Physics at Colliders
The Z boson
Marina Cobal
University of Udine
Trieste, fisica sperimentale nucleare e subnucleare
1
SM last milestones
2
UA1. Prima Z
12/19/2015
3
Ze+ e–
Nei calorimetri elettromagnetici le Z
appaiono come depositi localizzati di
energia in direzioni opposte
L’eliminazione delle
tracce con pT< 1 GeV
rende completamente
pulito l’evento,
sopravvivono solo
elettrone e positrone
Il rivelatore centrale tracciante nel
campo magnetico misura segno
della carica e momento. I calorimetri
misurano l’energia degli elettroni
Si controlla che E=p
Carlo Rubbia (1934)
Simon van der Meer (1925)
• Nobel Prize 1984
for their decisive contributions to the large
project, which led to the discovery of the field
particles W and Z, communicators of weak
interaction
Sheldon Lee Glashow (1932)
Abdus Salam (1926 – 1996)
Steven Weinberg
(1933)
• Nobel Prize 1979
for their contributions to the theory of the
unified weak and electromagnetic interaction
between elementary particles, including, the
prediction of the weak neutral current
LEP
7
Misure di Precisione a LEP
8
Misure di Precisione a LEP: Mz
9
Propagatore di un bosone massivo
10
s(e+e->adroni)
11
LEP
12
LEP experiment: DELPHI
13
LEP dal 1989 al 2000
14
Campione Z -> adroni
15
Campione Z -> leptoni
16
Branching Ratio
• Ovvero quante volte la Zo decade in un
particolare tipo di particelle…
Leptonic decays
Branching ratio
due neutrini
20 %
due elettroni
3.67 %
due muoni
3.67 %
due tau
3.67 %
Previsioni teoriche
Quark decays
Branching ratio*
Total
69.9 %
2 jets
~ 40 %
3 jets
~ 24 %
piu’ jets
~6%
Trionfo del Modello Standard
1987-1988 analisi complete di tutti i dati disponibili allora
concludendo che il MS è in perfetto accordo con i dati
L’angolo di Weinberg deve aver lo stesso valore in ogni caso,
ma nel confronto bisogna introdurre in ciascun caso delle
2
2
2
correzioni radiative, previste dalla
ln M H
µ (mteoria
m
)
»
m
t
b
t
Le principali
L’accordo si perde se mt>180-200 GeV
Da misure precise di LEP di mW e mZ  mt=166±27 GeV
Zo → e+ e-
Masterclasses 2006
ALEPH
19 2006
Udine, 10 marzo
Zo
→
m+
m-
Masterclasses 2006
ALEPH
20 2006
Udine, 10 marzo
Zo
→
t+
t-
Masterclasses 2006
ALEPH
21 2006
Udine, 10 marzo
Zo
→ qqbar
Masterclasses 2006
ALEPH
22 2006
Udine, 10 marzo
Zo → qqbar
DELPHI:
WIRED
23
Risonanza
24
Misura della lineshape
25
Esempi. Sezione d’urto al picco
s e +e ® f
+
–
+
+f –
( mZ ) =
12p G e G f
mZ2 G 2
Quante Z in µ+µ– si producono con una luminosità (tipica per
LEP) L=1035m–2s–1
12p G e G µ 12p 84 2
-6
–2
–2
s e +e ® µ +µ = 2
=
=
5.3
´
10
GeV
´
388
µb/GeV
= 2.1 nb
2
2
2
mZ G
91 2450
(
+
–
+
–
)
(
)
( )
R = L s = 10 35 m –2s –1 ´ 2.1´10 -37 m 2 = 0.02s –1
Cioè circa una al minuto
Quante Z in adroni si producono?
12p G e G µ 12p 84 ´ 1690
s e + e ® adroni = 2
= 2
= 40.2 nb
mZ G 2
91 2450 2
(
+
–
)
(
)
( )
R = L s = 10 35 m –2s–1 ´ 4 ´10 -36 m 2 = 0.4s–1
26
Correzioni radiative
s Born ( E ) =
GeG f
3p
E 2 é( E - mZ ) 2 + ( G / 2) 2 ù
ë
û
La sBorn è troppo semplificata. Ci sono importanti “correzioni
radiative”: le maggiori elettromagnetiche,
Dominante: Brensstrahlung iniziale
Altre correzioni EM minori:
La forma della riga
Se un elettrone o un positrone irradia
un fotone l’energia della collisione
diminuisce; diventa risonante √s>MZ.
