Riccardo Ranieri Università degli Studi di Firenze INFN Sezione di Firenze Terzo Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005.

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1 Riccardo Ranieri Università degli Studi di Firenze INFN Sezione di Firenze Terzo Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHC [punto di vista sperimentale]

2 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 2 ATLAS e CMS a LHC -Rivelatori ottimizzati per la ricerca del bosone di Higgs e SUSY LHCpp √s=14 TeV  energia molto alta: LHC pp √s=14 TeV σ pp =55 mb  sezione d’urto anelastica: σ pp =55 mb 40 MHz  frequenza di interazione: 40 MHz (2x)10 33 cm -2 s -1  10 34 cm -2 s -1  luminosità alta: (2x)10 33 cm -2 s -1  10 34 cm -2 s -1 20 fb -1  100 fb -1  per anno: 20 fb -1  100 fb -1  rivelatori GRANDI  CMS: 15 m x 21.5 m  ATLAS: 25 mx 46 m CMS = Compact Muon Solenoid LHC = Large Hadron Collider ATLAS = A Toroidal LHC ApparatuS partenza: Estate 2007

3 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 3LHCp p

4 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 4Introduzione fondo segnale -Il fondo esiste se e solo se si definisce prima il segnale fondo “segnale” -In questa presentazione il fondo diventerà “segnale”  PRIMA PARTE  SEGNALE  SEGNALE = “hard scattering”  FONDO  FONDO = “Underlying Event” (UE)  SECONDA PARTE  SEGNALE  SEGNALE = alcuni esempi di stati finali per la ricerca del bosone di Higgs e della supersimmetria  FONDO  FONDO = specifico di ogni canale di decadimento e stato finale Ho cercato di raccogliere il materiale più recente delle collaborazioni ATLAS e CMS, con priorità per le analisi condotte con la simulazione completa dei rivelatori.

5 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 5 Interazioni ad LHC -Interazioni anelastiche pp:  Minimum Bias  generica interazione pp bias minimo  approccio sperimentale: interazione con il bias minimo, trigger meno stringente  Hard scattering  creazione di particelle di alta massa p T trasferito  alto p T trasferito  frequenza minore, ma sono gli eventi che ci interessano Fasci di protoni E=√s f a/A (x a,Q 2 ) f b/B (x b,Q 2 ) Underlying Event a b A B Sottoprocesso partonico di Hard scattering σ(ab  X)| s=x a x b s ^ ^

6 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 6 Collisione pp a LHC -“Hard scattering”  è l’interazione che ci interessa  QCD perturbativa -“Underlying Event” [UE]  tutta l’attività rimanente dell’interazione pp oltre all’evento di interesse  spesso la definizione include la Radiazione di Stato Iniziale (ISR)  condivide il vertice primario con l’interazione “interessante” -Minimum Bias (online Pile-Up) elevata luminosità rate di interazione  interazioni pp nello stesso bunch crossing dovute all’elevata luminosità di LHC (2x10 33 cm -2 s -1 ) e al rate di interazione (40 MHz)  vertici di interazione diversi (rivelatori traccianti fondamentali) -(offline) Pile-Up rate di interazione  effetto strumentale dovuto all’alto rate di interazione (40 MHz)

7 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 7 Stima dell’“Underlying Event”  Studio su eventi QCD a molti jet più energetico  il jet calorimetrico più energetico definisce l’evento e quindi l’UE  3 regioni in φ rispetto all’asse del jet  UE 60º<|Δφ|<120º  UE=tracce nella regione trasversa al jet 60º<|Δφ|<120º 6.5 E T jet >10 GeV  circa 6.5 particelle cariche UE per E T jet >10 GeV A.Moraes, C.Buttar, D.Clements ATL-PHYS-PUB-2005-015 x3 x1.5 Tevatron (dati di CDF) LHC

8 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 8 Analisi Underlying Event  Selezione delle tracce  |η tk | 1 GeV/c  Vasto range in E T jet  20-1000 GeV/c 2  oltre 1 TeV/c 2 problemi con la statistica e incertezze nelle distribuzioni UE  Accordo tra ricostruzione e generatore  in futuro utile per scegliere dai dati quale modello UE sarà il più adatto per LHC  La statistica per questa misura sarà raccolta nei primi giorni di vita di LHC (pre-scaled jet triggers) A.Moraes, C.Buttar, D.Clements ATL-PHYS-PUB-2005-015

