Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 1 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b nellesperimento ATLAS ad LHC.

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1 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 1 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b nellesperimento ATLAS ad LHC Sara Diglio

2 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 2 30/03/2005 Indice Introduzione a LHC : l esperimento ATLAS Introduzione a LHC : l esperimento ATLAS Motivazioni dello studio del canale Z+b Motivazioni dello studio del canale Z+b Risultati ottenuti al Tevatron allesperimento D0 Risultati ottenuti al Tevatron allesperimento D0 Aspettazioni al Tevatron e ad LHC Aspettazioni al Tevatron e ad LHC Il software: programmi di simulazione Il software: programmi di simulazione Studi preliminari Z+b ad ATLAS: Studi preliminari Z+b ad ATLAS: - definizione degli eventi di segnale e di fondo - definizione degli eventi di segnale e di fondo - criteri di selezione del campione di segnale - criteri di selezione del campione di segnale - stima del numero eventi di segnale e di fondo attesi nel primo anno di presa dati ad LHC - stima del numero eventi di segnale e di fondo attesi nel primo anno di presa dati ad LHC - distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come provenienti da un quark b - distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come provenienti da un quark b Conclusioni Conclusioni

3 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 3 Lanello di collisione LHC Il Large Hadron Collider è un collisore adronico protone-protone (ione-ione) che verrà installato al Cern di Ginevra nel tunnel che ha ospitato il LEP Protone-protone 2835 X 2835 pacchetti Protoni/pacchetto Energia dei fasci 7 + 7 TeV = 14 TeV Luminosità cm s Collisioni - Hz Vari rivelatori sono in costruzione per LHC per registrare ciò che accade nelle collisioni tra particelle Uno di questi esperimenti è ATLAS jet Particelle

4 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 4 30/03/2005 Il rivelatore ATLAS Rivelatore interno Misura i parametri delle particelle cariche: segno della carica momento della particella direzione iniziale vertice di interazione Calorimetro elettromagnetico Misura energia di elettroni, positroni e fotoni prodotti da sciami elettromagnetici Calorimetro adronico Misura energia degli adroni prodotti da sciami adronici Spettrometro per muoni Misura l impulso dei muoni (che sono le uniche particelle cariche che non rilasciano energia nei calorimetri) A Toroidal Large Acceptance Spectrometer Regione centrale del barrel copertura angolare impulso trasverso dei jet GeV Regione degli end-caps

5 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 5 Motivazioni dello studio del canale Z+b Informazioni sulla funzione di densità partonica del quark b Fondo alla ricerca dellHiggs supersimmetrico che decade negli stessi stati finali della Z Fondo alla ricerca dell Higgs del MS nel canale pp ZH con H bb Canale bg Z+b 1 solo jet Nel rivelatore ci si aspetta di osservare: - 1 jet proveniente dal quark b - i prodotti di decadimento dello Z

6 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 6 Eventi di fondo al canale Z+b Z + c Z + Q Q Z + jet quark leggerogluone Quark pesanti: b, c 1 solo jet

7 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 7 Risultati ottenuti al Tevatron dallesperimento D0 Il Tevatron è un collisore adronico protone-antiprotone attualmente in funzione al Fermilab allenergia nel c.m TeV D0 è lesperimento che sta utilizzando i dati raccolti tra l Agosto 2002 e il Settembre 2003 per studiare il canale TEORIA NLO (F.Maltoni et al.)ESPERIMENTO Algoritmo di analisi S elezione eventi Z+jet con o Applicazione b-tagging Calcolo numero eventi contenenti quark b, c o leggeri (assumendo N c /N b dalla teoria)

