H  gg

1. Hgg • Hbb(bar) è il decadimento dominante ma puo' essere osservato solo in produzione associata H ggcanale importante per mH<130 GeV s(Hgg) x BR ~ 70 fb

2. Background Hgg • il fondo da bremmstrahlung e da jets puo' essere ridotto con tagli di isolamento e criteri di separazione jet/g • p0gg puo essere ridotto utilizzando calorimetri granulari sezioni d'urto (fb) dopo i tagli

3. Hgg • GH~ MeV at MH=120 GeV La risoluzione sulla massa é completamente dominata dalla risoluzione della misura L=100 fb-1 (1 anno LHC ad alta luminosità)

4. Risoluzione massa Hgg Contributi alla risoluzione mgg • Misura di Eg: • Risoluzione intrinseca dei calorimetro • Calibrazione/uniformità del calorimetro • Pile-up • Misura diq12 • Misura di posizione and direzione degli sciami em • Mis. del vertice di interazione zv DE/E ~ 1% s(q) ~ 5 mrad

5. Calorimetri di ATLAS e CMS CMS ATLAS • Calorimetro a Campionamento • diviso in strati di mezzi assorbitore (Pb) e strati di materiali attivi (LAr). • Calorimetro omogeneo • Unico mezzo usato come mezzo assorbitore e di scintillazione (PbWO4)

6. Caratteristiche ECAL • Formazione dello sciame • Bremsstrahlung • Creazione di coppie • Compton (a basse energie) • Lunghezza di radiazione X0 • distanza longitudinale dopo la quale un elettrone perde (1-1/E) della sua energia per bremsstrahlung; • circa 25 X0 sono richieste per contenere (longitudinalmente) circa 99% dello sciame. • Cammino libero medio di g energetici ~ 9/7 X0 • Raggio di Moliere RM • scala per la dimensione trasversa dello sciame. • Es ~21 MeV • Ec = 570/Z, energia critica (alla quale la dE/dx per e per radiazione sono uguali) • 90% dello sciame contenuto in 1 RM • Luce emessa per unità di energia depositata • Lunghezza d'onda della luce emessa (importante per la scelta del PM) • Tempo di emissione

7. ATLAS CMS • CMS • piccola lunghezza di radiazione  compatto • piccolo raggio di Moliere  granularità • luce di output bassa • Amplification (noise), no PM tubes in B(4T) • veloce  bc rate • ATLAS • meno compatto • no amplificazione del segnale • flessibilità, altà granularità • basso costo • uniformità • criogenia ATLAS

8. Risoluzione : • a termine “stocastico”, dovuto a fluttuazioni statistiche • sN termine di rumore elettronico + pileup ~ 100 MeV • c termine costante – contributo dalle non uniformità del calorimetro < 1% Numero di particelle prodotte N  E/e Lunghezza totale della traccia T0 X0 E/e Termine stocastico: “a” • Nei calorimetri omogenei, qualche % : • le fluttuazioni del numero dei fotoelettroni • contributi dal contenimento incompleto • Nei calorimetri a sampling, 5-20%: • fluttuazioni nell'energia campionata nei piani attivi. Dipende dalle caratteristiche (spessore, densità) dei mezzi attivi e passivi..

9. CMS : PbWO4 • Copertura in : • 0 < || < 1.479 Barrel • 1.55< || < 3 Endcap • Ermeticità: garantita da geometria non pointing (3° in  e ) Dimensione dei cristalli: longitudinale 25 X0 = 22.2 cm Transversa 1 RM = 2.2 cm 95% dello sciame è contenuto in 2 RM 24x24x230 mm3 in the barrel, 30x30x220 mm3 in the end-caps 75000 cristalli • uso di fotodiodi al Si a valanga per la rivelazione dei fotoni, vantaggi • possono operare in campi magnetici alti (4T) • moltiplicazione alta (tra 50 e 200)

10. ATLAS: Pb+LAr • Copertura in eta: • 0 < || < 1.475 Barrel • 1.375 < || < 3.2 Endcap • Ermeticità: la geometria con elettrodi e assorbitori piegati a ‘fisarmonica’ • garantisce una copertura totale senza zone morte nella coordinata azimutale • Zone morte: • 1.4 < || < 1.55 : Transizione barrel / endcap • Posizionato al di fuori del solenoide • Granularità molto fine in  delle strips Back Middle Strips pitch 4mm

