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Universita' degli Studi di Torino

Universita' degli Studi di Torino. Facolta' di Scienze Matematiche Fisiche Naturali Corso di Laurea in Fisica. A Study of the WW-fusion Process at CMS as a Probe of Symmetry Breaking. Relatore Dott.sa Chiara MARIOTTI. Candidato Gianluca CERMINARA. A.A. 2002/2003. Rottura di Simmetria.

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Presentation Transcript

  1. Universita' degli Studi di Torino Facolta' di Scienze Matematiche Fisiche Naturali Corso di Laurea in Fisica A Study of the WW-fusion Process at CMS as a Probe of Symmetry Breaking Relatore Dott.sa Chiara MARIOTTI Candidato Gianluca CERMINARA A.A. 2002/2003

  2. Rottura di Simmetria Nel Modello Standard le masse delle particelle sono introdotte attraverso il meccanismo dell rottura spontanea di simmetria. • Prima: • 3 bosoni vettoriali con m = 0 x 2 stati di polarizzazione (VT) • 4 campi reali Fi I bosoni vettoriali W± e Z acquisiscono la massa accoppiandosi al campo di Higgs: Rottura della simmetria elettrodebole • Dopo: • 3 bosoni vettoriali con m ≠ 0 x 3 stati di polarizzazione (VL+VT) • 1 bosone scalare (Bosone di Higgs) Totale = 10 d.o.f. Totale = 10 d.o.f. 3 bosoni di Goldstone 3 d.o.f. longitudinali VL WL+, WL-, ZL

  3. Diffusione di Bosoni WL Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo WLWL WLWL viola l'unitarieta' all'energia critica: Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

  4. Diffusione di Bosoni WL Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo WLWL WLWL viola l'unitarieta' all'energia critica: Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

  5. Il Bosone di Higgs Fusione gluone-gluone meccanismo di produzione Fusione WW importante per alte masse dell'Higgs Meccanismi di produzione in urto p-p • H  WW canale di decadimento principale per mH alta. Rapporti di decadimento La fusione di bosoni vettoriali e' quindi un canale interessante per lo studio del bosone di Higgs nel caso in cui mH sia grande.

  6. Diffusione di Bosoni WL Studio della fusione di bosoni vettori W come metodo investigativo della rottura di simmetria elettrodebole ppqqWLWLqqlqq Obiettivi del presente lavoro: • Verificare se sia possibile estrarre il segnale dai possibili fondi • Determinare la risoluzione sulla misura della sezione d'urto in funzione della massa invariante del sistema WW (sWWvs MWW) Nuovi fenomeni devono essere osservati entro la scala di energia di ~1 TeV: • Nel caso del bosone di Higgs osserveremo una risonanaza a MWW = MH altrimenti • La sezione d'urto deviera' dalle previsioni del Modello Standard

  7. Il Large Hadron Collider (LHC) Collisionatore protone-protone. • Bassa luminosita': • L = 2x1033 cm-2s-1 • Alta luminosita': • L = 2x1034 cm-2s-1 • Energia nel centro di massa: • = 14 TeV In fase di realizzazione al CERN Inizio presa dati prevista per il 2007

  8. Fisica ad LHC Acceleratore progettato per esplorare il meccanismo della rottura spontanea di simmetria. • Alta luminosita' • Alto rate di eventi • ''pile-up'': sovrapposizione di eventi nello stesso bunch crossing. • Interazioni multiple nello stesso urto p-p • Sezioni d'urto interessanti ordini di grandezza piu' piccole di quelle dei processi di fondo

  9. Fisica ad LHC In un collisionatore adronico l’energia iniziale dei partoni interagenti e’ determinata dalle PDF del protone, quindi: • Pz iniziale non noto mentre PT iniziale = 0. • Centro di massa dell’interazione non a riposo nel laboratorio Per questo si usano quantita’ Lorentz invarianti: • Momento trasverso: • Pseudorapidita’:

  10. Il Segnale Segnatura sperimentale: un muone ad alto PT ET mancante (neutrino non rivelato) 2 jet dal decadimento del W 2 jet spettatori (''jet tag'') Topologia: • Due quark dei protoni emettono un bosone vettoriale. I due bosoni interagiscono dando nello stato finale due bosoni W. Uno di questi decade leptonicamente l'altro in una coppia di quark. Stato finale a 6 fermioni qspett m n q I jet spettatori permettono di distinguere la fusione di bosoni W da altri meccanismi di produzione di coppie di W q qspett

  11. Il Segnale Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di masse dell’Higgspesante: mH=500 GeV mH=750 GeV mH=1000 GeV “No Higgs case”, simulato usando: mH=2000 GeV mH=10000 GeV Nel Modello Standard mH≲ 1000 GeV Situazione sperimentalmente piu’ difficile sulla quale focalizziamo l’attenzione.

  12. I fondi principali: ttbar pptt WWbb + X l ℓ qq Produzione di coppie top anti-top • Topologia: Nell'interazione di un quark ed un anti-quark, o di due gluoni, del protone si forma una coppia t-tbar. Questi quark subito decadono in un quark b e un bosone W. • Segnatura sperimentale: • 2 jet dal decadimento del W • 2 leptoni o due jet dal decadimento dell'altro W • 2 jet dall'adronizzazione dei due b-quark BR(tWb)  100 % g/q g/q

  13. I fondi principali: ttbar No Higgs case Produzione di coppie top anti-top • Topologia: Nell'interazione di un quark ed un anti-quark, o di due gluoni, del protone si forma una coppia t-tbar. Questi quark subito decadono in un quark b e un bosone W. • Segnatura sperimentale: • 2 jet dal decadimento del W • 2 leptoni o due jet dal decadimento dell'altro W • 2 jet dall'adronizzazione dei due b-quark g/q g/q

  14. I fondi principali: ttbar No Higgs case Produzione di coppie top anti-top • Topologia: Nell'interazione di un quark ed un anti-quark, o di due gluoni, del protone si forma una coppia t-tbar. Questi quark subito decadono in un quark b e un bosone W. • Segnatura sperimentale: • 2 jet dal decadimento del W • 2 leptoni o due jet dal decadimento dell'altro W • 2 jet dall'adronizzazione dei due b-quark g/q g/q

  15. I fondi principali: Wjj Segnatura sperimentale: Muone e ET dal decadimento del W Jet a bassa pseudorapidita' Quando vengono ricostruiti piu' di due jet lo stato finale diventa simile a quello del segnale. No Higgs case ppW+q/g+q/g + X  Produzione di un bosone W + 2 jet • Topologia: Due partoni dei protoni interagiscono producendo un bosone W e due quark/gluoni. g/q g/q

  16. I fondi principali: WW ppWW + X mn qq Produzione di coppie di bosoni W • Topologia: Produzione di una coppia di bosoni W dall'interazione di due partoni del protone. Uno dei due bosoni decade leptonicamente l'altro adronicamente. • Segnatura sperimentale: • 2 jet dal W che decade adronicamente • 1 muone dal W che decade leptonicamente • Energia mancante ET (neutrino non rivelato) • NO jet spettatori. g/q g/q

  17. I fondi principali: singolo W ppW + X mn Produzione di un singolo bosone W • Topologia: Nell'interazione di due partoni viene prodotto un bosone W che decade leptonicamente o adronicamente • Segnatura sperimentale: • Una coppia di leptoni o di quark dal decadimento del bosone W qq

  18. Simulazione degli eventi • Molti dei campioni generati alla ''farm'' di Torino • Processati con CMSJET (simulazione rivelatore) • Analizzati con ROOT • Eventi pesati:

  19. Simulazione del rivelatore (CMS) CMSJET: programma di simulazione veloce del rivelatore • Muoni identificati nell'intervallo di pseudorapidita': -2.4 < h < 2.4 • Ricostruzione dei jet: • Intervallo di pseudorapidita': -5 < h < 5 • Algoritmo a cono: DR = 0.5 • PT > 10 GeV • No pile-up degli eventi

