Andrea Giammanco SNS & INFN Pisa. 2 Cosa ci possono dire le misure di precisione La dipendenza da m H puo’ manifestarsi da correzioni radiative. Esempio:

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1 Andrea Giammanco SNS & INFN Pisa

2 2 Cosa ci possono dire le misure di precisione La dipendenza da m H puo’ manifestarsi da correzioni radiative. Esempio: m W =m W (m t 2, log(m H )) SM (17 parametri) m fermioni (9) m bosoni (2) V CKM (4)G F (1) mHmH predizioni dai decadimenti n,  non ancora scoperto da misure dirette dai decadimenti dei mesoni (fino allo 0.1%)  t  m t 2  H  ln(m H /m W ) Da misure di precisione: indicazioni sul parametro mancante m H test di validita’ dello Standard Model

3 3 Il punto della situazione Stato attuale degli input: m t =178.0 ±4.3(exp) GeV m W =80.425 ±0.038(exp) GeV m Z =91.1876 ±0.0021(exp) GeV  Z =2.4952 ±0.0023(exp) GeV Attese per il run II di Tevatron:  m t  2.5 GeV ;  m W  25 MeV   m H /m H  35% Cosa ci aspettiamo ad LHC? Le incertezze del fit elettrodebole sono dominate da m t, m W direct indirect Ogni “osservabile” (A q, A l, R q, R l, , m, sin  W, …) puo’ essere considerata funzione di:  had,  s (m Z ), m Z, m t, m H m H <211 GeV @95% CL 5 GeV (1  ) su m t si traducono nel 35% su m H ! Per avere lo stesso impatto su m H : (  m H /m H  53%) EXCLUDED

4 4 Statistica a LHC LHC Tevatron 10 34 2x10 33 <10 32 Lumi cm -2 s -1 100 10 0.3 Int. Lumi/y fb -1 14LHC (high lumi) 14LHC (low lumi) 2TeVatron E CM TeV process  (pb) Events/sEvents/y bb 5  10 8 10 6 10 12 Z  ee1.5  10 3 ~310 7 W  e 1.5  10 4 ~3010 8 WW  e X 610 -2 6  10 3 tt830~210 7 H (700 GeV) 1 2  10 -3 10 4 A bassa luminosita‘:  200 bosoni W  50 bosoni Z  1 coppia ttbar al secondo!

5 5 Massa del W A LEP il “golden channel” era WW->l qq. Ma a LHC la sezione d’urto per questo processo e’ bassa (12 pb) e i fondi molto piu’ grandi. W singolo in l : non e’ possibile una misura diretta di m W perche’ il neutrino non e’ ricostruito, ma la statistica e’ enorme ( 3  10 4 pb ). e W beam line (missing p T ) ATLAS fast simulation Efficienza di selezione: ~25% con p T >25 GeV E T miss >30 GeV Nessun jet con p T >30 GeV Rinculo: |u|<20 GeV La statistica (dopo selezione) e’ 50 volte quella di Tevatron  <2MeV/y per esp. di incertezza statistica (e per quanto concerne i sistematici?) regione di fit

6 6 Sistematici strumentali E’ realistico raggiungere una precisione dello 0.02% sull’energia del leptone…  Z  ee,   , J/   ee,  significa ~15 MeV/y per esp. per leptone … e un errore ~1-2% sulla risoluzione in E,p  larghezza della Z  dati dai test beam ~5 MeV/y per esp. per leptone Recoil modelling (UE + rivelatore)  occorre conoscere la scala energetica e la risoluzione del sistema adronico che rincula contro il W (+UE); si usano Z+jets, con Z  ~5 MeV/y per esp. per leptone (scala con la statistica di Z) L’errore di estrapolazione Z  W e’ piccolo CDF  (1/p T )=(0.91  0.04)10 -3 GeV -1 m Z PDG /m Z CDF =1.00085  0.00106 Check con , J/ 

