I fondi a LHC
[punto di vista sperimentale]
Riccardo Ranieri
Università degli Studi di Firenze
INFN Sezione di Firenze
Terzo Workshop Italiano sulla Fisica di ATLAS e CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
ATLAS e CMS a LHC
- Rivelatori ottimizzati per la ricerca del
bosone di Higgs e SUSY
 energia molto alta: LHC pp √s=14 TeV
 sezione d’urto anelastica: σpp=55 mb
 frequenza di interazione: 40 MHz
 luminosità alta: (2x)1033 cm-2s-11034 cm-2s-1
CMS = Compact Muon Solenoid
 per anno: 20 fb-1100 fb-1
 rivelatori GRANDI
 CMS: 15 m x 21.5 m
 ATLAS: 25 m x 46 m
LHC =
Large
Hadron
Collider
partenza: Estate 2007
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
ATLAS = A Toroidal LHC ApparatuS
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 2
LHC
p
p
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 3
Introduzione
- Il fondo esiste se e solo se si
definisce prima il segnale
- In questa presentazione il fondo
diventerà “segnale”
 PRIMA PARTE
 SEGNALE = “hard scattering”
 FONDO = “Underlying Event” (UE)
 SECONDA PARTE
 SEGNALE = alcuni esempi di stati finali
per la ricerca del bosone di Higgs e della
supersimmetria
 FONDO = specifico di ogni canale di
decadimento e stato finale
Ho cercato di raccogliere il materiale più recente delle collaborazioni
ATLAS e CMS, con priorità per le analisi condotte con la
simulazione completa dei rivelatori.
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 4
Interazioni ad LHC
- Interazioni anelastiche pp:
 Minimum Bias
fa/A(xa,Q2)
A
a
Fasci di
protoni E=√s
b
 generica interazione pp
 approccio sperimentale: interazione con il
bias minimo, trigger meno stringente
 Hard scattering
 creazione di particelle di alta massa
 alto pT trasferito
 frequenza minore, ma sono gli eventi che ci
interessano
Sottoprocesso partonico
di Hard scattering
^
σ(abX)|s=x
^ axbs
Underlying Event
B
fb/B(xb,Q2)
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 5
Collisione pp a LHC
- “Hard scattering”
 è l’interazione che ci interessa
 QCD perturbativa
- “Underlying Event” [UE]
“Hard” Scattering
Outgoing Parton
PT(hard)
Proton
AntiProton
Underlying Event
 tutta l’attività rimanente
dell’interazione pp oltre all’evento
di interesse
Underlying Event
Initial-State
Radiation
Final-State
Radiation
Outgoing Parton
 spesso la definizione include la Radiazione di Stato Iniziale (ISR)
 condivide il vertice primario con l’interazione “interessante”
- Minimum Bias (online Pile-Up)
“Underlying Event”
Proton
Beam-Beam Remnants
 interazioni pp nello stesso bunch
crossing dovute all’elevata luminosità
di LHC (2x1033 cm-2s-1) e al rate di interazione (40 MHz)
 vertici di interazione diversi (rivelatori traccianti fondamentali)
AntiProton
Beam-Beam Remnants
Initial-State
Radiation
- (offline) Pile-Up
 effetto strumentale dovuto all’alto rate di interazione (40 MHz)
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 6
Stima dell’“Underlying Event”
 Studio su eventi QCD a molti jet
 il jet calorimetrico più energetico
definisce l’evento e quindi l’UE
 3 regioni in φ rispetto all’asse del jet
 UE=tracce nella regione trasversa
al jet 60º<|Δφ|<120º
 circa 6.5 particelle cariche UE per
ETjet>10 GeV
A.Moraes, C.Buttar, D.Clements
ATL-PHYS-PUB-2005-015
LHC
x3
x1.5
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
Tevatron (dati di CDF)
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 7
Analisi Underlying Event
A.Moraes, C.Buttar, D.Clements
ATL-PHYS-PUB-2005-015
 Selezione delle tracce
 |ηtk|<2.5
pTtk>1 GeV/c
 Vasto range in ETjet
 20-1000 GeV/c2
 oltre 1 TeV/c2 problemi con la
statistica e incertezze nelle
distribuzioni UE
 Accordo tra ricostruzione e
generatore
 in futuro utile per scegliere dai dati quale
modello UE sarà il più adatto per LHC
 La statistica per questa misura sarà
raccolta nei primi giorni di vita di
LHC (pre-scaled jet triggers)
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 8
UE e isolamento dei muoni
P.Bartalini et al.
CMS Analysis Note 2005-018
 Variazione dei parametri che regolano l’impulso minimo delle interazioni a
molti partoni nel Monte Carlo
 pTcutoff=2.9 GeV/c±3σ (0.5 GeV/c)
 Isolamento dei muoni (tracciatore)
 ISOL=∑ipTitk
» ΔRηφ(tk,μ)<0.3
» pTtk>0.8 GeV/c
» traccia del muone non inclusa
Il muone meno isolato in
H→ZZ→4μ
 “Good muons”
 pTμ>7 GeV/c per |η|≤1.1
 pμ>9 GeV/c per 1.1<|η|≤2.4
 Segnale H→ZZ→4μ
 mH=150 GeV/c2
 L’efficienza di isolamento del muone meno isolato per ISOL<2 GeV/c è
80% con una incertezza del 5% dovuta all’incertezza su UE
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 9
Parton Density Functions
 Ogni sezione d’urto a livello
partonico dipende dalle PDF
 ΔσH,SUSY(CTEQ)~5% a CDF
 Le sezioni d’urto totale e
differenziale del W sono ben note
dalla teoria (NNLO QCD pert.)
W
» Monte Carlo: NLO

