Universita’ degli Studi di Torino
Facolta’ di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
Corso di Laurea Specialistica in Fisica Delle Interazioni Fondamentali
Studio della rottura spontanea di
simmetria mediante il processo di
fusione di bosoni vettori nell’ambito
dell’esperimento CMS
Candidata S. Bolognesi
Relatrice Dott.sa C. Mariotti
Co-relatore Dott. A. Ballestrero
Contro-relatore Prof. M. Masera
Gruppo CMS di Torino
1
LHC e CMS
Large Hadron Collider
√s(p-p)= 14 TeV
bassa luminosita’ L = 2×1033 cm-2s-1 (2007-2010)
alta luminosita’ L = 1034 cm-2s-1 (2010 - ?)
CMS
MET  ETtotale
pT 
p p
2
x
LHCb
2
y


   ln  tan 
2

Sara Bolognesi (TORINO)
ATLAS
ALICE
2
sessione di Laurea 20/07/05
EWSB via VBF
 Modello GWS di unificazione elettrodebole U(1)Y × SU(2)I
EWSB: meccanismo di Higgs
particella scalare (Higgs)
MW ~ 80 GeV
Mg = 0
MZ ~ 90 GeV
(massa -> polarizzazione longitudinale)
(di massa non fissata)
 Processo di fusione di bosoni vettori: VV -> VV
V
V
V


L

L

L

L
A W W W W

1
s2
t2
 2   s  t 

2
v 
s  mH t  mH2
• viola l’unitarieta’ in assenza di Higgs
V
• contributo di Higgs corregge la
divergenza della sezione d’urto



v = 246 GeV
VBF = sonda del meccanismo di rottura spontanea di simmetria in maniera
indipendente da qualunque modellistica
Sara Bolognesi (TORINO)
3
sessione di Laurea 20/07/05
VBF@LHC
Principali osservabili del VBF a LHC e scenari possibili:
q
q
V
V
V
W
q
q
q
l
n
q
M(q,q,l,n) =
M(V,W) =
M(H)
 Higgs = risonanza nello spettro
3 mH3
H H  VV  
32 v 2
M(H)
(H)
s(VV->VW) VS M(V,W)
M(H) = 300 GeV
M(H) = 500 GeV
M(H) = 700 GeV
No Higgs
300
~10
500
~50
700 (GeV)
~120 (GeV)
 No Higgs -> effetti di violazione
dell’unitarieta’
fortemente soppressi da
• bosoni entranti off-shell
• PDF quark iniziali
• bosoni non polarizzati
NUOVA FISICA = deviazione da
tale spettro
Sara Bolognesi (TORINO)
4
sessione di Laurea 20/07/05
Studi partonici
 utilizzo di un nuovo MC -> definizione di segnale
 confronto con il MC precedentemente usato (PYTHIA)
 divisione in contributi del segnale
(VV->VW: WW->WW, ZZ->WW, ZW->ZW)
 studio della sezione d’urto ad alta massa invariante per evidenziare
gli effetti di violazione di unitarieta’ in assenza di Higgs
Sara Bolognesi (TORINO)
5
sessione di Laurea 20/07/05
PHASE
(Accomando, Ballestrero, Maina)
PHact Adaptive Six Fermion Event Generator
qq->qqqqln O(aEW6)
In un conto esatto la sezione d’urto e’ data dal quadrato della somma di tutti i
contributi
2
...
segnale (VBF)
fondo irriducibile
definire il segnale = separare il segnale ed il fondo irriducibile a
livello partonico
Sara Bolognesi (TORINO)
6
sessione di Laurea 20/07/05
Definizione di segnale
Tagli di eliminazione fondo
irriducibile a livello partonico:
 contributo di top (pura EW)
~ 70 %
160 < M(bqq’,bmn) < 190 (GeV)
M(H) = 500 GeV
 tre bosoni uscenti
 diagrammi non risonanti
M(mn) = mW ± 10 GeV
M(q1q2) = mV ± 10 GeV
~3%
Sara Bolognesi (TORINO)
~2%
M(q3q4) = mV ± 10 GeV
7
sessione di Laurea 20/07/05
Violazione unitarieta’ (1)
Polarizzazione dei bosoni
M(H) = 500 GeV
No Higgs
distribuzione di decadimento W nel suo CM
picco: VL
coda: VT+VL
coda: VT
coda
No Higgs
M(H) = 500 GeV