11. Iphys HT Gerbe EM e- e- e- g Electrode ions e+ Plomb Argon liquide E ~ 1kV/mm ATLAS LAr drift degli e- induce il segnale sugli elettrodi di lettura Funziona come camere a ionizzazione: segnale dato dalle cariche di ionizzazione Il tempo di raccolta della carica dipende dalla velocità di drift, tipicamente è 400 ns (16 bc LHC!!!) La soluzione consiste nell'integrare solo la corrente di ionizzazione in un tempo piccolo (40–50 ns), raccogliendo solo una frazione della carica prodotta. Puo' funzionare solo se il tempo di trasferimento del segnale dagli elettrodi al readout è molto piu' piccolo del tempo di integrazione e cio' richiede di minimizzare cavi e connettori. cavi lunghi, trasferimento del segnale in decine di ns, spazi morti  meno ermeticità segnale estratto dagli estremi del calorimetro, lunghezza cavi e connettori ridotti. Spazi morti minimizzati. Per evitare che le particelle non vadano nel LAr si sceglie la geometria a fisarmonica.

12. Risoluzione ATLAS EM cal(liquid-argon/lead sampling calorimeter): • Calorimetri a sampling • termine stocastico tipicamente <= 10%. Questo limita il termine costante ad essere 1% e il termine di rumore dell'ordine di qualche centinaia di MeV. • Calorimetri Omogenei • Termine stocastico di qualche % a causa delle minori fluttuazioni di campinamento. Bisogna avere un buon controllo delle sistematiche per il termine costante O(0.5%). CMS EM cal (crystals):

13. R direction back middle strips preshower  - angle Z direction Primary vertex Risoluzione Angolare Per non dominare la risoluzione sulla massa dell'Higgs, la risoluzione angolare deve essere dell'ordine • La misura degli angoli di incidenza puo' essere fatta dall' ECAL con buona accuranza. • C'è bisogno inoltre di misurare il vertice primario. La maggior incertezza è rappresentata dalla grande incertezza sulla posizione del vertice primario lungo l'asse Z (longitudinale al fascio), lo spread è di circa 6cm. • Nel regime di bassa luminosità ci sono in media 1-2 interazioni per bunch crossing  le tracce cariche possono essere usate per individuare il vertice. Impossibile ad alta luminosità (23 interazioni per bunch crossing) • CMS • Centro di gravità • tracce cariche in ID • endcap preshower • ATLAS • la posizione dello sciame è misurato in due posizioni con ID sZ (H)~ decine mm solo EM sZ (H)~ mm Somma tracce ad alto pt conversione g high lumi: 70% di efficienza

15. Separazione jet/g fraction of en. in the core I jet possono essere discriminati studiando l'energia depositata nel calorimetro adronico, con criteri di isolamento, studiando la shape dei depositi elettromagnetici Puo' essere ridotto al 20% del BKG irriducibile, costituito da eventi con p0gg.

16. Separazione p0/g • Il calorimetro e.m. deve essere in grado di rigettare p0gg • ricostruzione di due sciamo e.m. vicini • CMS : • granularità dei cristalli e tecniche di PE/NN • preshower + Si strips nelle endcaps • ATLAS • EM cal h strips g p0

17. e+ e- g . • I fotoni convertono prima di entrare nel calorimetro (prob 30% ATLAS) • I due elettroni sono separati dal campo magnetico in f • A seconda del raggio di conversione, i due elettroni possono raggiungere il calorimetro nello stesso cluster o in cluster separati • Piu' è alto il campo magnetico, maggiore è l'effetto • Algoritmi di clusterizzazione usano cluster maggiori in f • Le conversioni sono ricostruite con l'inner tracker • Ricerca di due tracce cariche opposte provenienti da un vertice comune • Il fotone ricostruito punta al vertice di interazione I vertici di conversione danno un immagine "a raggi X" della distribuzione del materiale inerte Atlas

18. Effetti sulla risoluzione (ATLAS) Low lumi 2x1033 Low lumi 2x1033 High lumi 1034 PV from Inner Detector + calorimeter PV from calorimeter only

19. H: ATLAS vs CMS • ATLAS ha una peggiore risoluzione energetica ~(1.1 GeV/c2) rispetto a CMS (0.8 GeV/c2) • ATLAS ha un miglior sistema di ricostruzione della direzione dei fotoni e del vertice primario. Efficienza maggiore. • CMS ha un grosso campo magnetico che fa perdere una buona frazione di fotoni che convertono nel Tracker • Sia ATLAS che CMS hanno circa la stessa potenzialita’