Coda alle alte energie
ds(picco)= 30%, dMZ 200 MeV
Si calcolano le correzioni “ovvie”, si corregge la curva misurata,
si estraggono i parametri (massa, larghezza, altezza del picco)
M Z = 91.1875 ± 0.0021 GeV
( 2 ppm )
G Z = 2.4952 ± 0.0023 GeV
s 0 = 41.540 ± 0.037 nb
[ MS: G Z = 2.4972 ± 0.0012 GeV]
éë MS: s 0 = 41.481 ± 0.014 nb ùû
MZ costante fondamentale, nei valori delle altre due incertezze
teoriche dovute alla non conoscenza perfetta di MH, as etc
Le larghezze parziali della Z
Gli esperimenti a LEP hanno misurato
• le larghezze parziali in e+e–, µ+µ–, t+t
• la “larghezza invisibile” cui contribuiscono tutte le generazioni
di neutrini ed eventuali particelle neutre non previste
• la larghezza in ccbar individuando i vertici secondari di
decadimento
• la larghezza in bbar individuando i vertici secondari di
decadimento
Perfetto accordo con la teoria (e determinazione di sin2qW)
Re º
G adr
G
G
= 20.804 ± 0.050; Rµ º adr = 20.785± 0.033; Rt º adr = 20.764 ± 0.045
Ge
Gµ
Gt
Verifica universalità dell’accoppiamento debole neutro dei leptoni
G l = 83.984 ± 0.086 MeV
G adr = 1744.4 ± 2.0 MeV
[ MS: G
l
= 84.042 ± 0.025 MeV]
Il numero di neutrini
La misura di Mz
31
Misura di MZ
E1 (e–, µ–)
Z 0 ® e+ em 2 = ( E1 + E2 ) - ( p1 + p2 ) = E12 + E22 + 2E1E2 - p12 - p22 - 2 p1 p2 cosq
2
@ 2E1E2 (1- cosq )
2
s (m
m @ 4E1E2 sin q /2
m2
q
q ³ 100˚
tan » O(1)
2
2
2
2
)=
Domina l’errore sulle energie
(calorimetro)
s ( m2 )
s ( E)
E
2
=
20%
E
s (E)
» 4 - 6%
E
2
s ( m) 1 s m
=
» 2 - 3%
2
m
2 m
m2
= 2
q
æ s ( E1 ) ö æ s ( E2 ) ö æ s (q ) ö
E2 (e+, µ+)
çè E ÷ø + çè E ÷ø + çè tan q / 2 ÷ø
1
2
q misurato dalla misura delle tracce s (q ) » 10 –2
2
( )
errore statistico su singola misura s(m)2-3 GeV
errore sulla scala 3.1 GeV (UA1); 1.7 GeV (UA2)
UA1 (24 Zee) MZ=93.1±1.0(stat)±3.1(syst)
GeV
UA2
MZ=91.5±1.2(stat)±1.7(syst)
2
Dilepton mass spectra near the Z0 peak (CDF Collaboration)
More precise methods give world average values of
MZ = 91.1870.007 GeV/c2
GZ = 2.490 0.007 GeV/c2
corresponding to a lifetime of 2.6x10-25 s
Branching ratios of leptonic decay modes of Z0 are around 3.4%
for each lepton generation
Risultati del fit
34
Risultati del fit
35
Risultati del fit
36
Events / 1 GeV
Z signal @ LHC
Data 2010 ( s = 7 TeV)
1400
Z  ee
1200
ò
-1
L dt = 36 pb
ATLAS
QCD
Central Z  ee
1000
800
600
400
200
70
80
90
100
110
mee [GeV]
Z Boson Cross Section
• Trigger requires one electron with ET>20
GeV
– Criteria at L1, L2 and L3/EventFilter
• You select two electrons in the analysis
– With certain quality criteria
– With an isolation requirement
– With ET>25 GeV and |eta|<2.5
– With oppositely charged tracks with
pT>10 GeV
• You require the di-electron mass to be
near the Z:
• 66<M(ll)<116 GeV
=> total  trigrecIDkintrack
38
Total W /Z production x-section
Phys. Rev. D85 (2012) 072004
CMS-PAS-12-011
Measurements already limited by
sys and lumi uncertainties
Good agreement with
NNLO prediction
ATLAS points overlap with CMS
Discriminating power
against different PDF sets
3913/08/12
X. Wu, SUSY2012,
ZZ production at 8 TeV
ATLAS-CONF-2012-090
CMS-PAS-SMP-12-014
ATLAS (5.8 fb−1)
CMS (5.26 fb−1)
(include 2l2t)
+0.4
9.3+1.1
-1.0 (stat)±-0.3 (syst)± 0.3(lumi) pb
7.4 ± 0.4 pb
8.4 ±1.0(stat) ± 0.7(syst) ± 0.4(lumi) pb
7.7 ± 0.4 pb