8 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 8 Predizioni teoriche ad LHC e al Tevatron Non considerate nello studio effettuato per LHC I calcoli sono stati effettuati da Maltoni et al. al NLO [arXiv:hep-ph/0312024] : Il processo risulta più favorito ad LHC che al TEVATRON LHC: contributo Zbb ~5% del segnale TEVATRON: contributo Zbb ~50% del segnale LHC: il fondo supera il segnale di ~35% TEVATRON: il fondo supera il segnale di ~70% LHC: il fondo è 15 volte il segnale TEVATRON: il fondo è 75 volte il segnale

9 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 9 Il software: generazione e ricostruzione vita realerealtà virtuale Produzione di eventi Osservazione e registrazione degli eventi Macchina eventi Generatore di eventi Simulatore del rivelatore Rivelatore, acquisizione dati Ricostruzione degli eventi Analisi fisica I programmi di simulazione sono utilizzati per valutare la possibilità di osservare o meno un determinato segnale I Monte Carli sono anche usati per calcolare efficienze ed accettanze che saranno usate per correggere misure reali distorte da selezioni sperimentali Lo studio è stato interamente realizzato attraverso luso di programmi di simulazione

10 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 10 Il software: generazione e ricostruzione 1. generatore di eventi: PYTHIA 2. simulatore veloce del rivelatore: ATLFAST Lo studio è stato interamente realizzato attraverso luso di programmi di simulazione PYTHIA Descrive collisioni tra particelle elementari ad alte energie E in grado di effettuare calcoli solo allordine leading Cascata partonica: stato finale Cascata partonica: stato iniziale Adronizzazione ATLFAST Simulatore veloce della risposta del rivelatore ATLAS Solo informazioni basilari sulla geometria del rivelatore sono incluse Ricostruzione al particle-level Parametrizzazione basata sui risultati del simulatore completo particelle generate da PYTHIA particelle isolate e non celle calorimetriche cluster jet energia mancante Informazioni fornite GENERAZIONE RICOSTRUZIONE

11 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 11 Studi preliminari Z+b in ATLAS Generazione con PYTHIA di un campione di 500000 eventi Z+jet (di qualunque flavour) con e ricostruzione con ATLFAST Generazione con PYTHIA di un campione di 500000 eventi Z+jet (di qualunque flavour) con e ricostruzione con ATLFAST Definizione degli eventi di segnale e di fondo Definizione degli eventi di segnale e di fondo Selezione del campione di segnale: Selezione del campione di segnale: - metodo inclusivo di b-tagging dei jet - metodo inclusivo di b-tagging dei jet - efficienza di riconoscimento degli eventi Z+b - efficienza di riconoscimento degli eventi Z+b Stima della componente di fondo nel campione selezionato sperimentalmente Stima della componente di fondo nel campione selezionato sperimentalmente Numero di eventi di segnale e di fondo attesi nel primo anno di presa dati dellesperimento ATLAS Numero di eventi di segnale e di fondo attesi nel primo anno di presa dati dellesperimento ATLAS Distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come provenienti da un quark b Distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come provenienti da un quark b E stato effettuato uno studio preliminare delle possibilità di studio del canale Z+b allesperimento ATLAS

12 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 12 Definizione del segnale e del fondo Levento deve contenere un quark b prodotto in associazione a uno Z Levento deve contenere un quark b prodotto in associazione a uno Z Impulso trasverso del quark b: GeV Impulso trasverso del quark b: GeV Pseudorapidità del quark b: Pseudorapidità del quark b: Segnale (S) Fondo (B) 1.Z+c: in associazione a uno Z levento deve contenere un quark c con: - GeV e 2.Z+q oppure Z+g: in associazione a uno Z levento deve contenere un quark leggero o un gluone con: - GeV e 3.Z+altro tutto ciò che non rientra nel segnale e nei fondi di sopra Il segnale è pari a ~1.4% degli eventi totali generati (7222 eventi) Gli eventi di fondo sono quelli erroneamente identificati come Z+b

