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Universita' degli Studi di Torino

Studio della reazione Studio della reazione ppppqqWqqWLLWWLLqqqqqqqq al rivelatore CMS ad al rivelatore CMS ad

LHC LHC

Gianluca CERMINARAGianluca CERMINARA

22/09/2003 Gianluca Cerminara

Rottura di SimmetriaRottura di Simmetria

Nel Modello Standard le masse delle particelle sono introdotte attraverso il meccanismo della rottura spontanea di simmetria.

Rottura della simmetria elettrodebole

I bosoni vettoriali W± e Z acquisiscono la massa accoppiandosi al campo di Higgs:

● Prima:Prima:

– 3 bosoni vettoriali con m = 0 3 bosoni vettoriali con m = 0 x 2 stati di polarizzazione (x 2 stati di polarizzazione (VVTT))

– 4 campi reali 4 campi reali ii

Totale = 10 d.o.f. Totale = 10 d.o.f.

● Dopo:Dopo:

– 3 bosoni vettoriali con m 3 bosoni vettoriali con m ≠≠ 0 x 3 0 x 3 stati di polarizzazione (stati di polarizzazione (VVLL+V+V

TT))

– 1 bosone scalare (Bosone di 1 bosone scalare (Bosone di Higgs)Higgs)

3 bosoni di Goldstone 3 d.o.f. longitudinali VL

WL+, WL

-, ZL


Diffusione di Bosoni WDiffusione di Bosoni WLL

Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo

WLW

L W

LW

L

viola l'unitarieta' all'energia critica:

√sc ≈ 1.2 TeV

Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'


Il Bosone di HiggsIl Bosone di Higgs

● H H WW WW canale di canale di decadimento principale per decadimento principale per mmHH alta. alta.

● Fusione gluone-gluone Fusione gluone-gluone principale meccanismo di principale meccanismo di produzioneproduzione

● Fusione WWFusione WW importante importante per per alte massealte masse dell'Higgs dell'Higgs

Meccanismi di produzione in urto p-p

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.


Diffusione di bosoni WDiffusione di bosoni WLL

Studio della fusione di bosoni vettori W come metodo investigativo della rottura di simmetria elettrodebole

Nuovi fenomeni devono essere osservati entro la scala di energia di 1 TeV:

– La sezione d'urto deviera' dalle previsioni del Modello StandardLa sezione d'urto deviera' dalle previsioni del Modello Standard

– Nel caso del bosone di Higgs osserveremo una risonanaza a MNel caso del bosone di Higgs osserveremo una risonanaza a MWWWW = M = M

HH

altrimenti

ppppqqWqqWLLWWLLqqqqllqqqq

Obiettivi del presente lavoro:Obiettivi del presente lavoro:

● Verificare se sia possibile estrarre il segnale dai possibili fondiVerificare se sia possibile estrarre il segnale dai possibili fondi

● Determinare la Determinare la risoluzionerisoluzione sulla misura della sulla misura della sezione d'urtosezione d'urto in in funzione della massa invariante del sistema WW (funzione della massa invariante del sistema WW (WWWW vsvs M MWWWW))


Il segnaleIl segnale

Segnatura sperimentale:Segnatura sperimentale:

● Un Un muonemuone ad alto P ad alto PTT

● EETT mancante ( mancante (neutrinoneutrino non rivelato) non rivelato)

● 2 jet dal decadimento del W2 jet dal decadimento del W

● 2 jet spettatori (''2 jet spettatori (''jet tagjet tag'')'')Stato finale a 6 fermioni

I jet spettatorijet spettatori permettono di distinguere la fusione di bosoni W da altri meccanismi di produzione di coppie di W

Topologia:Topologia:

● Due quark dei protoni emettono un bosone vettoriale. I due bosoni Due quark dei protoni emettono un bosone vettoriale. I due bosoni interagiscono dando nello stato finale due bosoni W. Uno di questi interagiscono dando nello stato finale due bosoni W. Uno di questi decade leptonicamente l'altro in una coppia di quark.decade leptonicamente l'altro in una coppia di quark.

qspett

qspett

qq


6 x 106 x 10-2-253 k53 kmmH H = 500 GeV= 500 GeV

mmHH = 750 GeV = 750 GeV 54 k54 k 4 x 104 x 10-2-2

3 x 103 x 10-2-254 k54 kmmHH = 1000 GeV = 1000 GeV

No Higgs No Higgs casecase

55 k55 k 2 x 102 x 10-2-2


Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di masse dell'masse dell'Higgs pesanteHiggs pesante

CampioniCampioniNNoo di eventi di eventigeneratogenerato

Sezione d'urtoSezione d'urto(pb)(pb)

