(H)=700 GeV 1.5 2.5 M(V,W) > 1 TeV totale No Higgs 0.3 2.3 Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

arrivederci al 2007 (start di LHC) !!!!!! un po’ di lavoro e’ stato fatto... ...tanto e’ ancora da fare!! arrivederci al 2007 (start di LHC) !!!!!! un grazie ENORME al gruppo CMS di Torino Dott.sa E.Accomando, Dott. N.Amapane, Dott. A.Ballestrero, Dott. R.Bellan, Dott. G.Cerminara, Dott. E.Maina, Dott.sa C.Mariotti, Prof.sa A.Romero e tanti altri ancora...!!

Backup slides divisione in contributi del VBF confronto PHASE - PYTHIA polarizzazione dei bosoni vettori nel VBF produzione dei campioni: xsec ed eventi generati fondi non considerati: W, Wqq, ... breve descrizione del rivelatore risoluzione del bosone W->mn ricostruzione dell’impulso longitudinale del neutrino Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Divisione in contributi (1) Non si puo’ a priori separare i diversi contributi (“a’ la pythia”) W+W- -> W+W- W-W- -> W-W- & C.C. ZZ -> W+W- ZW->ZW poiche’ questi possono interferire tra loro quando danno luogo allo stesso stato iniziale e finale udZZ es. ud udW+W- udcsm- n udW+W- 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 pz(uIN) * pz(uOUT) > 0 pz(dIN) * pz(dOUT) > 0 ZZ -> W+W- es. uINdIN->uOUTdOUTcsm-n pz(uIN) * pz(uOUT) < 0 pz(dIN) * pz(dOUT) < 0 W+W- -> W+W- Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Divisione in contributi (2) Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

PHASE - PYTHIA M(H)=500 GeV no Higgs PYTHIA: solo polarizzazione longitudinale, EVBA=> bosoni on-shell, Breit-Wigner per il decadimento M(H)=500 GeV sottostima dello stato finale WZ per M(H)=500 WZ / totale PYTHIA PHASE 0.04 0.16 diversita’ nella topologia del segnale no Higgs Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

VL e VT Contributo delle diverse polarizzazioni Tagli applicati: NoHiggs Contributo delle diverse polarizzazioni (risultati ottenuti con una versione modificata, non ufficiale di PHASE) M(H)=500 GeV Tagli applicati: 1 < η(d) < 5.5 -1 > η(u) > -5.5 E(u,d,c,s,μ) > 20 GeV Pt(u,d,c,s,μ) > 10 GeV 70< M(sc, μν) < 90 Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Produzione dei campioni segnale e fondo irriducibile Eventi e sezioni d’urto dei diversi processi generati M(H) = 300 GeV 0.794 pb 500.000 M(H) = 500 GeV 0.718 pb 500.000 M(H)= 700 GeV 0.699 pb 500.000 no Higgs 0.689 pb 500.000 signal 0.247 pb 0.184 pb 0.169 pb 0.158 pb top (EW) 0.495 pb 0.494 pb 0.493 pb 0.495 pb other irr. backg. 0.052 pb 0.040 pb 0.037 pb 0.036 pb M(H) (GeV) 300 500 700 no Higgs total 0.794 pb 0.718 pb 0.699 pb 0.689 pb altri fondi pp t t 1m+X 622 pb 200.000 pp qqW+W- qqqqmn 9.04 pb 249231 pp qqWW qqqqmn 9.1 pb 253736 pp qqW+W+ qqqqmn 0.05 pb 1996 pp qqW-W- qqqqmn 0.02 pb 2509 pp qqqqW qqqqmn 359 pb 180006 Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Fondi non considerati Fondi con minore molteplicita’ di quark nello stato finale (es. W singolo, Wqq ...) possono essere confusi col segnale a causa di jet aggiuntivi da: interazioni soffici fra i protoni radiazione di gluoni durante il Parton Shower (PS) errori nel processo di ricostruzione dei jet (merging-splitting dei jet) non esisteva un MC capace di generarli senza doppi conteggi con i fondi gia’ considerati Non considerati q g g q emmissione di gluoni durante il PS q g Wqq Wqqqq q W La nuova versione di AlpGen (giugno 2005) e’ capace di generare W + n jets senza conteggi multipli Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

CMS: Tracciatore |h| < 2.5 ricostruzione vertice primario b-tagging (vertici secondari, parametro di impatto...) ricostruzione muoni di alto pT, elettroni ed adroni isolati granularita’ ed alta resistenza alle radiazioni Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

CMS: ECAL H -> gg ( M(H) ~ 100 - 140 GeV ) energia, apertura angolare termine statistico (confinamento dello sciame e fotostatistica) rumore elettronico + pile-up termine costante (risoluzione intrinseca calorimetro) Cristalli in PbWO4 piccolo raggio di Moliere alta densita’ breve lunghezza di radiazione rivelatore compatto Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

CMS: HCAL granularita’ separazione dei jet ermeticita’ ricostruzione MET calorimetro a campionamento (|h| < 5) barrel HB endcaps HE forward HF scintillatori + assorbitori in rame fibre di quarzo + assorbitori in acciaio Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

CMS: Muoni 4 stazioni intervallate col giogo barrel: DT (MB1-4) RPC endcap: CSC (ME1-4) misura tempo (~ 1 ns) misura posizione (~ 100 mm) CSC RPC DT Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Risoluzione W leptonico pT muone and pT neutrino sottostimati pT W sottostimato picco risoluzione a -12.5 % risoluzione assoluta (fit gaussiano): deviazione std. ~ 24 GeV media ~ -7 GeV pseudorapidita’ W sovrastimata (absval) risoluzione con andamento asimmetrico Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05

Ricostruzione neutrino pTn = MET equazione di secondo grado con due soluzioni pzn calcolato da (pm + pn)2 = mW2 si sceglie la soluzione maggiore e si prende la parte reale se il discriminante e’ negativo (30 % degli eventi) Sara Bolognesi (TORINO) sessione di Laurea 20/07/05