trigger ATLAS & CMS
 Le incertezze teoriche maggiori
sono date dalla conoscenza delle PDF
 a basso-x interazioni del mare
partonico dominanti a LHC
 per Q2=MW2 mare partonico
dominato dai gluoni
 la PDF dei gluoni è la meno nota
per ogni x
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
ηW=0
il regime cinematico accessibile a
LHC è il più vasto mai esplorato
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 10
Analisi PDF con W
 La distribuzione di rapidità del W è legata al valore di x dei
due partoni che interagiscono
1  E  pz 

yW  ln 
2  E  pz 
x1, 2 
MW
exp  yW 
s
 Osservabili non sensibili a incertezze di PDF e Luminosità:
 Rapporto
d / dyW (W  )
R ( yW ) 
d / dyW (W )
 Asimmetria A( yW ) 
d / dyW (W )  d / dyW (W )
d / dyW (W )  d / dyW (W )
d W 
 L’analisi si basa sulla distribuzione di rapidità del Wℓνℓ dy  B
 La statistica di W non sarà un limite, rimane da valutare
l’errore sistematico
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 11
Weνe
 Fondi(!): decadimenti di W e Z con elettroni nello stato finale
 Wτν, Zτ+τ-, Ze+e-, QCD
 diluzione nel valore di A da segno sbagliato nella carica degli e± (F±)
Corrected
A
Ae
 correzione da 0.3% a 0.5%
AMeasured  F   F 

