GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova1 Ricerca dei bosoni Z’ a CMS Estensioni del modello Standard Limiti attuali sui modelli di Z’ Produzione.

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1 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova1 Ricerca dei bosoni Z’ a CMS Estensioni del modello Standard Limiti attuali sui modelli di Z’ Produzione di Z’ a LHC L1 e HLT a CMS Trigger al MTCC Il canale Z’ →  +   a CMS Effetti disallineamento Z’ →  +  - Effetti scalibrazione Z’ →  +  - Distinzione tra diversi modelli: A FB Distinzione tra diversi spin: cos   Il canale Z’ → e +  e  a CMS Il canale Z’ →  +  - a CMS K0K0 e p Z0Z0  Z’  K + ee H W-W-  - - ee

2 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova2 Estensioni del modello Standard Le simmetrie fondamentali: Ci sono simmetrie piu’ generali di SU(3) C  SU(2) L  U(1) Y ? Perchè porsi il problema vista la precisione dei Modello Standard ? Ovviamente saremmo felici di poter includere anche la forza gravitazionale nella nuova teoria Problemi del Modello Standard L’ampiezza di onda s dello scattering W L W L risulta essere nel limite di alte enrgie: si ha violazione di unitarieta’ senza la condizione M H < ~ 1 TeV - Higgs NO  nuove interazioni (estensione del modello) ; - Higgs SI  problema gerarchico: la massa dell’higgs diverge a causa dei loop fermionici, occorre inserire un cut-off superiore per i momenti. P f <  Scelta naturale se si considera MS come una teoria effettiva inserita in una teoria a scala 

3 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova3 Estensioni del modello Standard Origine dello Z’ Z’ è il nome generico di un nuovo bosone di gauge neutrale, puo’ derivare da diversi modelli Sequential Standard Model: Z’ SSM Grand Unified Theories (GUT): Z’ ,Z’ ,Z’ ,Z’ I  Left-Right symmetric models: Z’ LRM, Z’ ALRM I modelli prevedono gli accoppiamenti, non la massa dello Z’ GUT Il Gruppo E6 puo’ originare il gruppo G MS attraverso i seguenti passi di rottura di simmetria: un bosone Z’ puo’ essere una combinazione dei campi Z’  e Z’  E6 → SO(10)  U(1)  → SU(5)  U(1)   U(1)  → G MS  U(1)   U(1) 

4 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova4 Limiti attuali sui modelli Z’ Ricerca diretta al Tevatron A FB (M ee > 200 GeV) Dati CDF II utilizzando ∫ L = 819 pb -1 CDF Note 8421 – July 25 2006 Dati CDF II utilizzando ∫ L = 448 pb -1 hep-ex 0602045 – Feb 24 2006 95% C.L. Limiti indiretti dai dati di LEP I limiti indiretti dai dati di LEP sono ricavati dai fit elettrodeboli di  Z e A FB Si ricavano limiti indiretti dello stesso ordine di quelli diretti Indirect limit (GeV/c2) | 1500 | 680 | 350 | 619 | 95% C.L.

5 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova5 L = 2 10 33 cm -2 sec -1 = 2 nb -1 sec -1 Events / s 1 TeV 3 TeV 5 TeV Z SSM 0.032 0.013 10 -2 0.023 10 -4 Z  0.006 0.002 10 -2 0.004 10 -4 Z  0.009 0.003 10 -2 0.006 10 -4 Z  0.010 0.003 10 -2 0.005 10 -4 Z LRM 0.027 0.010 10 -2 0.017 10 -4 Z ALRM 0.013 0.006 10 -2 0.011 10 -4 Produzione di Z’ a LHC L = 10 32 cm -2 sec -1 = 0.1 nb -1 sec -1 Events / year 1 TeV 3 TeV 5 TeV Z SSM 50 10 3 20 10 1 36 10 -1 Z  9.5 10 3 3 10 1 6 10 -1 Z  14 10 3 5 10 1 9 10 -1 Z  16 10 3 5 10 1 8 10 -1 Z LRM 42 10 3 16 10 1 27 10 -1 Z ALRM 20 10 3 9 10 1 17 10 -1 Va poi considerato il BR che nel caso di Z’ →  +    varia dal 3% al 9%