picco
coda
selezionare VL ed eliminare VT

3
1  cos 2 
4
3
T (cos  )  1  cos 2  
8
L (cos  ) 
Sara Bolognesi (TORINO)
eliminare la coda per M(H)=500 GeV,
conservandola per No Higgs
8
sessione di Laurea 20/07/05
Violazione unitarieta’ (2)
eventi M(V,W) > 1 TeV
Rete neurale (NN)
dati in ingresso
Sara Bolognesi (TORINO)
strati nascosti
variabile di
uscita
9
sessione di Laurea 20/07/05
Studi di ricostruzione
e selezione
 generazione fondi riducibili con vari MC
 simulazione veloce del rivelatore con il software di CMS
 studio delle risoluzioni utilizzando la verita’ MC
 selezione del segnale dal fondo riducibile ed irriducibile
Sara Bolognesi (TORINO)
10
sessione di Laurea 20/07/05
Cinematica del segnale
p
p
q tag
q
q
q
quark
tag
No
Higgs
quark
dal bosone
M(H)
= 500
GeV
V
V
n
W
m
q
V
q’
tag
pseudorapidita’
pseudorapidita’
bosoni
quark
2 bosoni centrali con alto pT
2 q dal bosone adronico:
centrali, bassa D, alto pT
alta MET
muone centrale con alto pT
2 q tag: alta , grande D e
energia molto alta
energia
quark
momento
trasverso
bosoni
ricostruzione del pz del neutrino:
(pm + pn)2 = mW2
Sara Bolognesi (TORINO)
11
sessione di Laurea 20/07/05
Fondi
 fondo irriducibile
top (pure EW)
 pp
tt
W - b W+ b
 pp
qqWW
 pp
qqqqW
Sezione d’urto
~ 3 × ssegnale
1m+X ~ 3000 × ssegnale
qqqqmn
~ 50 × ssegnale
~ 2000 × ssegnale
qqqqmn
pseudorapidita’
bosoni
pseudorapidita’
quark
tag / b
Ordine perturb.
aEW6
aS2 aEW4
aS4 aEW2
energia
energia
quark
bosoni
tag / b
segnale
segnale: quark
tag
WWqq
top EW: quark b
Wjjjjb
top QCD: quark
Sara Bolognesi (TORINO)
12
sessione di Laurea 20/07/05
Simulazione
NO PILE-UP !!
 Simulazione veloce del rivelatore (FAMOS_1_2_0):
parametrizzazione del detector dal fit della simulazione completa
 Studio della risoluzione utilizzando la verita’ MC
risoluzione (%) =
valore ricostruito – valore generato
valore generato
risoluzione assoluta = valore ricostruito – valore generato
su un campione di eventi senza Higgs (sempre pT jet > 30 GeV)
Sara Bolognesi (TORINO)
13
sessione di Laurea 20/07/05
Risoluzione leptonica
risoluzione su pTm VS pTm generato
Si sceglie il muone ricostruito piu’
vicino a quello generato
(solo se DR<0.2)
• risoluzione < 10% nell’ 86%
degli eventi
• momento trasverso sottostimato
risoluzione su pTn
MET totale ~ pT neutrino
• MET ricostruita dal calorimetro
FWHM ~ 60% (45 GeV)
Sara Bolognesi (TORINO)
14
sessione di Laurea 20/07/05
Risoluzione adronica
Eventi con esattamente 4 jet nello stato finale, ciascuno associato ad un
singolo quark generato (DR<1)
(pT jet > 30 GeV)
risoluzione (%)
risoluzione assoluta
(fit gaussiano):
pt dei quark
FWHM ~ 35%
M(V -> qq)
pt dei quark
• deviaz. std. ~ 14 GeV
media ~ 2.5 GeV
FWHM ~ 33%
M(V -> qq)
• deviaz. std. ~ 15 GeV
media ~ 10 GeV
Sara Bolognesi (TORINO)
15
sessione di Laurea 20/07/05
Procedura di analisi (1)
Tagli ottimizzati per no-Higgs per evitare eventuali bias dovuti alla produzione di un
oggetto massivo
Ricostruzione del segnale (pT jet > 20 GeV)
 ricostruzione del bosone leptonico
• scelta del muone con massimo pT
(pTm > 20 GeV)
segnale
(NoHiggs)
73 %
fondo
50 %
• pTn = MET (pTn > 20 GeV)
 ricostruzione del bosone adronico
|j1|, |j2| <3
63 %
44 %
60 %
38 %
|j1-j2| < 2
50 < M(j1,j2) <125 (GeV)
 richiesta 2 jet aggiuntivi
quark tag = restanti 2 jet piu’energetici
Sara Bolognesi (TORINO)
16
sessione di Laurea 20/07/05
Procedura di analisi (2)
Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV)
 taglio contro il top
100 < M(W,b), M(V,b) < 300 (GeV)
segnale
(NoHiggs)
54 %
fondo
24 %
b = jet con massima probabilita’ di b-tagging (solo se P(b)>1)
Sara Bolognesi (TORINO)
17
sessione di Laurea 20/07/05
Procedura di analisi (3)
Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV)
 tagli sui quark tag
pTjtag1, pTjtag2 > 50 GeV
M(jtag1, jtag2) > 600 GeV
|jtag1-jtag2| > 1.5
jtag1 × jtag2 < -1
17 %
M(jtag1, jtag2)
Sara Bolognesi (TORINO)
segnale
(NoHiggs)
fondo
1.4 %
jtag1 - jtag2
18
sessione di Laurea 20/07/05
Procedura di analisi (4)
Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV)
 tagli aggiuntivi
DR(m, j)min > 0.2
DR(jtag, jV)min > 0.9
segnale
(NoHiggs)
fondo
10.56 %
0.52 %
D(jtag, W) > 0.7
(Njet with |j|>2) < 8
(Njet with |j|<2) < 13
|W| < 2
M(V,W,jtag1,jtag2) > 1 TeV
Sara Bolognesi (TORINO)
19
sessione di Laurea 20/07/05
Risoluzioni
Risoluzioni dell’analisi
Perfettamente in
accordo con le
risoluzioni calcolate
utilizzando la verita’
MC per riconoscere le
particelle di segnale
cattiva risoluzione
risoluzione calorimetro (termine stocastico 125% / √E)
jet = energy flow objects i.e. utilizzo delle tracce associate ai
segnali calorimetrici
Sara Bolognesi (TORINO)
20
sessione di Laurea 20/07/05
1y@high lumi = 100 fb-1
segnale
S/√B VS M(V,W)
10.56 %
top EW
0.57 %
top QCD
0.18 %
WWjj
0.33 %
Wjjjj
1.11 %
efficienze finali
fondo irrid. 6.02 %
(no top)
eventi VS M(V,W)
significanza (S/√B) integrata
M(V,W) =
M(H) ± 30%
3.2
M(H)=300 GeV
M(H)=500 GeV
2.2
M(H)=700 GeV
1.5
M(V,W) > 1 TeV
No Higgs
0.3
Sara Bolognesi (TORINO)
21
totale
3.6
2.8
2.5
totale
2.3
sessione di Laurea 20/07/05
un po’ di lavoro e’ stato fatto...
...tanto e’ ancora da fare!!
arrivederci al 2007 (start di LHC) !!!!!!
un grazie ENORME al gruppo CMS di Torino
Dott.sa E.Accomando, Dott. N.Amapane, Dott. A.Ballestrero,
Dott.
R.Bellan, Dott. G.Cerminara, Dott. E.Maina, Dott.sa C.Mariotti, Prof.sa
A.Romero e tanti altri ancora...!!
22
Backup slides
 divisione in contributi del VBF
 confronto PHASE - PYTHIA
 polarizzazione dei bosoni vettori nel VBF
 produzione dei campioni: xsec ed eventi generati
 fondi non considerati: W, Wqq, ...
 breve descrizione del rivelatore
 risoluzione del bosone W->mn
 ricostruzione dell’impulso longitudinale del neutrino
Sara Bolognesi (TORINO)
23
sessione di Laurea 20/07/05
Divisione in contributi (1)
Non si puo’ a priori separare i diversi contributi (“a’ la pythia”)
W+W- -> W+WW-W- -> W-W- & C.C.
poiche’ questi possono interferire tra
loro quando danno luogo allo stesso
stato iniziale e finale
ZZ -> W+WZW->ZW
es. ud
udZZ
udW+W-
udW+W-
udcsm- n
Tagli appositi di selezione per i diversi contributi -> multiple counting
si e’ richiesta la giusta combinazione in flavour e segno in pz fra i
quarks entranti ed uscenti
pz(uIN) * pz(uOUT) > 0
ZZ -> W+Wpz(dIN) * pz(dOUT) > 0
es. uINdIN->uOUTdOUTcsm n
pz(uIN) * pz(uOUT) < 0
W+W- -> W+Wpz(dIN) * pz(dOUT) < 0
Sara Bolognesi (TORINO)
24
sessione di Laurea 20/07/05
Divisione in contributi (2)
Sara Bolognesi (TORINO)
25
sessione di Laurea 20/07/05
PHASE - PYTHIA
PYTHIA: solo polarizzazione longitudinale,
EVBA=> bosoni on-shell,
Breit-Wigner per il decadimento
M(H)=500 GeV
sottostima dello stato finale WZ per M(H)=500
PYTHIA
WZ / totale
0.04
PHASE
0.16
diversita’ nella topologia del segnale
no Higgs
Sara Bolognesi (TORINO)
26
sessione di Laurea 20/07/05
VL e V T
NoHiggs
