Fisica ai collisionatori adronici C. Gemme (INFN Genova) Corso di Dottorato

Outline del corso Collisionatori (adronici) Motivazioni LHC Rivelatori ai collisionatori Anatomia del rivelatore (ATLAS) Trigger Operazione Performance 2 Osservabili e Analisi dati Misure di standard model Introduzione EW: fit, W/Z, top Higgs Richiami teorici La scoperta Higgs  gg Proprieta’ dell’Higgs Aspettative dei prossimi run Oltre il modello standard Supersimmetria “Esotici”

Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici3 Osservabili

Physics observables Data selection and analysis are based on physics observables in the final state; they are introduced in the next slides: Charged particles Leptons: electrons, muons Photons Hadrons (  jets) b-jet, tau Neutrinos (  missing energy) Besides stable particles, decayed particles can be reconstructed via their decay products. For instance in a two-bodies decay: To well reconstruct the mass, momentum and energy must be known accurately 28/5/2013C. Gemme - F. Parodi - Atlas results4

Tracks Requirements: Track efficiency > 99% in coverage |  | 200 MeV Efficient reconstruction for tracks in jets  granularity Momentum resolution of 10% up to 1 TeV To determine the p T, a minimum of 3 points in the bending plane are needed, but 4 is the real minimum assuming some inefficiency. But the p T resolution is dominated by the level arm (L) and related to Magnetic field (B), the detector single measurement resolution (  ) and weakly on the number of points (N): N is anyhow crucial for the pattern recognition algorithms 28/5/2013C. Gemme - F. Parodi - Atlas results5 Tracker

Tracks But the multiple scattering (ms) spoils the resolution, mainly at lower momentum: Scattering angle: and ms dominates up to (~50 GeV in ATLAS): Overall: Resolution at high momentum is dominated by spatial resolution, at low momentum by ms It is crucial to minimize the material (X 0 ), but: Detector is large  mechanics Electronics is power consuming  cables Cooling for sensor and electronics  pipes Reliability as no access for years  redundancy 28/5/20136 Tracker

Tracker is not transparent at all… The overall weight ( ∼ 4.5 tonnes) and material budget of the ID (in terms of radiation length X 0 and interaction length I ). Consequences: many electrons lose most of their energy through bremsstrahlung before reaching the electromagnetic calorimeter; approximately 40% of photons convert into an electron-positron pair before reaching the LAr cryostat and the electromagnetic calorimeter; even in the case of low-energy charged pions, a significant fraction will undergo an inelastic hadronic interaction inside the inner detector volume. Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici7 Tracker

Some Performances Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici8 Reconstruction efficiency for muons and pions vs p T and  Tracker

Some Performances Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici9 Energy loss (Bethe-Bloch) in the tracker for charged particles is the fundamental mechanism to get electrical signal. Particles are always considered as MIP, i.e.  > 3. Tracker

Some Performances Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici10 For low  (very low momentum), Energy loss (Bethe-Bloch) in Pixel, allows to distinguish between protons, kaons and pions. Tracker

Some Performances Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici11 Plot of the (x,y) positions of reconstructed vertices with two or more tracks, and two- track vertices must have an invariant mass that is not consistent with K 0 s decays or photon conversions. Vertices arising from hadronic interactions with the material in the beam pipe and the three barrel layers of the pixel detector are clearly visible. The yield of vertices decreases as a function of radius due to decreasing track reconstruction efficiency and the flux of particles interacting with the material. From MC to reality From MC to reality Tracker

Some Performances Then verify that the momentum scale is correct: Using resonances Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici12 k 0 ->   0 ->p  Tracker

Electrons/photons Electrons and photons are completely absorbed by the EM calorimeter, creating a typical shower shape in the 4 layers of the Pb/LAr calorimeter. According to the EM shower shape, to the association to a track, and to a secondary vertex, energy deposits in the calorimeters are associated to electrons or photons. The definition of an electron object is rather straightforward, relying entirely on the presence of a track matching an electromagnetic cluster. Photons are more complicated due to conversion. C. Gemme - F. Parodi - Atlas results13 Calorimeters +Tracker

Trigger for Electrons/photons Electrons and photons are selected at the first level trigger based on energy deposit in trigger towers (rough granularity). Projective towers such as to select primary particles. Following trigger levels and offline selection use the full calorimeters granularity and depth and the tracker information. 14 Simiilar Trigger logic for others objects Calorimeters +Tracker Rejection with respect to hadrons is achieved using mainly the shower shape and leakage veto in the hadronic calo.