9 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 9 Il muone meno isolato in H → ZZ → 4μ UE e isolamento dei muoni P.Bartalini et al. CMS Analysis Note 2005-018  Variazione dei parametri che regolano l’impulso minimo delle interazioni a molti partoni nel Monte Carlo  p T cutoff =2.9 GeV/c±3σ (0.5 GeV/c)  Isolamento dei muoni (tracciatore)  ISOL=∑ i p Ti tk »ΔR ηφ (tk,μ)<0.3 »p T tk >0.8 GeV/c »traccia del muone non inclusa  “Good muons”  p T μ >7 GeV/c per |η|≤1.1  p μ >9 GeV/c per 1.1<|η|≤2.4  Segnale H → ZZ → 4μ  m H =150 GeV/c 2  L’efficienza di isolamento del muone meno isolato per ISOL<2 GeV/c è 80% con una incertezza del 5% dovuta all’incertezza su UE

10 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 10 Parton Density Functions  Ogni sezione d’urto a livello partonico dipende dalle PDF  Δσ H,SUSY (CTEQ)~5% a CDF  Le sezioni d’urto totale e differenziale del W sono ben note dalla teoria (NNLO QCD pert.) »Monte Carlo: NLO  incertezze teoriche PDF  Le incertezze teoriche maggiori sono date dalla conoscenza delle PDF  a basso-x interazioni del mare partonico dominanti a LHC  per Q 2 =M W 2 mare partonico dominato dai gluoni  la PDF dei gluoni è la meno nota per ogni x il regime cinematico accessibile a LHC è il più vasto mai esplorato W η W =0 LHC trigger ATLAS & CMS

11 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 11 Analisi PDF con W  La distribuzione di rapidità del W è legata al valore di x dei due partoni che interagiscono  Osservabili non sensibili a incertezze di PDF e Luminosità:  Rapporto  Asimmetria  L’analisi si basa sulla distribuzione di rapidità del W  ℓ ν ℓ  La statistica di W non sarà un limite, rimane da valutare l’errore sistematico

12 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 12 AeAeAeAe AeAeAeAe y y WeνeWeνeWeνeWeνe  Fondi(!): decadimenti di W e Z con elettroni nello stato finale  W  τν, Z  τ + τ -, Z  e + e -, QCD  diluzione nel valore di A da segno sbagliato nella carica degli e ± (F ± )  correzione da 0.3% a 0.5% 5% discriminarePDF  Misure più accurate del 5% dovrebbero discriminare tra diversi set di PDF paragonabile43h  Misura paragonabile a ZEUS con 43h a bassa luminosità a LHC incertezzaPDF ZEUS-S 5.8%4.5% per y=0  l’incertezza sul fit delle PDF ZEUS-S dovrebbe scendere dal 5.8% al 4.5% per y=0 λ g dimezzata  Incertezza di λ g quasi dimezzata 0.0460.029  λ g = -0.199±0.046  -0.196±0.029  basso-x: xg(x)~x λ g GeneratoreCTEQ6.1ZEUS-SMRST2001 Rivelatore p T e >25 GeV/c |η e |<2.4 E T miss >25 GeV p T recoil >30 GeV/c A.Tricoli, A.Cooper-Sarkar, C.Gwenlan in Proceedings Hera-LHC Workshop

13 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 13 Phys.Rev.Lett.94:161801,2005 ∫L=184 pb -1Z+b  Canale interessante per vari motivi  sensibile al contenuto b del protone  misura PDF b  fondo a ricerche del bosone di Higgs  modelli con σ(h+b) e Br(h  μμ)  SM pp  ZH con H  bb (come LEP)  Misura a DØ di σ(Z+b)/σ(Z+j) con Z  ee/μμ 80xσ Z+b TeVatron  Fondo TeVatron /5  LHC ambiente più favorevole: 80xσ Z+b TeVatron  Fondo TeVatron /5  Studio del canale Z  μμ + b-tag  Efficienza di selezione 15% con purezza del campione Z+b pari a (53±10)%  analisi indipendente con soft muon tag dà purezza del 35%  campione di controllo del mis-tag da W+j (no b): σ W+j =30xσ Z+b  errore relativo sul fondo si può contenere entro % per ogni energia dei jet M.Verducci, S.Diglio, A.Tonazzo @ ATLAS Physics Workshop Roma 2005 Phys.Rev.D69:074021,2004 Phys.Rev.D67:095002,2003 - *relativo

