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

Rottura di Simmetria 3 bosoni di Goldstone 3 d.o.f. longitudinali VL Nel Modello Standard le masse delle particelle sono introdotte attraverso il meccanismo dell rottura spontanea di simmetria. I bosoni vettoriali W± e Z acquisiscono la massa accoppiandosi al campo di Higgs: Rottura della simmetria elettrodebole Prima: 3 bosoni vettoriali con m = 0 x 2 stati di polarizzazione (VT) 4 campi reali Fi Dopo: 3 bosoni vettoriali con m ≠ 0 x 3 stati di polarizzazione (VL+VT) 1 bosone scalare (Bosone di Higgs) Totale = 10 d.o.f. Totale = 10 d.o.f. 3 bosoni di Goldstone 3 d.o.f. longitudinali VL WL+, WL-, ZL

Diffusione di Bosoni WL Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo WLWL  WLWL viola l'unitarieta' all'energia critica: Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

Diffusione di Bosoni WL Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo WLWL  WLWL viola l'unitarieta' all'energia critica: Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

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

Diffusione di Bosoni WL Studio della fusione di bosoni vettori W come metodo investigativo della rottura di simmetria elettrodebole ppqqWLWLqqlqq Nuovi fenomeni devono essere osservati entro la scala di energia di ~1 TeV: Nel caso del bosone di Higgs osserveremo una risonanaza a MWW = MH altrimenti La sezione d'urto deviera' dalle previsioni del Modello Standard Obiettivi del presente lavoro: 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 (sWW vs MWW)

Il Large Hadron Collider (LHC) Collisionatore protone-protone. Bassa luminosita': L = 2x1033 cm-2s-1 Alta luminosita': L = 2x1034 cm-2s-1 Energia nel centro di massa: = 14 TeV In fase di realizzazione al CERN Inizio presa dati prevista per il 2007

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

Fisica ad LHC In un collisionatore adronico l’energia iniziale dei partoni interagenti e’ determinata dalle PDF del protone, quindi: Pz iniziale non noto mentre PT iniziale = 0. Centro di massa dell’interazione non a riposo nel laboratorio Per questo si usano quantita’ Lorentz invarianti: Momento trasverso: Pseudorapidita’:

Il Segnale qspett m n q q qspett Stato finale a 6 fermioni 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. Segnatura sperimentale: un muone ad alto PT ET mancante (neutrino non rivelato) 2 jet dal decadimento del W 2 jet spettatori (''jet tag'') Stato finale a 6 fermioni qspett m n q I jet spettatori permettono di distinguere la fusione di bosoni W da altri meccanismi di produzione di coppie di W q qspett

Il Segnale Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di masse dell’Higgs pesante: mH=500 GeV mH=750 GeV mH=1000 GeV Nel Modello Standard mH ≲ 1000 GeV “No Higgs case”, simulato usando: mH=2000 GeV mH=10000 GeV Situazione sperimentalmente piu’ difficile sulla quale focalizziamo l’attenzione.

I fondi principali: ttbar Produzione di coppie top anti-top 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: 2 jet dal decadimento del W 2 leptoni o due jet dal decadimento dell'altro W 2 jet dall'adronizzazione dei due b-quark pp tt WWbb + X l ℓ qq BR(tWb)  100 % g/q g/q

I fondi principali: ttbar Produzione di coppie top anti-top No Higgs case 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: 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 g/q

I fondi principali: ttbar Produzione di coppie top anti-top No Higgs case 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: 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 g/q

I fondi principali: Wjj Produzione di un bosone W + 2 jet No Higgs case Topologia: Due partoni dei protoni interagiscono producendo un bosone W e due quark/gluoni. Segnatura sperimentale: Muone e ET 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 pp W+q/g+q/g + X  g/q

I fondi principali: WW pp WW + X mn Produzione di coppie di bosoni W 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: 2 jet dal W che decade adronicamente 1 muone dal W che decade leptonicamente Energia mancante ET (neutrino non rivelato) NO jet spettatori. pp WW + X mn qq g/q g/q

I fondi principali: singolo W Produzione di un singolo bosone W pp W + X mn Topologia: Nell'interazione di due partoni viene prodotto un bosone W che decade leptonicamente o adronicamente Segnatura sperimentale: Una coppia di leptoni o di quark dal decadimento del bosone W qq

Simulazione degli eventi Sezione d’urto (pb) No eventi generati Generatore Segnale MH=500 GeV 6 x 10-2 53441 PYTHIA Segnale MH=750 GeV 4 x 10-2 53620 Segnale MH=1000 GeV 3 x 10-2 54135 Segnale: No Higgs case 2 x 10-2 54956 Fondo ttbar 624.23 510018 Fondo W+jj 77.00 30000 CompHEP Fondo WW 11.19 135185 Fondo W 184885.00 596618 Molti dei campioni generati alla ''farm'' di Torino Processati con CMSJET (simulazione rivelatore) Analizzati con ROOT Eventi pesati:

Simulazione del rivelatore (CMS) CMSJET: programma di simulazione veloce del rivelatore Muoni identificati nell'intervallo di pseudorapidita': -2.4 < h < 2.4 Ricostruzione dei jet: Intervallo di pseudorapidita': -5 < h < 5 Algoritmo a cono: DR = 0.5 PT > 10 GeV No pile-up degli eventi

Selezione degli eventi Selezione dei leptoni dal decadimento W Muone Indispensabile per identificare il decadimento leptonico del W Criterio di selezione: PT > 30 GeV (Trigger L1) |h| < 2.4 Efficienza: ~ 89 % Neutrino Ricostruzione del quadrimpulso del neutrino: PTn = PTmiss PTn > 30 GeV Pz calcolato imponendo: mW = 80.45 GeV W = 2.14 GeV (p + p )2 = mW2 Scelta della soluzione con PZ minore Efficienza: ~ 88 %

Selezione degli eventi Jet dal decadimento: W  qq W ricostruito 1 o 2 jet. Criterio di selezione: PTjet > 30 GeV |hjet| < 3 60 GeV < MW < 110 GeV PTW piu' alto Efficienza ~ 69 % Distribuzione di pseudorapidita' quark del segnale.

Selezione degli eventi Jet dal decadimento: W  qq W ricostruito 1 o 2 jet. Criterio di selezione: PTjet > 30 GeV |hjet| < 3 60 GeV < MW < 110 GeV PTW piu' alto Efficienza ~ 69 % Massa ricostruita del bosone W che decade adronicamente

Selezione degli eventi Selezione dei jet spettatori. Richiesta di una coppia di jet ad alta pseudorapidita': PT > 20 GeV hj1 x hj2 < 0 1.5 < |hj1| < 5 o 1.5 < |hj2| < 5 |hj1 - hj2| > 3 No Higgs case oppure Richiesta di un solo jet ad alta pseudorapidita': PT > 20 GeV |h| > 2 Veto sui jet centrali: nessun jet con |h| < 3 Massa invariante sistema dei jet in avanti: M(jt1+jt2) > 550 GeV

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

Soppressione dei fondi Altri tagli applicati No Higgs case Impulso trasverso dei bosoni W ricostruiti: PTWlept > 100 GeV PTWqq > 100 GeV No Higgs case Differenza di pseudorapidita' tra i jet del W e i jet in avanti e tra il muone e i jet in avanti: Dhm-jt > 1 DhjW-jt > 1

Efficienze PTWlept PTWadr Dhm-jt DhjW-jt Totale Campione PTWlept PTWadr Dhm-jt DhjW-jt Totale Segnale MH=500 GeV 94 % 95 % 87 % 89 % 22.90 % Segnale MH=750 GeV 96 % 86 % 26.48 % Segnale MH=1000 GeV 93 % 90 % 25.89 % Segnale: No Higgs case 19.50 % Fondo t-tbar 49 % 77 % 52 % 60 % 0.12 % Fondo W+jj 72 % 58 % 68 % 0.48 % Fondo WW 31 % 79 % 83 % 0.09 % Fondo W 7 % 25 % --- ~0.00 % Buone efficienze per il segnale Buona reiezione per i fondi

Efficienze Particolarmente interessante nel Efficienza di segnale integrata tra 0 GeV < MWW < 2000 GeV : ~20 % Efficienza di segnale per MWW > 800 GeV: ~40-50 % Particolarmente interessante nel caso in cui l’Higgs non esista.

Ma pile-up non considerato Risultati Risoluzione sulla massa invariante WW L = 100 fb-1 La risoluzione sulla ricostruzione della massa invariante WW da 200 GeV a 2000 GeV e': ~ 8 % DrWW = MWWrec-MWWgen MWWgen Buona sensibilita' alla dipendenza del segnale da mH Ma pile-up non considerato

Risultati S = 119 S/B  2.5 Numero di eventi vs MWW L = 100 fb-1 No Higgs case S = 119 S/B  2.5 S/B  2.5 per MWW > 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 campioni Monte Carlo piu' grandi.

Conclusioni Misura della sezione d'urto per la fusione WLWL ad LHC possibile oltre la scala di energia (MWW) del TeV. Buona risoluzione su MWW: ~ 10 % Alta luminosita' richiesta. ~100 eventi con MWW > 1 TeV dopo 100 fb-1: Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi per essere sensibili alla possibile nuova fisica.