  20. Selezione degli eventi Neutrino Ricostruzione del quadrimpulso del neutrino: PTn = PTmiss PTn > 30 GeV Pz calcolato imponendo: mW = 80.45 GeV W = 2.14 GeV (p + p )2 = mW2 Scelta della soluzione con PZ minore Efficienza: ~ 88 % Selezione dei leptoni dal decadimento W Muone • Indispensabile per identificare il decadimento leptonico del W • Criterio di selezione: • PT > 30 GeV (Trigger L1) • |h| < 2.4 • Efficienza: ~ 89 %

  21. Selezione degli eventi Distribuzione di pseudorapidita' quark del segnale. Jet dal decadimento: W  qq W ricostruito 1 o 2 jet. • Criterio di selezione: • PTjet > 30 GeV • |hjet| < 3 • 60 GeV < MW < 110 GeV • PTW piu' alto • Efficienza • ~ 69 %

  22. Selezione degli eventi Massa ricostruita del bosone W che decade adronicamente Jet dal decadimento: W  qq W ricostruito 1 o 2 jet. • Criterio di selezione: • PTjet > 30 GeV • |hjet| < 3 • 60 GeV < MW < 110 GeV • PTW piu' alto • Efficienza • ~ 69 %

  23. Selezione degli eventi No Higgs case Selezione dei jet spettatori. • Richiesta di una coppia di jet ad alta pseudorapidita': • PT > 20 GeV • hj1 x hj2 < 0 • 1.5 < |hj1| < 5 o 1.5 < |hj2| < 5 • |hj1 - hj2| > 3 oppure • Richiesta di un solo jet ad alta pseudorapidita': • PT > 20 GeV • |h| > 2 • Veto sui jet centrali: nessun jet con • PT > 20 GeV • |h| < 3 • Massa invariante sistema dei jet in avanti: • M(jt1+jt2) > 550 GeV

  24. Efficienze La richiesta di jet spettatori e' un potente strumento di selezione.

  25. Soppressione dei fondi Differenza di pseudorapidita' tra i jet del W e i jet in avanti e tra il muone e i jet in avanti: Dhm-jt > 1 DhjW-jt > 1 No Higgs case No Higgs case Altri tagli applicati • Impulso trasverso dei bosoni W ricostruiti: • PTWlept > 100 GeV • PTWqq > 100 GeV

  26. Efficienze • Buone efficienze per il segnale • Buona reiezione per i fondi

  27. Efficienze • Efficienza di segnale integrata tra 0 GeV < MWW < 2000 GeV : ~20 % • Efficienza di segnale per MWW > 800 GeV: ~40-50 % Particolarmente interessante nel caso in cui l’Higgs non esista.

  28. Risultati MWWrec-MWWgen DrWW = MWWgen Risoluzione sulla massa invariante WW L = 100 fb-1 • La risoluzione sulla ricostruzione della massa invariante WW da 200 GeV a 2000 GeV e': ~ 8 % • Buona sensibilita' alla dipendenza del segnale da mH Ma pile-up non considerato

  29. Risultati L = 100 fb-1 No Higgs case S = 119 S/B  2.5 Numero di eventi vs MWW • S/B  2.5 per MWW > 1 TeV: necessari 3 o 4 anni ad alta luminosita’ per esplorare la regione ad alte masse. • Necessari ulteriori studi per migliorare il rapporto segnale rumore. • Necessari campioni Monte Carlo piu' grandi.

  30. Conclusioni • Misura della sezione d'urto per la fusione WLWL ad LHC possibile oltre la scala di energia (MWW) del TeV. • Buona risoluzione su MWW: ~ 10 % • Alta luminosita' richiesta. • ~100 eventi con MWW > 1 TeV dopo 100 fb-1: • Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi per essere sensibili alla possibile nuova fisica.

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