14 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 14 H  ZZ  4μ  Il canale “golden” e quindi il più studiato  Segnale: due picchi ben definiti Z → μ + μ - per m H >2m Z  Fondi principali:  riducibili: tt, Zbb  isolameno del μ  ricostruzione della Z (m μμ =m Z )  irriducibile: ZZ  domina il meccanismo di produzione qq  muoni più soffici M.Sani, V.Ciulli CMS Analysis Note 2003-005 - - -

15 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 15 Fondo irriducibile: ZZ  4μ  canale-t 2Z  2 picchi Z distinti dominante  contributo dominante alla sezione d’urto ZZ gg  manca la simulazione del canale-t gg con box  canale-s non K-factor  cinematica diversa, non si può introdurre K-factor dal canale-t m 4μ =m Z  picco m 4μ =m Z nontrascurato 10%  non può essere trascurato se si vuol simulare il fondo ZZ con precisione migliore del 10% P.Bartalini et al. CMS Analysis Note 2005-019  Il processo qq → ZZ → 4μ è incompleto in PYTHIA  interfaccia tra MC Matrix Element CompHep e PYTHIA per adronizzazione -

16 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 16 Sezione d’urto ZZ  4μ  Numero di eventi attesi per 30 fb -1  ZZ  4μ33  ZZ  2 τ 2μ  4μ 4  ZZ  2b2μ  4μ 3 (trascurabili dopo isolamento μ)  Analisi ottimizzata per SM Higgs di bassa massa (m H <160 GeV/c 2 )  p T μ >14,10,10,7 GeV/c  60<m μμ (1) [GeV/c 2 ]<110[Z reale]  12<m μμ (2) [GeV/c 2 ]<60[Z * virtuale]  m H =m 4μ >110 GeV/c 2 [escluso da LEP] canale-ts+t - Confronto tra canale-t e s+t  3 regioni di interesse: 1.m H (=m 4μ )=m Z  canale-s utile per normalizzare il fondo ZZ 2.m H (=m 4μ )≈160 GeV/c 2  zona di ottimizzazione dei tagli  interferenza s+t, eccesso di eventi rispetto al canale-t 10-15% 3.m H (=m 4μ )>2m Z  canale-s ancora non trascurabile 5-7% P.Bartalini et al. CMS Analysis Note 2005-019 “candela standard” “candela standard” per normalizzare fondo ZZ con i dati

17 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 17 Fondo riducibile: Zbb -CompHep  processi 2 → 3 con calcolo LO Matrix Element Zbb  stati finali Zbb - PYTHIA  Zjj da gq i → Zq i o q i q i → Zg  b addizionali da Parton Shower  spettro dei jet-b più soft ZbjZjjj≠b  si selezionano solo gli stati finali Zbj e Zjj con j≠b M.Sani CMS Tesi di Dottorato - Sezione d’urto NLO calcolata solo in approssimazione quark b non massivi - Z → ℓ + ℓ -  Massa invariante della coppia ℓ + ℓ - da Z → ℓ + ℓ -  2 leptoni isolati di segno opposto  p T >10 GeV/c  2 jet  E T >10 GeV, |η|<2.5  almeno 2 tracce cariche

18 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 18 Sezione d’urto Zbb  b-tag sui due jet più energetici 2 b-jet1 b-jet  conteggio degli eventi con 2 b-jet o 1 b-jet con |m ℓℓ -m Z |<10 GeV/c 2 numero 12 bmisurati 1.Dal numero di eventi con 1 o 2 b misurati (b-tag) frazione 1 b2 b Monte Carlo 2.Nota la frazione di eventi 1 b sul campione 2 b dal Monte Carlo f bbtotale  …si ricava la frazione f di eventi bb sul totale  f=N bb /N TOT =13.9±4.0 -  Selezione degli eventi Zbb rispetto agli eventi tt  fit con spettro di massa massa invariante eμ dal tt - - -

19 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 19  decadimento estremamente pulito dal punto di vista sperimentale  fondo:  produzione γγ prompt (p T >25 GeV/c), irriducibile σ=45 pb x K=1.5  qqσ=45 pb x K=1.5  ggσ=36 pb x K=1.2  γ +jet (p T >25 GeV/c) con primo γ da hard scattering e secondo da… σ=3.6x10 4 pb x K=1.72  FSRσ=3.6x10 4 pb x K=1.72 σ=5.4x10 4 pb x K=1  π 0 σ=5.4x10 4 pb x K=1 (fake di fotone reale in jet)  jet adronici QCD con depositi calorimetrici di due jet (p T >35 GeV/c) σ=10 8 pb x K=1  σ=10 8 pb x K=1 (calcoli NLO…) H  γγ T.Lee, V.Litvin, H.Newman, S.Shevchenko CMS Analysis Note 2003-009 ^ ^ ^

