LHC: Fisica Elettrodebole e
Fisica del B
Riccardo Ranieri
INFN e Università di Firenze
Commissione Scientifica Nazionale 1
Laboratori Nazionali di Frascati
11-12 Novembre 2003
ATLAS & CMS btW
Gli argomenti che tratterò:
 t
– σtt, top singolo, mt
 W
 b
– mW e fit elettrodebole
– trigger e canali di benchmark
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LHC: Fisica EW
e Fisica del B
Riccardo Ranieri 2
Previsioni
√s
[TeV]
Luminosità
[cm-2s-1]
∫L
[fb-1/y]
2
<1032
0.3
LHC (bassa luminosità)
14
2x1033
20
LHC (alta luminosità)
14
1034
100
TeVatron
processo
bb
(pb)
Eventi/s
Eventi/y
5108
106
1013
Zee
1.5103
~3
107
Wℓ (ℓ=e,μ)
3104
~60
108
WWeX
tt
6
10-2
105
830
~1.7
107
H(700 GeV/c2)
1
210-3
104
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LHC: Fisica EW
e Fisica del B
LHC
TeVatron
Riccardo Ranieri 3
Perché studiare il quark top?
– Misura accurata di mt
– Produzione e
decadimenti
– Vincoli su mH
– Eventi di top fondo
dominante per ricerche
di nuova fisica alla scala
del TeV
DØ
mt=174.3±3.2±4.0 GeV/c2 (CDF+DØ)
uno dei parametri fondamentali del Modello Standard
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LHC: Fisica EW
e Fisica del B

e
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Produzione di coppie tt
• LHC sarà una “top factory”
– σ(pp→tt)NLO+∑NLL=833 pb per √s=14 TeV (100xTeVatron)
- R.Bonciani, S.Catani, M.L.Mangano, P.Nason, Nucl.Phys B529(1998) 424
– Bassa luminosità: 16M tt per anno
- / 90% gg
– 10% qq’
– Misura di σtt e nuova fisica:
 risonanze pesanti >>> picco nello spettro tt
 t→H+b >>> deficit apparente in σtt [SM: Br(t→W+b)≈1]
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Decadimenti
• Modello Standard: BR(t→W+b)≈99.9%
 stato finale dipendente dai decadimenti del W
1. Dileptoni
W Decay Mode
 BR≈5%  0.8x106 ev/y
l
l
Wjj
jj
 nessun top ricostruito
g,q
b
b
b
b
b
t
 leptoni isolati di alto pT
W+
jj
jj
l
l
g
g,q
2. Leptone singolo
t
b
b
b
b
b
 BR≈30%  5x106 ev/y
(3)
(2)
(1)
 un top ricostruito
τ+X
21%
 b-tag fondamentale
3. Completamente adronico
jets
45%
 BR≈45%  7x106 ev/y
μ+jets
 entrambi i top ricostruiti
15%
 fondo: multi-jet QCD
μ+μ e+μ e+e
1% 2% 1%
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e+jets
15%
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Ricerca di risonanze
– Molti modelli teorici prevedono l’esistenza di risonanze
che decadono tt SM Higgs (ma BR sfavorevole rispetto a decadimaneti WW e ZZ)
 MSSM Higgs (H/A, se mH,mA>2mt, BR(H/A→tt)≈1 per tanβ≈1)
 modelli Technicolor, strong ElectroWeak Symmetry Breaking,
Topcolor, produzione di “coloroni”, […]
 canale semileptonico
 neutrino da Etmiss
σxBR [fb]
– Studio di risonanza Χ noti σΧ, ΓΧ e BR(Χ→tt)
– ETmiss=Et;mℓ=mW|pz|
 molti jet (tra 4 e 10)
 Efficienza di
ricostruzione
– 20% mtt=400 GeV/c2
– 15% mtt=2 TeV/c2
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830 fb
xBR richiesto per la scoperta
30 fb-1
300 fb-1
1 TeV/c2
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mtt [GeV/c2]
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Produzione di top singolo
2-2
Wg Fusion 245±27 pb
S.Willenbrock et al., Phys.Rev.D56, 5919
2-3
+16.6
Wt 62.2-3. 7 pb
A.Belyaev, E.Boos, Phys.Rev.D63, 034012
W* 10.2±0.7 pb
M.Smith et al., Phys.Rev.D54, 6696
– Determinazione diretta del vertice tWb(=Vtb)
 σ predetta dal Modello Standard (tranne l’accoppiamento)
– Discriminanti per la misura della σ dei 3 segnali:
 molteplicità dei jet (più elevata per Wt)
 più di un b-jet (aumenta segnale W* rispetto a Wg)
 distribuzione della massa invariante jet-jet (mjj≈mW per
Wt e non per gli altri)
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Analisi top singolo
– Fondi principali [σxBR(W→ℓ), ℓ=e,μ]:



