Riunione mensile di analisi CMS-PD/TN, 7 ottobre 2008
Ricerche con CMS
Tommaso Dorigo
Sommario
• Due parole sulla fisica ai colliders
• Ricerche del bosone di Higgs
• H  WW  leptoni + energia mancante
• ttH  ttbb  jet + energia mancante
• (H  ZZ)  già discusso da M.Tosi
• Ricerche di NP nello spettro di missing Et
• “LED”
• SUSY
CMS
I colliders adronici
• In collisioni di altissima energia protone-protone (LHC, 10-14 TeV) i
colliders adronici producono sostanzialmente urti inelastici fra
quarks o gluoni
• Il protone, se sondato a grande energia, è infatti “risolto” nei suoi
costituenti fondamentali
• Quarks e gluoni nel protone ad ogni dato istante si dividono
l’energia totale con una probabilità governata dalle funzioni di
struttura (PDF, parton distribution functions)
Le PDF decidono
quanta parte dei 14
TeV disponibili ai
protoni è usata
per la “collisione dura”
Impulso trasverso
Ogni collisione tra adroni tipicamente
consiste nell’urto frontale fra un
costituente di ciascun proiettile.
Il quark (o gluone) che ha generato la collisione
risente di una grande accelerazione in direzione
ortogonale a quella dei fasci.
E’ pertanto la componente trasversa ai fasci del
moto del partone emesso la quantità che meglio
caratterizza la violenza della collisione.
Il protone, privato di una carica di colore, si disgrega
in un fiotto di adroni, senza ricevere grande modifica
al suo impulso iniziale.
Il bosone di Higgs
• Nel modello standard (SM) il bosone di Higgs è
necessario a spiegare la massa delle particelle e la
rottura della simmetria elettrodebole
• Non è stato ancora scoperto…
Molte quantità misurabili dello SM sono
strettamente legate al bosone H
ipotizzandone l’esistenza si può ottenere
informazioni sulla sua massa
Fit globali a quantità misurate con
precisione (LEP, SLD, Tevatron,nuTeV,…)
permettono di estrarre un range preferito
di valori di Mh
Mh=84+34-26 GeV;
Mh<154 GeV (95% CL)
Limiti sperimentali a Mh
– Mh>114.4 GeV
(LEP II)
– Mh non eguale a 170 GeV (Tevatron)
Produzione di Higgs a LHC
• In collisioni protoneprotone a 14 TeV il
bosone di higgs è
prodotto da vari
meccanismi
– Gluon-gluon fusion
– Vector boson fusion
– Higgsstralhung
Decadimenti e stati finali
• Anche il decadimento presenta
una ricca fenomenologia, e
dipende dalla massa in modo
non banale
– Si può ricercare in dozzine di
stati finali diversi
– La sensibilità di ricerche diverse
cambia con Mh
– La prima scoperta sarà quasi
certamente frutto della somma
dei risultati di diversi stati finali
– Qui a Padova stiamo
preparandoci a ricercare H in tre
canali:
• HWWlnln (promettente)
• HZZllbb (un po’ sfigato)
• Hbb (molto sfigato)
H  WW  lnln
• Canale “di scoperta” se Mh>135 GeV
• Si cercano eventi con due elettroni o muoni di
alto impulso, più energia trasversa mancante
– Energia mancante: i neutrini non interagiscono
col rivelatore
– Possiamo imporre la conservazione dell’impulso
solo nel piano trasverso alla direzione dei
protoni, perché i quarks che generano la
collisione hanno impulso in generale diverso!
• Sommando vettorialmente l’energia trasversa di
tutti i corpi osservati, un valore diverso da zero
suggerisce la fuga di neutrini energetici
• Altre caratteristiche cinematiche permettono di
separare il segnale dai fondi (top, WW): p.e. la
massa invariante dei due leptoni
• Ricerca apparentemente semplice, ma i primi
dati ci chiariranno se e dove servono “buone
idee” su come arrivare al segnale prima degli
altri!
