Marina Cobal University of Udine 1 Trieste, fisica sperimentale nucleare e subnucleare Physics at Colliders The Z boson.

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1 Marina Cobal University of Udine 1 Trieste, fisica sperimentale nucleare e subnucleare Physics at Colliders The Z boson

2 2 SM last milestones Discovery of a Higgs particle 2012

3 UA1. Prima Z 4/5/2015 C.8 A. Bettini 3

4 Z  e + e – L’eliminazione delle tracce con p T < 1 GeV rende completamente pulito l’evento, sopravvivono solo elettrone e positrone Il rivelatore centrale tracciante nel campo magnetico misura segno della carica e momento. I calorimetri misurano l’energia degli elettroni Si controlla che E=p Nei calorimetri elettromagnetici le Z appaiono come depositi localizzati di energia in direzioni opposte

5 Carlo Rubbia (1934) Simon van der Meer (1925) Nobel Prize 1984 f or their decisive contributions to the large project, which led to the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction

6 Nobel Prize 1979 for their contributions to the theory of the unified weak and electromagnetic interaction between elementary particles, including, the prediction of the weak neutral current Sheldon Lee Glashow (1932) Abdus Salam (1926 – 1996) Steven Weinberg (1933)

7 7 LEP

8 Misure di Precisione a LEP 8

9 9 Misure di Precisione a LEP: Mz

10 10 Propagatore di un bosone massivo

11  (e + e - >adroni) 11

12 LEP 12

13 LEP experiment: DELPHI 13

14 LEP dal 1989 al 2000 14

15 Campione Z -> adroni 15

16 16 Campione Z -> leptoni

17 Branching Ratio Ovvero quante volte la Z o decade in un particolare tipo di particelle… Previsioni teoriche

18 Trionfo del Modello Standard 1987-1988 analisi complete di tutti i dati disponibili allora concludendo che il MS è in perfetto accordo con i dati L’angolo di Weinberg deve aver lo stesso valore in ogni caso, ma nel confronto bisogna introdurre in ciascun caso delle correzioni radiative, previste dalla teoria Le principali L’accordo si perde se m t >180-200 GeV Da misure precise di LEP di m W e m Z  m t =166±27 GeV

19 Z o → e + e - Udine, 10 marzo 2006 Masterclasses 2006 19 ALEPH

20 Z o →  +  - Udine, 10 marzo 2006 Masterclasses 2006 20 ALEPH

21 Z o →  +  - Udine, 10 marzo 2006 Masterclasses 2006 21 ALEPH

22 Z o → qqbar Udine, 10 marzo 2006 Masterclasses 2006 22 ALEPH

23 Z o → qqbar 23 DELPHI: WIRED

24 24 Risonanza

25 25 Misura della lineshape

26 Esempi. Sezione d’urto al picco 26 Quante Z in µ + µ – si producono con una luminosità (tipica per LEP) L=10 35 m –2 s –1 Cioè circa una al minuto Quante Z in adroni si producono?

27 Correzioni radiative La  Born è troppo semplificata. Ci sono importanti “correzioni radiative”: le maggiori elettromagnetiche, Dominante: Brensstrahlung iniziale Altre correzioni EM minori:

28 La forma della riga Se un elettrone o un positrone irradia un fotone l’energia della collisione diminuisce; diventa risonante √s>M Z. Coda alle alte energie  (picco)= 30%, dM Z  200 MeV Si calcolano le correzioni “ovvie”, si corregge la curva misurata, si estraggono i parametri (massa, larghezza, altezza del picco) M Z costante fondamentale, nei valori delle altre due incertezze teoriche dovute alla non conoscenza perfetta di M H,  s etc

29 Le larghezze parziali della Z Gli esperimenti a LEP hanno misurato le larghezze parziali in e + e –, µ + µ –,    – la “larghezza invisibile” cui contribuiscono tutte le generazioni di neutrini ed eventuali particelle neutre non previste la larghezza in ccbar individuando i vertici secondari di decadimento la larghezza in bbar individuando i vertici secondari di decadimento Perfetto accordo con la teoria (e determinazione di sin 2  W ) Verifica universalità dell’accoppiamento debole neutro dei leptoni

30 Il numero di neutrini

31 31 La misura di Mz

32 Misura di M Z E 1 (e –, µ – ) E 2 (e +, µ + )  Domina l’errore sulle energie (calorimetro) errore statistico su singola misura  (m)  2-3 GeV errore sulla scala  3.1 GeV (UA1); 1.7 GeV (UA2) UA1 (24 Z  ee) M Z =93.1±1.0(stat)±3.1(syst) GeV UA2 M Z =91.5±1.2(stat)±1.7(syst) GeV

33 Dilepton mass spectra near the Z 0 peak (CDF Collaboration) More precise methods give world average values of M Z = 91.187  0.007 GeV/c 2  Z = 2.490  0.007 GeV/c 2 corresponding to a lifetime of 2.6x10 -25 s Branching ratios of leptonic decay modes of Z 0 are around 3.4% for each lepton generation

34 34 Risultati del fit

35 35 Risultati del fit

36 36 Risultati del fit

37 Z signal @ LHC

38 Z Boson Cross Section Trigger requires one electron with E T >20 GeV –Criteria at L1, L2 and L3/EventFilter You select two electrons in the analysis –With certain quality criteria –With an isolation requirement –With E T >25 GeV and |eta|<2.5 –With oppositely charged tracks with p T >10 GeV You require the di-electron mass to be near the Z: 66<M(ll)<116 GeV 38 =>  total   trig  rec  ID  kin  track

39 Total W /Z production x-section X. Wu, SUSY2012, 13/08/12 39 Measurements already limited by sys and lumi uncertainties ATLAS points overlap with CMS Good agreement with NNLO prediction Discriminating power against different PDF sets Phys. Rev. D85 (2012) 072004 CMS-PAS-12-011

40 ZZ production at 8 TeV ATLAS (5.8 fb −1 ) CMS (5.26 fb −1 ) (include 2l2  ATLAS-CONF-2012-090 CMS-PAS-SMP-12-014