ttσ=833 pb
[246 pb]
Wbb σ=300 pb [66.7 pb]
Wjj σ=18x103 pb [4x103 pb]
Wg(2-2 + 2-3) [54.2 pb]
Wt
[17.8 pb]
W*
[2.2 pb]
– Trigger di L1: leptone singolo pT>20 GeV/c
– Capacità di estrarre il segnale dal fondo dipende da:




rate di leptoni “fake” (utilizzo dei sistemi di tracciatura)
b-tag (εb=60%, εc=10%, εuds=1% a bassa luminosità)
ricostruzione e veto di jet di bassa energia (2,3 jet ET>30 GeV)
identificazione jet in avanti (quark “spettatore” q’ in Wg)
– Studio dei 3 processi separatamente
 W’ pesante  aumento in canale-s di W*: σ(W*) σ(W*)/σ(Wg)
 FCNC gu→t  diversa distribuzione angolare: σ(W*)/σ(Wg)
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Risultati top singolo
• Risultati per ∫L=30 fb-1
Processo
Segnale
(x1000)
Fondo
(x1000)
S/B
S/√B
Wg
27±1
3.1
289
Wt
6.8±0.3
0.22
39
W*
1.11±0.04
8.7±1.6 [Wjj]
30.5±0.7 [tt]
2.4±0.3 [50%tt]
0.46
23
ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)
Processo δVtb(stat.) δVtb(th.)*
Wg
0.36%
6%
Wt
1.4%
”
W*
2.7%
5%
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CDF: 14 pb (18 pb canale-s 13 pb canale-t)
D0: 17 pb canale-s e 22 pb canale-t
SM: σSM=2.43±0.32 pb
LHC: Fisica EW
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*
PDF+μ(scale)+δmt
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Massa del quark top
BR≈30%
– La ricostruzione inizia con mW
 “ricostruzione” neutrino
– ET=ETmiss
– mℓ=mW
ricostruzione
 combinatorio con coppie di jet
– mjj=mW
– Metodi statistici per
determinare mt
 mjjb= mℓb=mt
trigger
Efficienza di selezione: ~5-10%:
•leptone isolato pT>20 GeV/c
•ETmiss>20 GeV
•4 jet con ET>40 GeV
•>1 b-jet (b40%, uds10-3, c10-2)
Fondo: <2%
W/Z+jet, WW/ZZ/WZ
ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)
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Ricostruzione di mt
 Simulazione veloce e
completa sono in accordo
mW
– controllo su 60 000 eventi
mt
(fast sim)
» σ(mt)full=13.4 GeV/c2
» σ(mt)fast=11.9 GeV/c2
 lineare in mt
 indipendente da top pT
da evitare…
j2
j1
b-jet
δmtstat=0.10 GeV/c2
ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)
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Errori su mt
Errori per esperimento
 calibrazione in energia dei jet
δmt
Errore
[GeV/c2]
statistico
0.10
scala E jet leggeri
0.20
scala E b-jet
0.60
ISR/FSR
1.5 ?
frammentazione quark b
0.25
fondo
0.15
conoscenza PDF
negl.
Totale
<2.0 ?
– obiettivo: 1% per jet leggeri e 5%
per b-jet (da W→jj dell’evento e
Z(→μμ)+j: difficile da raggiungere…)
 funzione di frammentazione del
quark b
– variazione del parametro di
Peterson εb=-0.0060(+0.0025)
 radiazione di stato iniziale e finale
(ISR e FSR)
– incertezza del 10% (da as)
 conoscenza del fondo
– a LHC la statistica non mancherà…
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Metodi alternativi
– Eventi tt ad alto pT
 separazione in due emisferi
 maggiore sovrapposizione tra i jet
Dalla combinazione si
potrà raggiungere
δmt=1 GeV/c2 ?
– Canale leptonico [2x(W→ℓ), ℓ=e,μ]
 due leptoni carichi (ma anche due neutrini)
 molto dipendente dalla descrizione del Monte Carlo
– Sezione d’urto σtt
 altissima statistica, sistematiche differenti
 limitata da incertezza su PDF (10%δmt=4 GeV/c2)
– La sfida: decadimenti b esclusivi
con prodotti massivi (es.: J/y)
 correlazione con mt e poco fondo
 BR(tt→qqbℓ+J/y→ℓℓ)=5x10-5: alta luminosità
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Il fit elettrodebole
da decadimenti n, 
da misure dirette
GF (1)
decadimenti dei mesoni
mfermioni (9)
mbosoni (2)
[per ora niente]
VCKM (4)
SM
(17 parametri)
predictions
(fino a 0.1%)
mH
– Misure precise =
 test di validità del Modello Standard
 informazioni sul parametro mancante mH (correzioni radiative)
Esempio: mW=mW(mt2, log(mH))
t  mt2
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H  ln(mH/mW)
Riccardo Ranieri 16
Dove siamo…
• Le incertezze su mt e mW
dominano il fit elettrodebole
– Ogni “osservabile” può essere
calcolato in funzione di:
Δahad, as(mZ), mZ, mt, mH
+58
mH=91 -37
direct
indirect
GeV/c2 (mH/mH  53%)
mH<211 GeV/c2 @ 95% CL
35% shift in mH per shift di 5 GeV/c2 (1) in mt!
– Prospettive TeVatron RunII
mt2.5 GeV/c2 mW25 MeV/c2mH/mH35%
Attuali input:
mt=174.3 ±5.1(exp) GeV/c2
mW=80.426 ±0.035(exp) GeV/c2
mZ=91.1875 ±0.0021(exp) GeV/c2
Z=2.4952 ±0.0023(exp) GeV
Per avere simile impatto su mH: ΔmW≈0.7x10-2Δmt
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Riccardo Ranieri 17
Massa del W
– Sezione d’urto WW troppo bassa
– W singola: non è possibile determinare
direttamente mW
 c’è il neutrino… ma anche molta statistica!
 massa trasversa: mTW=[2pTℓ∙pT∙(1-cosΔφ)]½
regione di fit
Efficienza di selezione:
~20% con
•leptone isolato pT>25 GeV/c
•ETmiss>25 GeV
•No jet con ET>30 GeV
•Recoil |u|<20 GeV/c
e
W
beam line
u
(missing pT)
T