6 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova6 L1 e HLT a CMS Daq CMS Bunch crossing 40 MHz 80% bunches filled Rate = 32 MHz 1 evento 10 8 canali 1 MB RAW data Limite acquisizione ~ 100 Hz L1 trigger HLT (L2+L3 trigger) 32 M Hz ~30 kHz ~ 100 Hz Esempio: Online reconstr. (Trigger) Offline recontruct. Segmento in una camera L1 RecHIT Traccia con DT+CSC+RPC L2 StandAloneMuon Traccia con tracker L3 GlobalMuonReco Luminosità iniziale: L = 10 32 cm -2 sec -1 L1 up to 100 kHz L1 up to 50 kHz (2008) Bassa luminosità L = 2 x 10 33 cm -2 sec -1 Alta luminosità L = 10 34 cm -2 sec -1

7 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova7 L1 e HLT a CMS Muoni: Soglie con Pt stimato con i singoli rivelatori a muoni con criteri di qualita’ (DT: HH+HL) Elettroni: Soglie con Et in una torre di trigger (matrice 5 x 5 cristalli) Trigger L1 - Bassa luminosità ( L = 2 x 10 33 cm -2 sec -1 ) Trigger L1 - Luminosità iniziale ( L = 10 32 cm -2 sec -1 ) Tabella di trigger in preparazione

8 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova8 L1 e HLT a CMS Il trigger inclusive electron e di-electron occupa 1/3 del rate totale Il trigger inclusive muon e di-muon occupa 1/3 del rate totale Trigger HLT - Bassa luminosità ( L = 2 x 10 33 cm -2 sec -1 )

9 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova9 DT Triggers (MB2*MB3, masked MB1 all wheels/sectors) RPC Triggers (4 out of 5) W+1W+2 DT e RPC trigger Run 4181, B=3.8 T Trigger al MTCC

10 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova10 x 32,000 RPC triggers Entries in MB1 Il 93 % degli eventi con trigger RPC hanno delle tracce DT-MB1 utilizzabili per la ricostruzione globale Ricostruzione nel Barrel Trigger al MTCC Run 4181, B=3.8 T S10 S11 S10 S11

11 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova11 Z’ →  +  - a CMS Il segnale Il canale Z’→  è stato considerato come riferimento per uno studio dettagliato nel Physics TDR di CMS. Sono stati considerati sei possibili bosoni Z’: La generazione di PYTHIA include le possibili interferenze  / Z0 / Z’ Sono state studiate tre diverse masse invarianti: 1 TeV, 3 TeV, 5 TeV Le sezioni d’urto in tabella sono mostrate all’ordine LO. Sono state moltiplicate per un fattore k=1.35 per considerare le correzioni QCD all’ordine NNLO Z’ SSM Z’  Z’  Z’  Z’ LRM Z’ ALRM

12 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova12 Z’ →  +  - a CMS  ·BR fb 0.3  · BR fb 0.3 Il fondo Il fondo dominante (ed irriducibile) e’ il Drell-Yan Z  *→  +  -. E’ stato considerato all’ordine NNLO come il segnale Ulteriori contributi (ZZ, ZW, WW, tt) sono risultati essere trascurabili avendo sezioni di produzione molto piu’ basse ed essendo riducibili con selezioni specifiche. DY →  ZZ,ZW,WW →  Xtt →  X Mass interval > 1 TeV