Nel Modello Standard mNel Modello Standard mHH < 1000 TeV < 1000 TeV


6 x 106 x 10-2-253 k53 kmmH H = 500 GeV= 500 GeV

mmHH = 750 GeV = 750 GeV 54 k54 k 4 x 104 x 10-2-2

3 x 103 x 10-2-254 k54 kmmHH = 1000 GeV = 1000 GeV

No Higgs No Higgs casecase

55 k55 k 2 x 102 x 10-2-2


''''No Higgs caseNo Higgs case'' simulato usando:'' simulato usando:

● mmHH = 2000 GeV = 2000 GeV

● mmHH = 10000 GeV = 10000 GeV

CampioniCampioniNNoo di eventi di eventigeneratogenerato


Situazione sperimentalmente Situazione sperimentalmente piu' difficile sulla quale piu' difficile sulla quale

focalizziamo l'attenzionefocalizziamo l'attenzione


I fondi principaliI fondi principali

FondoFondo

ttbarttbar

W+jjW+jj

WWWW

Singolo WSingolo W

NNoo eventi eventi generatigenerati


510 k510 k 624.00624.00

30 k30 k 77.0077.00

11.1911.19135 k135 k

597 k597 k 184885.00184885.00

pppp tt tt WWWWbb + Xbb + Xqqqq



FondoFondo

ttbarttbar

W+jjW+jj

WWWW

Singolo WSingolo W



510 k510 k 624.00624.00

30 k30 k 77.0077.00

11.1911.19135 k135 k

597 k597 k 184885.00184885.00

pppp WW++q/g+q/g + Xq/g+q/g + X



FondoFondo

ttbarttbar

W+jjW+jj

WWWW

Singolo WSingolo W



510 k510 k 624.00624.00

30 k30 k 77.0077.00

11.1911.19135 k135 k

597 k597 k 184885.00184885.00

pppp WWWW + X + Xqqqq



FondoFondo

ttbarttbar

W+jjW+jj

WWWW

Singolo WSingolo W



510 k510 k 624.00624.00

30 k30 k 77.0077.00

11.1911.19135 k135 k

597 k597 k 184885.00184885.00

pppp WW + X + Xqqqq


Simulazione degli eventiSimulazione degli eventi

Generazione degli eventiGenerazione degli eventi● PYTHIA: PYTHIA: ✔SegnaleSegnale

✔Fondo ttbarFondo ttbar✔Fondo WWFondo WW✔Fondo singolo WFondo singolo W

● CompHEP: CompHEP: ✔Fondo W+jjFondo W+jj

● Eventi pesati:Eventi pesati: W = LN

gen

● MuoniMuoni identificati nell'intervallo di pseudorapidita': identificati nell'intervallo di pseudorapidita': - 2.4 < - 2.4 < < 2.4< 2.4

● Ricostruzione dei Ricostruzione dei jetjet::

– Intervallo di pseudorapidita':Intervallo di pseudorapidita': - 5 < - 5 < < 5 < 5

– Algoritmo a cono: Algoritmo a cono: R = 0.5R = 0.5

– PPTT > 10 GeV > 10 GeV

● No pile- upNo pile- up degli eventi degli eventi

Simulazione del rivelatoreSimulazione del rivelatoreCMSJET simulazione veloce del rivelatoreCMSJET simulazione veloce del rivelatore


Selezione degli eventiSelezione degli eventi

MuoneMuone● Indispensabile per Indispensabile per

identificare il identificare il decadiemto leptonico decadiemto leptonico del Wdel W

● Criterio di selezione:Criterio di selezione:– PPTT > 30 GeV > 30 GeV– ||| < 2.4| < 2.4– maggiore impulso maggiore impulso

trasversotrasverso

NeutrinoNeutrino● Ricostruzione del Ricostruzione del

quadrimpulso del quadrimpulso del neutrino:neutrino:– PPTT

= P = PTTmissmiss

PPTT > 30 GeV > 30 GeV

– PPzz calcolato calcolato imponendo:imponendo:

mmWW = 80.45 GeV = 80.45 GeV

WW = 2.14 GeV = 2.14 GeV

(p(p + p + p ) )22 = m = mWW22

– Scelta della soluzione Scelta della soluzione con Pcon P

ZZ minore minore

Selezione dei leptoni dal decadimento Selezione dei leptoni dal decadimento WW

MuoneMuoneNeutrinoNeutrino 88 %88 % 60 %60 % 72 %72 % 55 %55 % 67 %67 %

41 %41 %63 %63 %84 %84 %37 %37 %89 %89 %SegnaleSegnale ttbarttbar W+jjW+jj WWWW Singolo WSingolo W



W ricostruito 1 o 2 jet.W ricostruito 1 o 2 jet.