7 7 Sistematici dalla fisica Modellizzazione dell’emissione di gluoni soffici  risposta del detector.  usare per quanto possibile i dati stessi per calibrazioni in-situ. p T (W)  usare p T (Z) da Z , e riscalare p T (W) a p T (Z) nei modelli MC. ~5 MeV/y per esp. per leptone Incertezze sulle PDF  Confronto di diversi modelli, usare dati da Z e W ~10 MeV/y per esp. per leptone Larghezza del W  da misura di <10 MeV/y per esp. per leptone Decadimenti radiativi  cercare W   ? <10 MeV/y per esp. per leptone (occorrono nuovi calcoli dai teorici) Background  checks su Z e W  <5 MeV/y per esp. per leptone Assunzione implicita che sia valido lo SM Da LEP Dalla teoria CDF

8 8 Massa del W: Tevatron/LHC Fonte d’erroreCDF Run IbATLAS 30k eventi, 84 pb -1 60M eventi, 10 fb -1 Statistico65 MeV< 2 MeV Lepton scale75 MeV15 MeV Risol. E,p25 MeV5 MeV Recoil model33 MeV5 MeV Largh. W10 MeV7 MeV PDF15 MeV10 MeV Dec. radiativi20 MeV< 10 MeV P t (W)45 MeV5 MeV Fondi5 MeV TOTALE113 MeV25 MeV Realistico, anche se non facile. L’errore combinato da LHC (tenendo conto delle correlazioni) sarebbe cosi’ di ~15 MeV. Incertezze per esperimento per anno e per leptone Il principale miglioramento; l’errore statistico diventa trascurabile Calibrazione interna, soprattutto da misure con le Z.

9 9 Parton Distribution Functions (PDF) y = pseudorapidity DGLAP evolution Estrapolazione dei dati da HERA Ad alta energia, un urto pp e’ un urto tra partoni: gg  H qq  W  l  occorre conoscere pdf(x,Q 2 ) per sapere l‘energia nel c.m. dell‘urto Z W tt

10 10 Parton Distribution Functions (PDF) Quali eventi usare per sondare le PDF: Processo:Limiti sulle PDF di: Di-jetsQuark e gluoni Jet + fotoneQuark e gluoni Jet + W/ZQuark e gluoni W e ZQuark Drell-YanQuark q q q q q q q q W l q q g g g g g g/W/Z/  Z/  l l

11 11 Studiare le PDF con W e Z le distribuzioni di p T e rapidita‘ dipendono fortemente dalle PDF il rapporto tra le sezioni d‘urto W + /W  e‘ una misura indiretta di u(x)/d(x) Esempio: con soli 0.1 fb -1, ovvero 2·10 6 W  prodotte Sensibile a piccole differenze nella distribuzione di sea-quarks (due diversi modelli di PDF)

12 12 PDF dei quark pesanti  isolato ad alto p T + jet con  non isolato Fotone + jet da quark pesante (b,c) W + jet da quark c e/  isolato ad alto p T + jet con  non isolato Analisi adatta per la fase a bassa luminosita’ Accuratezza stimata sulle PDF: 5-10% Limitazione principale: incertezza sulle funzioni di frammentazione

13 13 Jet di altissima energia Sonda per le PDF, test di QCD ad altissima energia, fondo per nuova fisica (risonanze pesanti che decadono in di-jet). Atlas E T of jetEvents > 1 TeV 4  10 6 > 2 TeV 3  10 4 > 3 TeV400 Per 300 fb -1 : Possibile arrivare a energie molto elevate…

14 14 >10 7 events/y-e 310 5 events/y-e >3000 events/y-e Coppie di leptoni Drell-Yan /Z/Z q q e,e, e+, +e+, + LHC 1 fb -1 Inverso di e + e   qq a LEP La sezione d’urto puo’ essere usata per: informazioni sulle PDF estrazione della luminosita’ partonica ricerca di Z’, extra dim., altra nuova fisica Il range di massa copribile da LHC e’ molto maggiore di quello di Tevatron