Photons Photons can be classified into two main categories: converted and unconverted photons. Photons reconstructed as converted are characterized by the presence of at least one track matching an electromagnetic cluster originating from a vertex inside the tracker volume, whereas unconverted photons do not have such a matched track. There is similarity between electrons and converted photons due to the presence of tracks in both objects (one is primary, the other not necessarily)! Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici15 A good fraction of primary photons convert (e + e - pair production) in the tracker material (larger at high  ) Calorimeters +Tracker

Photons The conversion vertices reconstructed by the inner detector (ID) are classified depending on the number of electron tracks assigned to them Should be two, but soft electron can be not reconstructed or electrons pair can be so close to be reconstructed as one only. Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici16 Calorimeters +Tracker Beam pipe Pixel layers SCT layers

Muons 17 Muons are reconstructed as charged particles not being absorbed by the calorimeters. Several algorithms in place to identify muons, exploiting all the detectors to get the maximum coverage. Main algorithm combines tracker and muon spectrometer. Magnetic fields (solenoidal in the tracker, toroidal in the muon spectrometer) allow the momentum measurement. Muons required to be isolated to suppress background in many analyses. Muon Spectrometer + Tracker Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici

Muons 18 Muon Spectrometer + Tracker Dominant at low p Dominant at high p Momentum resolution is highly improved at low momentum by using the Tracker information.  / p T < 10% up to 1 TeV in  < 2.7 Muon Momentum Resolution Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici

Jet Collimated sprays of energetic hadrons, called jets, are the dominant feature of high energy proton-proton interactions. Jets are produced via the fragmentation of quarks and gluons. 19 Calorimeters + Tracker Longitudinal view of the highest mass dijet event in 2010 Hadronic jets used for ATLAS physics analyses are reconstructed by a jet algorithm clustering the energy depositions of electromagnetic and hadronic showers in the calorimeters. Giugno 2014

Jet Starting point are the energy depositions in the calorimeters but tracks may be used as well: Charged particles associated to a jet are exploited for pile-up suppression: JetVertexFraction: Tracks are first matched to jets via a simple matching in the η −φ plane Jet-vertex fraction (JVF) is defined for each jet with respect to each PV: JVF is the fraction of the tracks associated to the jet coming from the PV. 20 Calorimeters + Tracker dependence on pile-up almost flat Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici

b-jet The b-tagging is the capability to identify jets coming from b-quark fragmentation. It is based on the relatively long lifetime of b-hadrons (  ~1.5 ps,  c  ~ 4.5 mm for p T ~50 GeV). Several b-tagging algorithms, exploiting: tracks impact parameters (JetProb, IP3D), reconstruction of the secondary vertex (SV1), topological structure of b and c-hadron decays inside the jet (JetFitter). Different algorithm combinations for improved performance, quantified in light jet rejection vs b-tagging efficiency : IP3D+SV1, JetFitterCOMBNN, MV1. 21 Calorimeters + Tracker Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici

Tau Tau is the heaviest lepton and is not stable,  ~0.3 ps,  c  ~ 2.5 mm for p T ~50 GeV. It decays hadronically in 65% generating a rather collimated jet of hadrons. Tau hadronic reconstruction is seeded by jets Requiring combined information from calorimeter and tracking Input to multivariate algorithms 22 Calorimeters + Tracker W  tau v Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici

Tau Tau’s are identified thanks to some peculiar characteristics: Collimated decay products, no gluon radiation, low invariant mass, lifetime  provide discrimination against jets; EM energy fraction, EM component from  0, transition radiation  provide discrimination against electrons. 23 Calorimeters + Tracker dijet tau An Example Variable: Calorimetric Radius tau electrons An Example Variable: EM track function Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici

Missing energy To detect particles that escape detection (mainly ’s, but also beyond SM low interacting particles), a balance of the event energy is done. Missing Transverse energy is a complex event quantity: Adding significant signals from all detectors Asking for momentum conservation in the transverse plane E T miss (in particular its resolution) is highly affected by pile ‐ up. Using tracks not associated to physics objects and matched to PV to provide a reliable estimate of pile conditions and correct for it (Soft term vertex fraction ). 24 E T miss Distribution, Good agreement data/MC E T miss Resolution dependence on pile-up almost flat Full Detector! Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici

Physics objects: trigger selection Trigger menu optimized for a luminosity of cm -2 s -1 Peak Level-1 rate ~70 kHz Peak Event Filter rate ~ 1 kHz Streaming at Event Filter Average (prompt) physics output rate ~400 Hz ~ equally shared between E/ , Muons, Jet/tau/E T miss In addition ~200 Hz of delayed physics events Delayed events reconstructed during shutdown 25 L1: ~ 65 kHz L2: ~ 5 kHz EF: ~ 400Hz Trigger Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici

Trigger Menu Per alte luminosità, il “menu” di trigger è estremamente complicato. Bisogna “prescalare” item a bassa soglia che possono essere utili per calibrazioni, efficienze o segnali ad alta sezione d’urto Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici26 Trigger

Trigger Menu Per alte luminosità, il “menu” di trigger è estremamente complicato. Bisogna “prescalare” item a bassa soglia che possono essere utili per calibrazioni, efficienze o segnali ad alta sezione d’urto Tenere il più bassa possibile la soglia per gli oggetti semplici come leptoni isolati, raffinandone la definizione a livello di trigger Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici27 Trigger L1EF

Trigger Menu Per alte luminosità, il “menu” di trigger è estremamente complicato. Bisogna “prescalare” item a bassa soglia che possono essere utili per calibrazioni, efficienze o segnali ad alta sezione d’urto Tenere il più bassa possibile la soglia per gli oggetti semplici come leptoni isolati, raffinandone la definizione a livello di trigger Calcolare poi l’efficienza e il turn on rispetto all’offline Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici28 Trigger

Trigger Menu Per alte luminosità, il “menu” di trigger è estremamente complicato. Bisogna “prescalare” item a bassa soglia che possono essere utili per calibrazioni, efficienze o segnali ad alta sezione d’urto Tenere il più bassa possibile la soglia per gli oggetti semplici come leptoni isolati, raffinandone la definizione a livello di trigger Calcolare poi l’efficienza e il turn on rispetto all’offline Introdurre trigger topologici, che permettano di tenere bassi i rate, sfruttando la rarità di topologie complicate Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici29 Trigger rate per 2b4j: Le soglie per i 4 jet sono rispettivamente 10, 25 e 30 GeV a L1/L2 e EF. A L2 si richiede che 2 jet siano identificati come b-jet Trigger

Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici30 Analisi: nozioni introduttive

Physics results ATLAS and CMS are general purpose experiments: many experiments in one! Precision measurements: Standard Model – Diboson production, tt, single top, etc… – Production and decays of beauty hadrons – Strong interaction studies (QCD) Interesting by themselves but also to: – Search for deviations from the SM – Understand background in new physics (NP) searches – Calibration of the detector Searches: Higgs(-es) boson search Search for NP beyond the SM: – Supersimmetry exotics Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici31

Evidenza di un segnale Supponiamo che sia prodotta una risonanza stretta in X   Significanza del segnale: N s numero di eventi di segnale, N b numero di eventi di fondo Convenzione per “scoperta": S > 5. Il segnale è 5 volte l'errore sul fondo. La probabilità che il fondo fluttui per più di 5  vale Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici32

Evidenza di un segnale Due sono i parametri critici per ottimizzare S: risoluzione del rivelatore σ m (se σ m << Γ ris )  S ~ 1/ √ σ m Se la risoluzione aumenta di α, S scala come 1/√ α (integrato su 5 σ m, il segnale resta invariato mentre si integra più fondo, lineare con α ). Luminosità: N s, N b ~ L  S ~ √ L Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici33

Misure di sezione d’urto Fisicamente, vogliamo misurare i parametri fondamentali di una teoria, che, per esempio, determinano le sezioni d’urto. Nell’esperimento misuriamo un numero di eventi (in funzione di determinati parametri) che dipendono da: Le condizioni sperimentali dei fasci, riassunte nella luminosità L Fondi (B), efficienza di rivelazione (  ) e accettanza (A) Legate dalla relazione: N = L   A + B or  = (N-B)/L  A Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici34

Stima del fondo Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici35 Some process have small background (ex: Z  ee), others (ex: W+b) are dominated by background. Usually the interesting processes at LHC have even much higher background.

Predizioni Monte Carlo Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici36

Predizioni Monte Carlo Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici37

Side band method Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici38

Matrix Method Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici39

Efficiency and acceptance Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici40

Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici41 Analisi: Fit electroweak, Misure di precisione e calibrazioni

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – I L'estrema precisione delle misure elettrodeboli effettuate a LEP e SLD, richiede, per rendere significativo il confronto con le rispettive predizioni teoriche, l'inclusione delle correzioni radiative di ordini elevati. Le correzioni radiative modificano vertici e propagatori. Per esempio m W dipende logaritmicamente dalla massa dell'Higgs (e quadraticamente dalla massa del top. Fittando le misure di precisione con le espressioni teoriche si ha un test della consistenza dello SM e dei vincoli sui parametri sconosciuti, che si lasciano liberi, come M H (e/o m top ). Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici42 M W = M W 0 + C 1 M t 2 + C 2 ln(M H )