pp  ttH  ttbb
• Processo spettacolare, ma raro
–
–
–
–
Per MH<135 GeV può contribuire alla scoperta, ma servono idee brillanti
I top decadono in vari modi possibili, 3 jet o (lnb)
L’Higgs dà due jet con b-quark
8 corpi nello stato finale
 cinematica complicata e affascinante
 la chiave per separarlo dai processi di fondo è ricostruire la massa del top e
dell’H dai prodotti del decadimento
• Limitazione (per ora) ineludibile:
scarsa conoscenza del fondo
“irriducibile” ppttbb senza H (errore
sistematico sul numero di eventi
attesi)
• Pochi ci lavorano  grandi spazi disponibili
La teoria delle LED
• Sviluppo recente (ultima decade)
• Dimensioni dello spazio “addizionali” arrotolate su se
stesse in un toro di raggio R
• In interazioni energetiche (E>1/R), i gravitoni possono
scomparire nelle dimensioni addizionali
– Segnature spettacolari: jet + energia mancante, fotone più
energia mancante
– Il denominatore comune è la presenza di uno stato finale molto
sbilanciato nel piano trasverso
– Per scoprire LED è necessario studiare in grande dettaglio la
distribuzione dell’energia trasversa mancante
SUSY
•
La teoria più accreditata per estendere il modello standard
– “spiega” come mai la scala di EWSB è O(100 GeV)
– “prevede” l’unificazione delle forze a una scala energetica comune
– Ma ipotizza parecchie cose ancora da verificare:
• due dozzine di corpi mai osservati finora;
• 105 o anche più nuovi parametri liberi;
• La simmetria SM SUSY è rotta, non si sa bene perché
– Caratteristica più promettente: prevede
l’esistenza di una particella neutra,
massiva, che è un perfetto candidato per
spiegare la materia oscura
nell’universo
•  LSP: se prodotta in collisioni protoneprotone, sfugge come un neutrino
pesante
•  segnatura inclusiva: energia trasversa
mancante!
L’energia mancante
• Per poter dire che degli eventi con grande energia mancante sono
dovuti a nuova fisica (LED, SUSY…) bisogna “capire” in maniera
dettagliata la distribuzione di MEt
• Molti processi standard hanno “code” ad alta energia mancante
– Fisici: eventi con neutrini
• Znn
• W->ln
• ttn + X
– Strumentali:
• jets mal misurati
• Particelle che sfuggono in un buco del rivelatore
• Energia depositata nel calorimetro da raggi cosmici
• Tutte queste cause dell’energia mancante sono studiabili in
campioni di controllo, ma siccome ci interessano le “code” (eventi ad
alto valore di energia mancante), il problema è complesso!
Un esempio concreto
Ecco come un
rivelatore a LHC (in
questo caso ATLAS)
potrebbe “vedere” la
produzione di
particelle
supersimmetriche
con decadimento in
neutralini e jets
Missing Et in maggior dettaglio
•
La conoscenza precisa della risoluzione
sperimentale sull’energia mancante è cruciale per
le ricerche di SUSY e LED
•
L’assenza di neutrini o altre particelle non
interagenti con il detector implica che MEt=0
•
In realtà MEt>0 perché la risoluzione su questa
quantità è tipicamente di una decina di GeV
•
La risoluzione sull’energia mancante “scala” con
l’errore sull’energia trasversa totale con cui essa è
calcolata
–
–
–
–
L’energia letta dal calorimetro è proporzionale al
numero di tracce N che una cascata ha generato
N segue la statistica di Poisson  l’errore su E è
proporzionale a N1/2
 La risoluzione sulla MEt dipende dalla radice
quadrata dell’energia trasversa totale misurata nei
calorimetri
Ecco perché è fondamentale calibrare bene la scala
energetica nei calorimetri
Risoluzione
su MEt
Et totale (GeV)
E poi…
• LHC fornirà la possibilità di accedere a processi SM mai
visti finora
• Molte misure di precisione sono alla portata della gran
mole di dati che verrà raccolta
• N (analisi possibili) >> N(fisici disponibili)
–  contano le idee!!!
• Chi ha 20-25 anni adesso è in una posizione invidiabile
per “lasciare il segno”:
– Laurea specialistica con i primi dati
– Dottorato con una tesi di scoperta o una misura importante
• CMS-PD è un gruppo dotato di grande esperienza, ma ci
servono giovani leve…
Fatevi avanti!
BACKUP SLIDES
Ancora sulla missing Et
Una precisa simulazione del rivelatore permette di comprendere
molto bene la precisione e la risoluzione delle misure sperimentali
A partire da una descrizione precisa degli
elementi sensibili e passivi del detector si
ottengono distribuzioni delle quantità
misurate in ottimo accordo con i dati
osservati
Le “code non gaussiane” vanno però tenute
sotto stretto controllo!
 si possono studiare in eventi “puliti”, e.g.
Z+jets
Rimane fondamentale la verifica
sperimentale in campioni di controllo simili a
quelli ove si fanno le misure!