13 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova13 Z’ →  +  - a CMS La selezione - L1 single muon OR L1 di-muon - HLT single muon OR HLT di-muon Efficienza Z’ con trigger L1/HLT (Z’ con un  con |  |<2.1 ed entrambi con |  |<2.4 ): M Z’ = 1TeV 98% M Z’ = 5TeV 95% L = 2 x 10 33 cm -2 sec -1 M Z’ = 1TeV 95% M Z’ = 5TeV 93% L = 10 34 cm -2 sec -1 non si prevedono rilevanti incrementi nel caso di L = 10 32 cm -2 sec -1 da confrontore con Eff ~99% per muoni singoli con 10 GeV < Pt < 100 GeV da combinare con l’accettanza: entrambi i muoni entro l’accettanza del rivelatore (|  |  ) M Z’ = 1TeV 80% M Z’ = 5TeV 95%

14 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova14 Z’ →  +  - a CMS Ricostruzione offline di 2  di carica opposta con specifiche correzioni Efficienza Z’ ricostruzione nella regione |  |<2.1 M Z’ = 1TeV 97% M Z’ = 5TeV 95% 2006 L = 2 x 10 33 cm -2 sec -1 M Z’ = 1TeV 90% M Z’ = 5TeV 75% 2004 Efficienza Z’ complessiva (accettanza + trigger&ricostruzione) M Z’ = 1TeV 77% M Z’ = 5TeV 85% L = 2 x 10 33 cm -2 sec -1 Lo spettro di massa Z   M = 1TeV Allineamento ideale L = 0.1 fb -1 12 g L = 10 32 cm -2 sec -1

15 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova15 Correzione per effetti di Bremsstrahlung Candidati fotoni vengono ricercati in un cono con  R < 0.1 intorno alla traiettoria del  Il quadri-impulso del fotone con minore  R viene aggiunto a quello del  Gli hit delle camere a  (escluso quella piu’ interna) vengono rimossi dal fit della traccia se vi e’ evidenza di uno sciame elettromagnetico Z’ →  +  - a CMS

16 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova16 Effetti disallineamento Z’ →  +  - Gli scenari di disallineameneto - “Survey” 0 → 0.1 fb -1 disallineamento tra i supporti: 2.5 mm 0.25 mrad disallineamento tra camere a muoni e supporti: 1.0 mm 0.50 mrad - “First data scenario” (allineamento con laser e tracce) 0.1 →1 fb-1 disallineamentro tracker-muon det.: 1 mm 0.20 mrad disallineamento muon det.: 1 mm 0.25 mrad disallineamento tracker ~ 10  m pixel ~100  m silicon - “Long term scenario” oltre 1 fb-1 disallineamentro tracker-muon det.: 200  m 0.05 mrad disallineamento tracker ~ 10  m pixel ~10  m silicon

17 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova17 Effetti disallineamento Z’ →  +  - Esempio di spettro Z  con M Z’ = 1 TeV con luminosita’ integrata di 0.1 fb-1 PTDR V2 - CMS NOTE 2006/062 Allineamento ideale First data scenario Risoluzione massa: ~10% M Z’ = 1 TeV “first data” 4% M Z’ = 3 TeV “long term”

18 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova18 Effetti disallineamento Z’ →  +  - Il “long term scenario” rispetto al detector perfettamente allineato ha una risoluzione peggiore di circa il 25% Il “first data scenario” rispetto al detector perfettamente allineato ha una risoluzione peggiore di circa il 300% L’efficienza non presenta significative differenze 30% 10% 4% 1% Allineam. perfetto → Long term → First data →

19 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova19 Effetti disallineamento Z’ →  +  - significativita’ First data scenario Long term scenario Significatività 5  meno di 0.1 fb -1 1 -10 fb -1 piu’ di 100 fb -1

20 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova20 Effetti scalibrazione Z’ →  +  - Limiti superiori di scalibrazione delle camere Muon Barrel Drift Tubes: 1)t 0 = 2 nsec → effetti trascurabili per entrambi gli scenari di allineamento 2)Vdrift = ± 3% → “first data scenario” effetti trascurabili per efficienza e risoluzione; “long term scenario” effetti trascurabili per l’efficienza; incremento del 5-10% per la risoluzione di M Z’. Effetti trascurabili sulla significatività ottenibile