p   p l  u 


T
60 milioni di W/10 fb-1!
(50xTeVatron RunII)
δmWstat=2 MeV/c2 con 10 fb-1
ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)
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Riccardo Ranieri 18
Errori su mW
 Sistematici dovuti alla teoria
 Sistematici dovuti al rivelatore
– pTW: 5 MeV/c2
– Scala di E/p del leptone: 15 MeV/c2
» pTZ da Z→ℓℓ e si usa pTW/pTZ per
modellare il Monte Carlo (accordo tra
pTW e pTZ al 10% per pTW,Z<20 GeV/c)
» mZ da Z→μμ (Z→ee): ma bisogna
raggiungere precisione di 0.02%
(improbabile perché occorrono: mappa
del campo magnetico al 0.1% e material
budget del sistema tracciante al 1%)
– PDF: 10 MeV/c2
» vincolate dai dati di W e Z?
– ΓW: 10
– Risoluzione E/p del leptone: 5 MeV/c2
MeV/c2
» da R a BR(W→ℓ) [SM, fattore limitante
è σW/σZ], per ora ΓW=2.124(41) GeV
– Decadimenti radiativi: 10
MeV/c2
» ΓZ + dati dai test beam (ma occorre
risoluzione di 1.5% su E e p)
– Modellizzazione del recoil: 5 MeV/c2
» ma c’è ancora da lavorare
(teoria+W→ℓg)
– Normalizzazione e andamento del fondo:
5 MeV/c2
» conoscere il fondo: e al 30%, μ al 7%
R
Modello Standard per
BR (W   ) determinare W !
W