15 15 Coppie di leptoni Drell-Yan Atlas In linea di principio da questo processo si puo’ misurare l’angolo di Weinberg. A FB attorno al picco della Z grande sezione d‘urto a LHC:  (Z  e+e  )  1.5 nb errore statistico con 100 fb -1 :  sin 2 W  0.00014 Per misurare un’asimmetria avanti-indietro occorre definire la direzione “in avanti”. In un collider pp e’ meno ovvio che a Tevatron. Soluzione: i sea-(anti)quarks hanno impulso medio minore dei quark di valenza, quindi y(ll) dara’ una misura della direzione del quark. A FB dipendera’ da y, e sara’ massimo in avanti (occorrera’ una buona lepton id a piccolo angolo) (Ma grandi errori sistematici - ancora da valutare ma probabilmente dominanti sullo statistico - da PDF, accettanza dei leptoni, corr. radiative.) Fit simultaneo per estrarre PDF e angolo di Weinberg?

16 16 Produzione di di-bosoni CP dim6,  s 3/2 f4f4 CP dim6,  s 3/2 f5f5 CP dim8,  s 5/2 h4h4 CP dim6,  s 3/2 h3h3 CP dim8,  s 5/2 h2h2 CP dim6,  s 3/2 h1h1 Da‘ una misura degli accoppiamenti di gauge tripli (TGC) e un test degli auto-accoppiamenti dei bosoni di gauge. Grande vantaggio di LHC  I vertici WW  e WWZ fanno parte del Modello Standard Richiedendo C,P ma non la invarianza di gauge  5 parametri d‘accoppiamento  I vertici ZZ  e ZZZ sono proibiti dal Modello Standard Richiedendo solo la simmetria di Lorentz e quella di Bose  12 parametri d‘accoppiamento h i V, f i V (V= ,Z)

17 17 WW  Atlas W  e /  La sensibilita’ agli accoppiamenti anomali viene dalla parte alta dello spettro in P t dei due bosoni:

18 18 WW  Sensibilita’ agli accoppiamenti: LEP 2004 Atlas 30 fb -1 Come detto prima, la dipendenza da s da’ per il limite su un enorme vantaggio a LHC rispetto agli acceleratori precedenti

19 19 ZZ  Z  e + e – /  +  – Spettro in P t del fotone: M T (ll  ):

20 20 Produzione di tri-bosoni Events for 100 fb -1 (m H = 200 GeV) Produced (no cuts,no BR) Selected (leptons, p T >20 GeV, |  | < 3) pp  WWW (3 ´s) 31925180 pp  WWZ (2 ´s) 2091532 pp  ZZW 63782.7 pp  ZZZ 48830.6 pp  W  best channel for analysis Atlas SM QGC anomali 30 eventi W  in 30 fb -1 Misura gli accoppiamenti quartici (QGC)

21 21 Conclusioni Ringraziamenti: Joachim Mnich, Roberto Chierici Nonostante sia una “macchina da scoperte”, LHC puo’ permettere parecchia fisica di precisione, grazie all’altissima luminosita’ e alle sezioni d’urto molto alte di alcuni processi elettrodeboli alle sue energie. Il vantaggio in termini di statistica e’ pero’ compensato dai sistematici, sia strumentali che da fisica. Il principale sistematico dalla fisica e’ l’incertezza con cui sono conosciute le PDF. Le migliori “sonde” con cui cercare di conoscere meglio le PDF proverranno proprio dalla “zoologia” della fisica elettrodebole: W, Z, , Drell-Yan,… Allo stesso modo, le risonanze del Modello Standard fungeranno da “candele standard” per le calibrazioni, aiutando a ridurre anche i sistematici strumentali.

22 22 Trasparenze di backup

23 23 Misura di  s Atlas

24 24 Massa del W: Tevatron/LHC Il principale miglioramento; l’errore statistico diventa trascurabile Realistico, anche se non facile. L’errore combinato da LHC (tenendo conto delle correlazioni) sarebbe cosi’ di circa 15 MeV. Run IA Incertezze per esperimento per anno e per leptone Calibrazione interna, soprattutto da misure con Z.