21 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova21 Distinzione tra diversi modelli: A FB Asimmetria forward backward Nelle interazione p-p vi sono elementi di incertezza: 1) da quale protone e’ derivato il quark e da quale l’antiquark ? 2) nel riferimento della Z’ i due protoni non risultano piu’ collineari, l’angolo   non e’ determinabile in modo preciso. Si assume che: 1)la direzione sull’asse z della Z’ determini la direzione del quark, dunque il segno di   La frazione dei casi in cui l’ipotesi non è corretta produce una diluizione dell’asimmetria 2) l’angolo sia in approssimazione quello tra i leptoni ed il piano dei protoni nel riferimento della Z’ (Collin-Soper frame).  ForwardBackward qq   _    angolo tra    e quark incidente nel riferimento della coppia di 

22 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova22 Distinzione tra diversi modelli: A FB Parametri di generazione dello Z’ in PYTHIA PARU(121)-PARU(128) accoppiamenti 1 a gen. di quark e leptoni (d V d A u V u A e V e A eV eA ) PARJ(180)-PARJ(187) accoppiamenti 2 a gen. di quark e leptoni (s V s A c V c A  V  A V A ) PARJ(188)-PARJ(195) accoppiamenti 3 a gen. di quark e leptoni (b V b A t V t A  V  A V A ) PMAS(32) massa Z’ Sequential Standard Model Gli accoppiamenti sono assunti essere uguali a quelli del bosone Z 0 2(I 3f – 2Q f sin 2  w ) C dv = PARU(121) = C sv = PARJ(180) = C bv = PARJ(188) = -1 + 4/3 sin 2  w C dA = PARU(122) = C sA = PARJ(181) = C bA = PARJ(189) = -1 GUT Gli accoppiamenti C V e C A sono diversi per Z  Z  Z  Z I C dv (Z  ) = 0 C dv (Z  ) = 2/3 √6 sin  w C dv (Z  ) = sin  w C dv (Z I ) = 1/3 √15 sin  w

23 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova23 Distinzione tra diversi modelli: A FB CMS NOTE 2005/022 M Z’ = 1 TeV L = 10 fb -1 M Z’ = 3 TeV L = 400 fb -1

24 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova24 Distinzione tra diversi modelli: A FB Tabelle di significativita’ per confronto tra coppie di Z’ M Z’ = 1 TeV L = 10 fb -1 M Z’ = 3 TeV L = 400 fb -1

25 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova25 Distinzione tra diversi spin: cos   Gravitone con S=2 o Z’ con S=1 ? Sezioni di produzione LO in fb di G KK per diverse masse e costanti di accoppiamento (c).

26 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova26 Distinzione tra diversi spin: cos   CMS NOTE 2006/104 Distribuzioni angolari per G KK e Z’ da 3 TeV In bianco la distribuzione del generatore, in colore la distribuzione dopo la simulazione del rivelatore e ricostruzione delle tracce. Limiti di massa per la distinzione di G KK da Z’ entro 2  Z’G KK

27 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova27 Il segnale Il canale Z’→ e + e -  è stato studiato in modo analogo al canale Z’→  +  - con la simulazione del rivelatore per diversi Z’. (Nota CMS AN2006/096) Sono state considerate tre diverse masse invarianti: 0.8 TeV, 1.5 TeV, 4 TeV Z’ SSM Z’  Z’  Z’  Z’ I  Z’ LRM Z’ → e + e - a CMS Il fondo Il fondo dominante (ed irriducibile) e’ il Drell-Yan Z  *→ e + e . Ulteriori contributi (ZZ, ZW, WW, tt) sono trascurabili avendo sezioni di produzione molto piu’ basse ed essendo riducibili con selezioni specifiche.