 Z BR ( Z  )
da LEP
dalla teoria
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» da Z→ℓℓ (scala come 1/√NZ)
Totale: 25 MeV/c2/10 fb-1
potrebbe essere raggiunto per
esperimento (15 MeV/c2/10 fb-1
dalla combinazione dei risulati di
ATLAS e CMS)
…
sarà davvero così?
Riccardo Ranieri 19
Conseguenze (da δmt e δmW)
Grazie a M.Grunewald e Roberto Chierici
– Se il fit
elettrodebole viene
ripetuto cambiando
gli errori su mt e mW
direct
 mW=15 MeV/c2
 mt=1 GeV/c2
 valori centrali attuali
+20
mH=73-16 GeV/c2
(mH/mH  25%)
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Riccardo Ranieri 20
Fisica del B a LHC
Programma
Decadimenti rari
violazione di CP
mixing Bs0
luminosità: 2x1033 cm-2s-1
( 1034 cm-2s-1)
  0.5 mb  O(105-106)
bb/s
O(100) ev/s su nastro per
tutti i canali di fisica
interessanti
La strategia di trigger è
fondamentale
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25 Hz
b/c
19 GeV/c
Produzione di b a LHC
W
Trigger muoni: solamente ~5 Hz b/c
(1 Hz107 ev/y a bassa luminosità)
Non è abbastanza per decadimenti con
Br<10-4 e εsel<10%
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Riccardo Ranieri 21
High-Level Trigger
• Come si può migliorare il trigger di b?
– utilizzo dei sistemi di tracciatura
– algoritmi che richiedano solo una frazione di dati
 Region of Interest (RoI)
 ricostruzione tracce
– quasi offline
– condizioni di stop
 velocità di esecuzione
– misure di timing degli algoritmi
Gli algoritmi HLT si possono suddividere in 2 categorie:
1.
Ricostruzione e identificazione di oggetti (μ,e,g,jet,…)
”Trigger elements”
2.
Validazione di topologie (tagli di fisica sugli oggetti ricostruiti)
”Hypothesis algorithm”
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e Fisica del B
Riccardo Ranieri 28
ATLAS & CMS startup
Camere μ: Trigger L1 limitato
a |η|<2.1 (< elettronica)
Pixel Vertex detector:
2 layer invece di 3
Pixel Vertex detector:
2+1 layer invece di 3+2 ?
TRT (straw tubes):
accettanza limitata |η|<2
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LHC: Fisica EW
e Fisica del B
Riccardo Ranieri 29
Fisica del b
Canali di benchmark :
• Di-muon Trigger L1:
– Bs→μμ
– Bs→J/y(→μμ) (→KK)
• Canali adronici (Trigger L1 di singolo
muone sul secondo b→μ):
– Bs→Ds(→π(→KK)) π
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e Fisica del B
Riccardo Ranieri 32
Decadimenti rari: Bs→μμ
• FCNC b→s o b→d a livello di loop nel
Modello Standard
– BR(Bs→μμ)=(3.5±1.0)x10-9
– correzioni MSSM (alto tanβ)nuova fisica
» Br(Bs→μμ)=3x10-6(tanβ/50)6(200 GeV/mA)4 loop
Occorre molta statistica: ATLAS e CMS (>luminosità)
sono favoriti rispetto a LHCb
Commissione 1 - LNF
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LHC: Fisica EW
e Fisica del B
Riccardo Ranieri 33
Analisi Bs→μμ
Full Tracker
HLT
 = 46 MeV/c2
 = 74
“The Trigger and
Data Acquisition
project, Volume II
Data Acquisition &
High-Level Trigger”
CMS TDR 6.2 (2002)
MeV/c2
L1 
HLT
15.2%