1 F   F 
Generatore
CTEQ6.1
ZEUS-S
MRST2001
 Misure più accurate del 5% dovrebbero
discriminare tra diversi set di PDF
 Misura paragonabile a ZEUS con 43h
a bassa luminosità a LHC
Ae
 l’incertezza sul fit delle PDF ZEUS-S
dovrebbe scendere dal 5.8% al 4.5% per y=0
y
 Incertezza di λg quasi dimezzata
pTe>25 GeV/c
|ηe|<2.4
ETmiss>25 GeV
pTrecoil>30 GeV/c
 λg= -0.199±0.046  -0.196±0.029
 basso-x: xg(x)~xλg
A.Tricoli, A.Cooper-Sarkar, C.Gwenlan in
Proceedings Hera-LHC Workshop
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
Rivelatore
y
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 12
Z+b
 Canale interessante per vari motivi
 sensibile al contenuto b del protone
 misura PDF b Phys.Rev.D69:074021,2004
 fondo a ricerche del bosone di Higgs
 modelli con σ(h+b) e Br(hμμ) Phys.Rev.D67:095002,2003
 SM ppZH con Hbb
- (come LEP)
∫L=184 pb-1
 Misura a DØ di σ(Z+b)/σ(Z+j) con Zee/μμ
 0.005
 Z  b 
 0.024  0.005( stat )
( syst )
 0.004
 Z  j 
Phys.Rev.Lett.94:161801,2005
*
 LHC ambiente più favorevole: 80xσZ+bTeVatron  FondoTeVatron/5
relativo
 Studio del canale Zμμ + b-tag
 Efficienza di selezione 15% con purezza del campione Z+b pari a (53±10)%
 analisi indipendente con soft muon tag dà purezza del 35%
 campione di controllo del mis-tag da W+j (no b): σW+j=30xσZ+b
 errore relativo sul fondo si può contenere entro % per ogni energia dei jet
M.Verducci, S.Diglio, A.Tonazzo @ ATLAS Physics Workshop Roma 2005
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 13
HZZ4μ
 Il canale “golden” e quindi il più studiato
 Segnale: due picchi ben definiti Z→μ+μ- per
mH>2mZ
 Fondi principali:
 riducibili: tt, Zbb
 isolameno del μ
 ricostruzione della Z (mμμ=mZ)
 irriducibile: ZZ
 domina il meccanismo di produzione qq muoni più soffici
M.Sani, V.Ciulli
CMS Analysis Note 2003-005
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 14
Fondo irriducibile: ZZ4μ
 Il processo qq→ZZ→4μ
è incompleto in PYTHIA
interfaccia tra MC Matrix Element CompHep e PYTHIA per adronizzazione
 canale-t
 2 picchi Z distinti
 contributo dominante alla
sezione d’urto ZZ
 manca la simulazione del canale-t gg
con box
 canale-s
 cinematica diversa, non si può
introdurre K-factor dal canale-t
 picco m4μ=mZ
 non può essere trascurato se si vuol
simulare il fondo ZZ con precisione
migliore del 10%
P.Bartalini et al.
CMS Analysis Note 2005-019
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 15
Sezione d’urto ZZ4μ
P.Bartalini et al.
CMS Analysis Note 2005-019
 Numero di eventi attesi per 30 fb-1
 ZZ4μ
 ZZ2τ2μ4μ
 ZZ2b2μ4μ
33
4
3 (trascurabili dopo
isolamento μ)
 Analisi ottimizzata per SM Higgs di
bassa massa (mH<160 GeV/c2)




pTμ>14,10,10,7 GeV/c
60<mμμ(1)[GeV/c2]<110[Z reale]
12<mμμ(2)[GeV/c2]<60 [Z* virtuale]
mH=m4μ>110 GeV/c2 [escluso da LEP]
-
Confronto tra canale-t e s+t
 3 regioni di interesse:
1. mH(=m4μ)=mZ
 canale-s utile per normalizzare il fondo ZZ
2. mH(=m4μ)≈160 GeV/c2
 zona di ottimizzazione dei tagli
 interferenza s+t, eccesso di eventi
rispetto al canale-t 10-15%
3. mH(=m4μ)>2mZ
 canale-s ancora non trascurabile 5-7%
“candela standard” per
normalizzare fondo ZZ con i dati
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 16
Fondo riducibile: Zbb
M.Sani CMS Tesi di Dottorato
Sezione d’urto NLO calcolata solo in approssimazione quark b non massivi
- CompHep
- PYTHIA
 processi 2→3 con calcolo LO
Matrix Element
 stati finali Zbb




Zjj da gqi→Zqi o qiqi→Zg
b addizionali da Parton Shower
spettro dei jet-b più soft
si selezionano solo gli stati finali
Zbj e Zjj con j≠b
 Massa invariante della coppia
ℓ+ℓ- da Z→ℓ+ℓ 2 leptoni isolati di segno opposto
 pT>10 GeV/c
 2 jet
 ET>10 GeV, |η|<2.5
 almeno 2 tracce cariche
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 17
Sezione d’urto Zbb
 b-tag sui due jet più energetici
 conteggio degli eventi con 2 b-jet o 1 b-jet con |mℓℓ-mZ|<10 GeV/c2
1. Dal numero di eventi con
1 o 2 b misurati (b-tag)
2. Nota la frazione di eventi
1 b sul campione 2 b dal
Monte Carlo
 …si ricava la frazione f di
eventi bb sul totale
 f=Nbb/NTOT=13.9±4.0

Selezione degli eventi Zbb
rispetto agli eventi tt
 fit con spettro di massa massa
invariante eμ dal tt_
N (t t )
_
 0.12
N ( Zb b)
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 18
Hγγ
T.Lee, V.Litvin, H.Newman, S.Shevchenko
CMS Analysis Note 2003-009
 decadimento estremamente pulito dal punto di vista sperimentale
 fondo:
^T>25 GeV/c), irriducibile
 produzione γγ prompt (p
 qq σ=45 pb x K=1.5
 gg σ=36 pb x K=1.2
^ T>25 GeV/c) con primo γ da hard scattering e secondo da…
 γ+jet (p
 FSR σ=3.6x104 pb x K=1.72
 π0 σ=5.4x104 pb x K=1 (fake di fotone reale in jet)
 jet adronici QCD con depositi calorimetrici di due jet (p^T>35 GeV/c)