● Criterio di selezione:Criterio di selezione:

– PPTTjetjet > 30 GeV > 30 GeV

– ||jetjet| < 3| < 3

– 60 GeV < M60 GeV < MWW < 110 GeV < 110 GeV

– PPTTWW piu' alto piu' alto

Jet dal decadimentoJet dal decadimento: W : W qq qq

Distribuzione di pseudorapidita' quark del segnale.

● Differenza di pseudorapidita' tra Differenza di pseudorapidita' tra i jet del W e i jet in avanti:i jet del W e i jet in avanti:

– jW-jtjW-jt > 1 > 1

EfficienzeEfficienze --------14 %14 %14 %14 %26 %26 %57 %57 %SegnaleSegnale ttbarttbar W+jjW+jj WWWW Singolo WSingolo W

● Impulso trasverso dei bosoni W Impulso trasverso dei bosoni W ricostruiti:ricostruiti:

– PPTTWqqWqq > 100 GeV > 100 GeV



● Richiesta di una coppia di jet ad alta Richiesta di una coppia di jet ad alta pseudorapidita':pseudorapidita':

● PPTT > 20 GeV > 20 GeV

● j1j1 x x j2j2 < 0 < 0● 1.5 < |1.5 < |j1j1| < 5 o 1.5 < || < 5 o 1.5 < |j2j2| < | <

55● ||j1j1 - - j2j2| > 3| > 3

Selezione dei jet spettatori.Selezione dei jet spettatori.

Oppure● Richiesta di un solo jet ad alta Richiesta di un solo jet ad alta

pseudorapidita':pseudorapidita':

● PPTT > 20 GeV > 20 GeV

● ||| > 2 | > 2 – Veto sui jet centrali: nessun jet conVeto sui jet centrali: nessun jet con

● PPT T > 20 GeV> 20 GeV

● ||| < 3| < 3

● Massa invariante sistema di quark in Massa invariante sistema di quark in avanti:avanti:

M(jt1+jt2) > 550 GeVM(jt1+jt2) > 550 GeV

Jet tagJet tag 79 %79 %SegnaleSegnale t-tbart-tbar W+jjW+jj WWWW Singolo WSingolo W

M jet tagM jet tag 87 %87 % 29 %29 % 52 %52 % 89 %89 % ~ 0 %~ 0 %21 %21 %14 %14 %25 %25 %29 %29 %


EfficienzeEfficienze

● Efficienza di Efficienza di segnalesegnale integrata tra integrata tra 0 GeV < M 0 GeV < M

WWWW < 2000 GeV < 2000 GeV : : ~20 %~20 %

● Efficienza di segnale per Efficienza di segnale per MMWWWW > 800 GeV: > 800 GeV: ~40- 50 %~40- 50 %

Particolarmente Particolarmente interessante nelinteressante nel

caso in cui l'Higgs non caso in cui l'Higgs non esista.esista.

● Efficienza Efficienza fondifondi: : < 0.5 < 0.5 %%


RisultatiRisultati

● La risoluzione sulla ricostruzione La risoluzione sulla ricostruzione della massa invariante WW da della massa invariante WW da 200 GeV a 2000 GeV e': 200 GeV a 2000 GeV e':

~ ~ 8 %8 %

Risoluzione sulla massa invariante WWRisoluzione sulla massa invariante WW

rWW

= MWW

rec-MWW

gen

MWW

gen

Ma pile-up non considerato

L = 100 fb-1

● Buona sensibilita' alla Buona sensibilita' alla dipendenza del segnale da dipendenza del segnale da mmHH


RisultatiRisultatiNumero di eventi vs MNumero di eventi vs M

WWWW

L = 100 fb-1

No Higgs case

S = 119S = 119

S/S/B B 2.5 2.5

● S/S/B B 2.5 per M 2.5 per MWWWW > 1 TeV: > 1 TeV: necessari necessari 3 o 4 anni ad alta 3 o 4 anni ad alta luminosita'luminosita' per esplorare la per esplorare la regione ad alte masse. regione ad alte masse.

● Necessari ulteriori studi per Necessari ulteriori studi per migliorare il rapporto migliorare il rapporto segnale rumore.segnale rumore.

● Necessari campioni Necessari campioni Monte Carlo piu' grandi.Monte Carlo piu' grandi.


ConclusioniConclusioni

● MisuraMisura della sezione d'urto per la fusione della sezione d'urto per la fusione WWLLWWLL ad LHC ad LHC possibilepossibile oltre la scala di oltre la scala di energia (Menergia (MWWWW) del TeV.) del TeV.

● Buona risoluzioneBuona risoluzione su M su MWWWW: ~ 10 %: ~ 10 %

● Alta luminosita' richiesta.Alta luminosita' richiesta.

● Essenziale una comprensione dettagliata Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi per essere sensibili alla possibile dei fondi per essere sensibili alla possibile nuova fisica.nuova fisica.

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