33.5%
Global  (=L1xHLT)
ev/10 fb-1
Trigger Rate
5.1%
47
<1.7Hz
Analisi offline (SM BR=3.5x10-9)
10
(L1 μ trigger in |h|<2.4 invece di |h|<2.1)
fb-1  7 eventi di segnale <1 fondo
osservazione a 5σ con 30 fb-1
A.Nikitenko,
A.Starodumov,
N.Stepanov,
hep-ph/9907256
inoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminosità
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Riccardo Ranieri 34
Oscillazioni Bs/Bs
B0s
-0
e B s sono gli autostati di flavour
sovrapposizione degli autostati di massa BH e BL

Oscillazioni
con frequenza
ΔmsmH-mL
-
Bs0Bs0
Bs-Bs mixing: Δms  14.4 ps-1 @ 95% CL
Difficoltà all’interno del Modello standard a giustifcare
valori di Δms superiori a 25 ps-1nuova fisica
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LHC: Fisica EW
e Fisica del B
Riccardo Ranieri 35
Bs→Dsπ
4) Tagli topologici fra Bs e μ
bb  μ

Bs  Ds π+
3) Minv tra i Ds ricostruiti e π
2) Minv dei π con i candidati 
 πK+
K-
1) Minv delle coppie di K±
0) Ricostruzione parziale
tracce
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LHC: Fisica EW
e Fisica del B
Riccardo Ranieri 36
Bs→Dsπ: misura di Δms

=5 MeV/c2
Ds
=25 MeV/c2
Bs
=95 MeV/c2
1 anno a bassa luminosità (20 fb-1):
L1: 1 kHz HLT: 5 Hz
300-400 eventi di segnale
Δms fino a 20 ps-1
1000 eventi necessari per test SM: Δms  26 ps-1 @ 99% CL
A.Giassi, F.Palla, A.Starodumov, CMS NOTE 2002/045
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LHC: Fisica EW
e Fisica del B
Riccardo Ranieri 37
Bs→Dsπ – prospettive
x =Δm /Γ
s
s
s
80K
70K
60K
CDF
ATLAS
50K
40K
30K
20K
10K
0
2 fb-1 (RunIIa) e 6.5 fb-1 (RunIIb) ~2008
–Risoluzione in tempo proprio:
t = 45 fs  t  pT/pT (L00+SVX)
Sensibilità fino a xs  6070
Test dello SM (xs~30) con
< O(10k) eventi
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Bassa Luminosità 30 fb-1 ~2008
–Risoluzione in
tempo proprio: t = 60 fs
Sensibilità fino a Δms<29.5 ps-1 (xs<43)
LHCb: 1 anno = 2 pb-1  72k
LHC: Fisica EW
e Fisica del B
B.Epp,V.M.Ghete,A.Nairz,
EPJdirect CN3, 1-23 (2002)
Riccardo Ranieri 38
B Trigger e tabella HLT
•
La banda di trigger dedicata alla fisica
del B allo startup di LHC dipenderà da:
1. Luminosità
– Minore luminosità  maggiore banda B trigger
2. Rate del fondo
– Il “fattore di sicurezza”…
3. ₤€ r¥$or$€ f¥nanz¥ar¥€
– Per acquistare trigger processors
 Inoltre è allo studio la possibilità di
abbassare le soglie per il trigger di B
quando la luminosità sarà più bassa
durante il fill di LHC
Commissione 1 - LNF
11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW
e Fisica del B
Riccardo Ranieri 42
Conclusioni – Fisica tWb
• Le conclusioni (a 4 anni dalla partenza di LHC):
– t
 calibrazioni (energia jet, leptoni isolati, b-tag)
 primi risultati post-calibrazione dalla fisica del top
– W
 la fisica elettrodebole di precisione potrebbe essere
possibile a LHC
 prossimo passo: analisi più sofisticate con descrizione più
dettagliata dei rivelatori
– b
 ATLAS e CMS competitivi anche se non progettati per la
fisica del B
 le condizioni iniziali di LHC saranno fondamentali: minore
luminosità  maggiore fisica del B
Commissione 1 - LNF
11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW
e Fisica del B
Riccardo Ranieri 43