20 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 20 Reiezione del fondo in H  γγ  reiezione del fondo con selezione γγ e isolamento con tracciatore e calorimetro elettromagnetico  eventi di fondo attesi per L=10 fb -1 con finestra di massa ±3 Gev/c 2 intorno a m H S/√B=5∫L=37 fb -1  Luminosità richiesta per ottenere S/√B=5: ∫L=37 fb -1 Fondo Selezione 2 fotoni E T γ >25,40 GeV Isolamento tracciatore no tracce ΔR 1.5 GeV/c Isolamento calorimetro ∑E T <1.2/1.6 GeV ECAL cluster barrel/endcap ΔR<0.35 qq15.012.5 [83%]11.0 [88%] gg14.912.6 [85%]10.9 [87%] γ +jet330 57 [17%] 30.3 [53%] QCD927 39 [4%] 10.7 [27%] Efficienza Segnale m H =110 GeV/c 2 47.0%80%91% T.Lee, V.Litvin, H.Newman, S.Shevchenko CMS Analysis Note 2003-009 Efficienze di selezione relative (non cumulative)

21 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 21 ATLAS Preliminary QCD W+jet Z+jet tt - Supersimmetria (inclusiva) E T miss  Segnatura inclusiva: jet + leptoni + E T miss  Fondi principali:  Z + jet(s)  W + jet(s)  tt  QCD  Ruolo di E T miss è fondamentale se la R-parità è conservata  Approccio generico allo studio del fondo:  campioni di fondo di calibrazione con bassa E T miss  estrapolazione a regioni di segnale ad alta E T miss - D.Tovey ATLAS @ TeV4LHC Apr 2005

22 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 22 Generatore Rivelatore Energia mancante: MET o E T miss  Spettro di E T miss dominato da eventi QCD soffici  campioni di alta E T con leptoni ad alto boost nei jet globalenon locale  La misura di E T miss è globale, non locale  eventi Minimum Bias contribuiscono a fornire energia  E T miss misurata < E T miss generatore  ogni inefficienza del rivelatore influenza la misura di E T miss  ermeticità, accettanza  zone morte o rumorose del rivelatore  code non gaussiane  Correzione da applicare evento per evento  Alcune idee sulla stima quantitativa del contributo UE da E T di regioni non clusterizzate del calorimetro e numero medio di torri con livello medio di energia in η H.Pi, P.Avery, C.Tully, J.Rohlf CMS Analysis Note 2005-007

23 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 23 tt ATLAS Preliminary - Fondo da top più lasco  La selezione per il top semileptonico assomiglia a quella per la SUSY, l’unica differenza è il taglio più lasco su E T miss alza  Se si alza il taglio su E T miss si contamina il campione di top con eventi SUSY? (no)  Strategia:  candidati semileptonici  ricostruzione top da vincoli in E T miss e m W  riduzione del combinatorio con candidati W a più alto p T  reiezione fondo SUSY (!!!) con m top (sideband)  validazione Monte Carlo top  stima del rimanente fondo E T miss D.Tovey ATLAS @ TeV4LHC Apr 2005

24 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 24Conclusione segnale fondi -Inizialmente le analisi erano incentrate sul segnale (potenziale di scoperta), ma negli ultimi tempi si è iniziato a dare molta importanza allo studio dei fondi (dai generatori alle calibrazioni al commissioning) grande accuratezza -Iniziano ad esserci analisi effettuate con grande accuratezza grazie alla miglior conoscenza dei rivelatori (test beam, costruzione, simulazioni più precise) inizio -Molti lavori sono ancora all’inizio, alcuni canali interessanti non sono ancora stati coperti (W/Z+jet, eventi a molti jet)

25 III Workshop Italiano ATLAS/CMS Bari, 20-22 Ottobre 2005 I fondi a LHCRiccardo Ranieri 25Grazie Roberto Tenchini Paolo Bartalini Roberto Chierici Giacomo Polesello Vitaliano Ciulli Matteo Sani Alessandro Tricoli Monica Verducci