28 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova28 La selezione - HLT di-electron - Ricostruzione di 2 cluster (supercluster) in ECAL con specifiche correzioni Efficienza ricostruzione degli elettroni Efficienza ricostruzione Z’ provenenti da Z’ nella regione |  |<2.4 nella regione |  |<2.7 ~ 97 % 92-95 % Z’ → e + e - a CMS Ricostruzione cluster nel barrel: “Hybrid Algorithm ” Ricostruzione cluster negli endcap : “Island Algorithm ”

29 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova29 Correzione per la Bremsstrahlung non recuperata Il rapporto E sc /E true mostra che è necessaria una correzione dipendente dal numero di cristalli per un completo recupero dell’energia dei fotoni di bremsstrahlung Correzione di saturazione Il convertitore ADC del cristallo centrale raggiunge il massimo conteggio a 1.7 TeV nel barrel e 3 TeV negli endcap. Oltre tali energie e’ necessaria una correzione di saturazione. Si applica un algoritmo che utilizza la risposta dei cristalli adiacenti a quello centrale. Z’ → e + e - a CMS La Correzione dipende da E1 e (E9-E4)

30 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova30 Errata assegnazione della carica: M Z’ = 0.8 TeV M Z’ = 1.5 TeV M Z’ = 4TeV 0.2 % 0.4% 0.6% Non si richede che la coppia di elettroni abbia carica opposta Lo spettro di massa Z   M = 1.5 TeV Configurazione nominale (c = 0.5%) L = 1 fb -1 120 g L = 10 32 cm -2 sec -1 Z’ → e + e - a CMS

31 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova31 Z’ → e + e - a CMS c = 0.5% c = 3% (“first data”) c = 3% No Forward ECAL ~ 2 x L

32 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova32 significatività 5  CMS Z’→  +  - Z’ → e + e - a CMS 0.8 TeV - 1 TeV “First data scenario” da 1.5 TeV in poi “Long term scenario” significatività 5  1 2 3 4 Z’ mass (TeV)

33 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova33 Identificazione   -jet trigger, sfrutta l’isolamento nel tracker partendo da un seed nei calorimetri Ricostruzione  -jet Ricostruzione vertice  L’approssimazione di collinearita’ tra  -jet e neutrino- , piu’ la misura di Missing E T, permette il calcolo della massa invariante della risonanza Verificato per Higgs in coppie di tau, previsto uno studio per Z’. Z’ →  +  - a CMS

34 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova34 T0 T1 T2 AOD RECO Flusso dati, ricostruzione e analisi sperimentato in CSA06 U.I.

35 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova35 W, Z Top Higgs SUSY Z’, extra-dim, etc. QCD B phys, J/ , Y La Rete dei Canali di Fisica in CMS Italia Z’→  +  - Z’→e + e - Z’→  +  -

36 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova36 Evento Z’ →  +  - a CMS Evento Z’ di 3 Tev (sono mostrate solo le tracce di 

37 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova37 Backup Slides Backup

38 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova38 Estensioni del modello Standard Tabella accoppiamenti C V C A Z’ GUT Modelli Left – Right symmetric Da SO(10) si possono ricavare diverse simmetrie: SO(10) → SU(3) c  SU(2) L  U(1) Y  U(1)  SO(10) → SU(3) c  SU(2) L  SU(2) R  U(1) B-L ( s = sin  W )

39 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova39 L1 e HLT a CMS Efficienza di Trigger (L2) nei diversi rivelatori a muoni

40 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova40 Effetti disallineamento Z’ →  +  - Incertezza teorica sulla stima delle Luminosita’ integrata necessaria per ottenere Una significativita’ di 5 

41 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova41 Correzione di saturazione. La correlazione tra E 1 e (E 9 -E 4 ) permette di effettuare la correzione Z’ → e + e - a CMS Correzione di contenimento La correzione di contenimento varia con la pseudorapidita’, per elettroni di 500 GeV a eta=0 e’ circa il 3%

42 GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova42 Elettroni Mu Tau Particle Flow (Jet) B tagging e Tracciatura La Rete dei Physics Objects in CMS Italia