13 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 13 Selezione del campione di segnale Presenza di almeno un jet adronico Presenza di almeno un jet adronico Presenza di almeno due muoni di carica opposta Presenza di almeno due muoni di carica opposta Impulso trasverso dei muoni: GeV Impulso trasverso dei muoni: GeV Accettanza dei muoni: Accettanza dei muoni: Intervallo di massa invariante Intervallo di massa invariante 80 GeV 105 GeV 80 GeV 105 GeV A seguito di queste selezioni il campione di 500000 eventi è ridotto a ~ 66 % degli eventi totali generati ( 332534 eventi)

14 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 14 30/03/2005 Selezione del campione di segnale Metodo inclusivo di b-tagging dei jet A seguito dei tagli sperimentali applicati per isolare il campione di eventi di segnale, è stata richiesta la presenza nellevento di almeno 1 jet identificato come proveniente da un quark b Vertice primario dellinterazione parametro di impatto Traccia estrapolata allindietro Vertice secondario, ladrone bottomato decade L adrone contenente un quark b è generato nel vertice primario dell interazione il vertice primario è determinato estrapolando all indietro le tracce cariche nella regione di collisione tra i due fasci Le tracce mal compatibili con il vertice primario sono rimosse dal fit in iterazioni successive Il tempo di vita medio di un adrone contenente un quark b ( ~ 1.5 ps) è abbastanza lungo da permettere a un adrone di energia attorno ai 30 GeV di percorrere una distanza L ~ 3 mm prima di decadere

15 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 15 Selezione del campione di segnale Segnale Presenza di almeno 2 muoni di carica opposta Presenza di almeno un jet GeV 105 GeV80 GeV Presenza di un jet identificato come b Efficienza di riconoscimento degli eventi Z+b con 7222 6143 4552 3706 3364 1022

16 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 16 Stima della componente di fondo nel campione selezionato sperimentalmente Sugli eventi di fondo sono stati applicati gli stessi criteri di selezione utilizzati per gli eventi di segnale Probabilità di errore nellidentificazione degli eventi Z+b con

17 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 17 Numero di eventi attesi E stato calcolato il numero di eventi di segnale e di fondo attesi nel primo anno di presa dati allesperimento ATLAS Luminosità integrata prevista per il primo anno di presa dati Efficienza = frazione di eventi selezionati dai tagli sperimentali Sezioni durto teoriche per i processi di segnale e di fondoProbabilità di decadimento della Z in due muoni Purezza i : - Z+b - Z+c - Z+q o Z+g - Z+altro

18 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 18 Distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come provenienti da un quark b 33.41 26.00 Segnale Fondo

19 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 19 Efficienza di b-tagging e probabilità di mistagging dei jet 33.4 32.4 27.3 23.1 Z + bZ + c Z + q o gZ + altro Efficienza e probabilità di errore nell indentificazione di un jet proveniente da un quark b

20 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 20 Conclusioni E stato effettuato uno studio preliminare del canale Z+b E stato effettuato uno studio preliminare del canale Z+b con ad ATLAS usando un simulatore veloce con ad ATLAS usando un simulatore veloce E stato considerato il metodo inclusivo di b-tagging E stato considerato il metodo inclusivo di b-tagging Gli eventi saranno osservabili con buona statistica e buona purezza: Gli eventi saranno osservabili con buona statistica e buona purezza: - efficienza di selezione del segnale - efficienza di selezione del segnale - purezza del campione - purezza del campione La misura sarà dominata da effetti sistematici: sarà possibile, in futuro studiare tali sistematiche La misura sarà dominata da effetti sistematici: sarà possibile, in futuro studiare tali sistematiche Nel futuro sarà possibile effettuare gli stessi studi con lutilizzo di un simulatore completo e un generatore al NLO includendo gli eventi di fondo trascurati in questo studio preliminare Nel futuro sarà possibile effettuare gli stessi studi con lutilizzo di un simulatore completo e un generatore al NLO includendo gli eventi di fondo trascurati in questo studio preliminare

21 30/03/2005 Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 21 Grazie a tutti !!!!