20. Canali Possibili • produzione diretta • 2 g isolati ad alto pt (40, 25 GeV) centrali (h<2.4) • reiezione di jj, jg, p0 • produzione associata (W/Z, tt) • sezione d'urto di produzione 50 volte piu' piccola • possibilità di migliorare S/B richiedendo 1 leptone isolato di alto pT • vertice puo' essere identificato con la traccia carica del leptone  migliora la risoluzione in massa • bkg irriducibile Zgg, Wgg, ttgg,bbgg, lepton FSR • tagli su Rlg, mlg • Significativo per alta luminosità • misura dei couplings Higgs-bosoni di gauge, Higgs-top

21. Hgg + jets Hgg + 1 jet • minore statistica ma migliore S/B, puo' migliorare la misura combinata. Hgg + 2 jets • produzione associata con jets • 2 high pt g isolati + 2 jets (Et>40 GeV) centrali • DRjg per rigettare FSR da quark • VBF • sVBF~0.1sggF • canale t  taggato da 2 jets forward (h>2)/emisferi opposti • g in pseudorapidità devono essere tra i due jets

22. 100 fb-1 Escluso da LEP 100 fb-1 3 anni low lumi mH=120GeV 100 fb-1 1 anno high lumi (ATLAS TDR, 1999)

23. H+0j H+1j H+2j L = 10 fb-1 Signal: VBF Signal: gg Fusion EW+DPS ggjj QCD ggjj gjjj+jjjj ATLFAST/DC1 NLO MC  significanza aumentata ATLAS North American SM & Higgs Workshop (28.04.06)

24. Spares

26. Interazioni e/g con la materia Electrons and Positrons Photon PDG 2004 PDG 2004

27. A calorimeter for LHC environment • ATLAS and CMS have been designed to: • Minimize the pile-up in: • time: fast detector with a time response compatible with the bunch crossing distance 25/50 ns • space: high granularity thus high number of channels • Radiation resistance: appropriate tecnique for each rapidity range. • Measurement of neutrinos (and Susy processes): high ermeticity • Use of performance on important channels to define the reuirement on calorimeter performance. For EM calorimeters H→ … • ATLAS and CMS makes different choices: ATLAS require segmented calorimeter to have redudant mesurement of  angle • CMS relies on vertex reconstruction from tracking and point to homogenous calorimeter with very low stochastic term aiming for excellent energy resolution

28. Termine Stocastico Numero di particelle prodotte N  E/e Lunghezza totale della traccia T0 X0 E/e Nei calorimetri omogenei le fluttuazioni sono piccole perchè l'energia depositata nei volumi attivi non fluttua evento per evento. Quindi la risoluzione è migliore della aspettazione statistica (fattore di Fano) Ne calorimetri a sampling l'energia depositata nei mezzi attivi fluttua evento per evento, cio' limita la risoluzione. # particelle che attraversano il mezzo attivo per tabs non troppo piccolo

29. Raccolta del Segnale • I fotorivelatori sono dispositivi in grado di trasformare un segnale di luce in entrata, in un segnale di natura elettrica in uscita. • I fotoni di luce incidono sul fotorivelatore; questi generano delle cariche (coppie elettrone-lacuna o elettroni prodotti per eetto fotoelettrico). • La carica prodotta e raccolta e, nel caso sia presente un meccanismo di moltiplicazione amplificata. • La corrente cosi prodotta interagisce con il circuito esterno, emettendo un segnale di uscita. • Fotomoltiplicatori • fotocatodo, responsabile del processo di conversione della luce in carica elettrica (effetto fotoelettrico) • sistema di dinodi (coppia di elettrodi con doppia funzione anodo-catodo) responsabile della successiva fase di amplicazione. • Le prestazioni del fotomoltipicatore sono inuenzate dalla presenza di campi magnetici • Fotodiodi • di materiali semiconduttori di elevata purezza, opportunamente drogati • i fotoni, entrando, interagiscono con il mezzo e generano le coppie elettrone-lacuna • Nella regione di svuotamento le coppie elettrone-lacuna vengono separate grazie all'azione di un forte campo elettrico; questo campo trasporta le cariche verso i relativi elettrodi, che le raccolgono.

30. Materiale nei Trackers

31. Electrons radiate photons in the material of the tracker: Most energy is lost as low energy photons But there are also hard brems with the emission of a single high pTg and a substantial change in the electron direction (kink), especially if occurring at low radii The energy collected by the calorimeter is spread over many cells (along f) and in the worst cases can be collected as separate clusters: The higher the magnetic field the larger the effect Need a larger cluster size along f In case of a single hard radiation the energy-weighted barycenter of the impact points of the electron and the g in the calo lies on the extrapolation of the initial electron trajectory Must be taken into account when trying to match electron clusters and electron tracks

32. Dal TDR (1999) ad Oggi ...