σ=108 pb x K=1 (calcoli NLO…)
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 19
Reiezione del fondo in Hγγ
T.Lee, V.Litvin, H.Newman, S.Shevchenko
CMS Analysis Note 2003-009
 reiezione del fondo con selezione γγ e isolamento con tracciatore e
calorimetro elettromagnetico
Selezione
2 fotoni
Isolamento
tracciatore
Isolamento
calorimetro
ETγ>25,40 GeV
no tracce ΔR<0.3
pT>1.5 GeV/c
∑ET<1.2/1.6 GeV
ECAL cluster
barrel/endcap
ΔR<0.35
qq
15.0
12.5 [83%]
11.0 [88%]
gg
14.9
12.6 [85%]
10.9 [87%]
γ+jet
330
57 [17%]
30.3 [53%]
QCD
927
39 [4%]
10.7 [27%]
Efficienza
Segnale
47.0%
80%
91%
Fondo
Efficienze di selezione relative (non cumulative)
 eventi di fondo attesi per L=10 fb-1 con finestra di massa ±3 Gev/c2 intorno a mH
mH=110 GeV/c2
 Luminosità richiesta per ottenere S/√B=5: ∫L=37 fb-1
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 20
Supersimmetria (inclusiva)
 Segnatura inclusiva: jet + leptoni + ETmiss
 Fondi principali:




Z + jet(s)
W + jet(s)
tt
QCD
D.Tovey ATLAS @ TeV4LHC Apr 2005
ATLAS
Preliminary
 Ruolo di ETmiss è fondamentale se la
R-parità è conservata
 Approccio generico allo studio
del fondo:
QCD
W+jet
Z+jet
tt
 campioni di fondo di calibrazione
con bassa ETmiss
 estrapolazione a regioni di segnale
ad alta ETmiss
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 21
Energia mancante: MET o ETmiss
 Spettro di ETmiss dominato da eventi QCD soffici
 campioni di alta ET con leptoni
ad alto boost nei jet
H.Pi, P.Avery, C.Tully, J.Rohlf
CMS Analysis Note 2005-007
Generatore
 La misura di ETmiss è
globale, non locale
 eventi Minimum Bias contribuiscono
a fornire energia
 ETmiss misurata < ETmiss generatore
 ogni inefficienza del rivelatore influenza
la misura di ETmiss
 ermeticità, accettanza
 zone morte o rumorose del rivelatore
 code non gaussiane
Rivelatore
 Correzione da applicare evento per evento
 Alcune idee sulla stima quantitativa del contributo
UE da ET di regioni non clusterizzate del calorimetro
e numero medio di torri con livello medio di energia in η
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 22
Fondo da top
D.Tovey ATLAS @ TeV4LHC Apr 2005
 La selezione per il top semileptonico assomiglia a quella per la
SUSY, l’unica differenza è il taglio più lasco su ETmiss
 Se si alza il taglio su ETmiss si contamina il campione di top con
eventi SUSY? (no)
 Strategia:
 candidati semileptonici
 ricostruzione top da
vincoli in ETmiss e mW
 riduzione del combinatorio
con candidati W
a più alto pT
 reiezione fondo SUSY (!!!)
con mtop (sideband)
 validazione Monte Carlo top
 stima del rimanente fondo ETmiss
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
ttATLAS
Preliminary
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 23
Conclusione
- Inizialmente le analisi erano incentrate sul segnale
(potenziale di scoperta), ma negli ultimi tempi si è
iniziato a dare molta importanza allo studio dei fondi
(dai generatori alle calibrazioni al commissioning)
- Iniziano ad esserci analisi effettuate con grande
accuratezza grazie alla miglior conoscenza dei rivelatori
(test beam, costruzione, simulazioni più precise)
- Molti lavori sono ancora all’inizio, alcuni canali
interessanti non sono ancora stati coperti (W/Z+jet,
eventi a molti jet)
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 24
Grazie
Roberto Tenchini
Roberto Chierici
Paolo Bartalini
Giacomo Polesello
Vitaliano Ciulli
Monica Verducci
Alessandro Tricoli
Matteo Sani
III Workshop Italiano ATLAS/CMS
Bari, 20-22 Ottobre 2005
I fondi a LHC
Riccardo Ranieri 25