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – II Quanto sono importanti le correzioni radiative? Se ne ha una stima verificando la relazione al tree level: Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici43 C'è una differenza del 4% e a 18 

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – III I parametri dello Standard Model vengono espressi in funzione delle quantita’ conosciute con maggiore precisione: La costante di struttura fine (  ) La costante di Fermi (G F ) La massa dello Z (M Z ) Tali quantita’ si utilizzano come parametri di input dei t. Vengono, invece, lasciati come parametri liberi la massa dell'Higgs e quella del top. Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici44

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – IV Misure in input: Le asimmetrie: L'asimmetria forward-backward per i fermioni, operativamente definita dall'equazione: in cui N F ed N B indicano il numero di eventi in cui si ha produzione di fermioni in avanti ed indietro. L'asimmetria di polarizzazione P  definita da: in cui  R(L) e’ la sezione d'urto per la produzione di leptoni  right(left)- handed Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici45

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – IV Misure in input: altre: La quantità che dipende direttamente dai coupling g (leptonici, in questo caso). Il rapporto: in cui anche  l è legato ai coupling g. Il rapporto: con  b larghezza di decadimento di Z in bb (analogo rapporto è definito per il quark c). Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici46

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – V Self-consistence dello Standard Model: Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici47

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – VI (top) Predizione massa del top negli anni: Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici48

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – VII (Higgs) Stima massa dell’Higgs da misure indirette (pre-luglio 2012): Dal fit delle misure EW Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici49 M W = M W 0 + C 1 M t 2 + C 2 ln(M H ) m top = (173.1 ± 1.3) GeV m W = ( ± 0.025) GeV  m H = ( ) GeV

Limiti sperimentali indiretti: Fit elettrodeboli – VII (Higgs) E misure dirette da Lep/Tevatron: m H > 114 GeV Incorporate anch’esse nel fit: Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici50

Electroweak and top cross-sections Measurements of electroweak and top processes together with improved theory calculations test the Standard Model at unprecedented levels. Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici51

Z boson Z boson signature (~20% inv, ~10% ll, ~70% hh) Focus on leptonic channels: 2 opposite charged, same flavour, isolated leptons with p T > 20 GeV. 60 GeV < m ll < 120 GeV Background Some QCD Some top Results: Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici52

Muon efficiency and momentum scale using Z Clean reconstructed sample of Z  uu allows to detemine: Muon efficiency (tagging one muon and using the other as probe) Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici53

Muon efficiency and momentum scale using Z Clean reconstructed sample of Z  uu allows to detemine: Muon efficiency (tagging one muon and using the other as probe) momentum scale Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici54

W boson W boson signature (~33% lv, ~67% hadrons) Focus on leptonic channels, too much bkg in the hadronic decay 1 isolated lepton with pT >25 GeV Missing energy > 25 GeV Transverse mass > 40 GeV Event can not be fully reconstructed! Backgrounds: Top-pair decay, W  t, Z  ll and QCD processes; in total <10% Main bkg are predicted by MC QCD bkg are determined via data- driven methods. Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici55

W boson Large sample of W bosons Difference in W production wrt Tevatron  interesting inputs W mass is measured via observables that are sensitive to it: P T l, MET and transverse mass m T : Experimental Challenges Missing energy sensitive to pileup and harsh environment Energy scale for leptons Understanding of the detector Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici56 Theoretical challenges: Modeling or radiative correction effects on the shape of template distributions (p T, MET, m T ) MC tuning  reduce the impact of PDFs L = 35 pb -1 Check if yield is reasonable !

W boson Template Fit method: Choose observables which are sensitive to a parameter t (in this case m W ) Use different values of t at the MC generator level to produce several samples and correspondent sensitive observables distributions Compare measured spectrum with generated, for several observables and/or channels and find best t. Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici57

Diboson production (WW/ZZ, etc..) Precision tests of Standard Model and searches of new physics Example: measurement of ZZ production at 8 TeV Reconstructed Z in both e+e- and  +  - Small background contamination Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici58

Diboson production (WW/ZZ, etc..) Precision tests of Standard Model and searches of new physics Example: measurement of ZZ production at 8 TeV Reconstructed Z in both e+e- and  +  - Small background contamination Giugno 2014Fisica ai Collisionatori Adronici59 Measurements are slightly above theory expectations (but in agreement within 1  )