Contributo delle diverse polarizzazioni
(risultati ottenuti con una versione modificata, non
ufficiale di PHASE)
M(H)=500 GeV
Tagli applicati:
1 < η(d) < 5.5 -1 > η(u) > -5.5
E(u,d,c,s,μ) > 20 GeV
Pt(u,d,c,s,μ) > 10 GeV
70< M(sc, μν) < 90
Sara Bolognesi (TORINO)
27
sessione di Laurea 20/07/05
Produzione dei campioni
Eventi e sezioni d’urto dei
diversi processi generati
segnale e fondo irriducibile
M(H) = 300 GeV
M(H) = 500 GeV
M(H)= 700 GeV
no Higgs
M(H) (GeV)
0.794 pb
0.718 pb
0.699 pb
0.689 pb
300
500.000
500.000
500.000
500.000
500
700
no Higgs
total
0.794 pb
0.718 pb
0.699 pb
0.689 pb
signal
0.247 pb
0.184 pb
0.169 pb
0.158 pb
top (EW)
0.495 pb
0.494 pb
0.493 pb
0.495 pb
other irr. backg.
0.052 pb
0.040 pb
0.037 pb
0.036 pb
altri fondi
pp t t
1m+X
622 pb
200.000
pp qqW+W-
qqqqmn
9.04 pb
249231
pp qqWW qqqqmn
9.1 pb
253736
pp qqW+W+ qqqqmn
0.05 pb
1996
pp qqqqW qqqqmn
359 pb
180006
pp qqW-W-
0.02 pb
2509
Sara Bolognesi (TORINO)
28
qqqqmn
sessione di Laurea 20/07/05
Fondi non considerati
Fondi con minore molteplicita’ di quark nello stato finale (es. W singolo, Wqq ...)
possono essere confusi col segnale a causa di jet aggiuntivi da:
• interazioni soffici fra i protoni
• radiazione di gluoni durante il Parton Shower (PS)
• errori nel processo di ricostruzione dei jet (merging-splitting dei jet)
non esisteva un MC capace di generarli senza
doppi conteggi con i fondi gia’ considerati
Non considerati
q
q
g
g
g
q
q
emmissione di gluoni durante il PS
Wqq
Wqqqq
W
La nuova versione di AlpGen (giugno 2005) e’ capace di generare W + n jets senza conteggi multipli
Sara Bolognesi (TORINO)
29
sessione di Laurea 20/07/05
CMS: Tracciatore
|| < 2.5
 ricostruzione vertice primario
 b-tagging (vertici secondari, parametro di impatto...)
 ricostruzione muoni di alto pT, elettroni ed adroni isolati
granularita’ ed alta resistenza alle radiazioni
Sara Bolognesi (TORINO)
30
sessione di Laurea 20/07/05
CMS: ECAL
energia, apertura angolare
H -> gg ( M(H) ~ 100 - 140 GeV )
 termine statistico (confinamento
dello sciame e fotostatistica)
 rumore elettronico + pile-up
 termine costante (risoluzione
intrinseca calorimetro)
Cristalli in PbWO4
alta densita’
piccolo raggio di Moliere
breve lunghezza di radiazione
rivelatore compatto
Sara Bolognesi (TORINO)
31
sessione di Laurea 20/07/05
CMS: HCAL
• granularita’
separazione dei jet
• ermeticita’
ricostruzione MET
calorimetro a campionamento (|| < 5)
 barrel HB
 endcaps HE
 forward HF
Sara Bolognesi (TORINO)
scintillatori + assorbitori in rame
fibre di quarzo + assorbitori in acciaio
32
sessione di Laurea 20/07/05
CMS: Muoni
4 stazioni intervallate
col giogo
barrel: DT (MB1-4)
endcap: CSC (ME1-4)
misura posizione (~ 100 mm)
CSC
RPC
misura tempo (~ 1 ns)
RPC
DT
Sara Bolognesi (TORINO)
33
sessione di Laurea 20/07/05
Risoluzione W leptonico
pT muone and pT neutrino sottostimati
pT W sottostimato
• picco risoluzione a -12.5 %
• risoluzione assoluta (fit gaussiano):
deviazione std. ~ 24 GeV
media ~ -7 GeV
pseudorapidita’ W sovrastimata (absval)
risoluzione con andamento asimmetrico
Sara Bolognesi (TORINO)
34
sessione di Laurea 20/07/05
Ricostruzione neutrino
 pTn = MET
equazione di secondo grado
con due soluzioni
 pzn calcolato da (pm + pn)2 = mW2
si sceglie la soluzione
maggiore e si prende la
parte reale se il
discriminante e’ negativo
(30 % degli eventi)
Sara Bolognesi (TORINO)
35
sessione di Laurea 20/07/05