Plano de Pesquisa Pós-Doutorado Sênior Programa de medidas de precisão de bósons W em associação com jatos-b e procura por produção de pares de bósons de Higgs em colisões próton-próton a √ s = 13 TeV com o detector ATLAS do LHC Bolsas Individuais no País Marisilvia Donadelli Instituto de Física da Universidade de São Paulo Julho de 2016
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Programa de medidas de precisão de bósons W em associação … · especificamente com o monitoramento e avaliação da qualidade dos dados coletados pelo Calorímetro de Argônio
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Plano de Pesquisa
Pós-Doutorado Sênior
Programa de medidas de precisão de bósons W em associação
com jatos-b e procura por produção de pares de bósons de
Higgs em colisões próton-próton a√s = 13 TeV com o
detector ATLAS do LHC
Bolsas Individuais no País
Marisilvia Donadelli
Instituto de Física da Universidade de São Paulo
Julho de 2016
Marisilvia Donadelli
Resumo
O LHC (Large Hadron Collider) se encontra se encontra atualmente no
período de coleta de dados denominado Run-2 quando feixes de prótons coli-
dem a uma energia do referencial do centro de massa de√s = 13 TeV. Com
essa escala de energia sem precedentes, uma nova etapa se abre para que me-
didas de precisão como a produção de bósons vetorias W em associação com
jatos de quarks b possam ser realizadas por representarem um teste para os
métodos de QCD perturbativa no contexto do Modelo Padrão. Mas a energia
sem precedentes também abre as portas para busca por Nova Física Além do
Modelo Padrão - BSM (Beyond Standard Model) e neste contexto, destacamos
a procura pela produção de pares de bósons de Higgs no canal hh → bbττ .
Estas análises utilizam o conjunto completo de dados coletados pelo detector
ATLAS de agosto a novembro de 2015 em colisões p + p a√s = 13 TeV, no
modo de espaçamento de 25 ns entre ’pacotes’ de prótons que colidiram e que
corresponderam a uma luminosidade integrada de 3.2 ± 0.2 fb−1. Entretanto,
para que os resultados de medidas de observáveis físicos sejam de precisão,
além de permitirem a busca por Nova Física, a excelente condição de operação
do detector ATLAS e o subsequente monitoramento dos dados coletados é de
vital importância. Neste sentido, este projeto também destaca o envolvimento
com operações, particularmente no contexto do monitoramento da qualidade
dos dados coletados pelo calorímetro de argônio líquido do ATLAS.
1 Publicações e participação em conferências/workshops
No período de 31 de Março de 2014 a 19 de Maio de 2016 a candidata cumpriu
período de estágio de pós doutoramento no exterior (CNPq - Processo [246693/2012-
6]) no Centro Europeu de Pesquisas Nucleares - CERN, localizado em Genebra na
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Suíça. Neste período, as seguintes publicações com sua colaboração direta em análise
de dados foram realizadas, além de sua participação em conferências/workshops.
1.1 Publicações
• Kinematic Distributions of W and Z Boson Production from pp Collisions at√s = 13 TeV in the ATLAS Detector [1];
• Measurement of W± and Z-boson production cross sections in pp collisions at√s = 13 TeV with the ATLAS detector [2];
• Measurement of the Production Cross Sections of a Z boson Boson in Associ-
ation with Jets in collisions at√s = 13 TeV with the ATLAS Detector [3];
• Higgs Pair Production in the hh→ bbττ channel at the High-Luminosity LHC
[4];
• Study of J/ψ and ψ(2S) production in√s = 5.02 TeV p+Pb and
√s = 2.76
TeV pp collisions with the ATLAS detector [5];
• Electroweak probes in heavy-ion collisions at the LHC with ATLAS [6];
• ATLAS results on heavy flavour production and its relation to quark matter [7].
1.2 Conferências/Workshops
• HH at HL-LHC, 10 Maio de 2016 - CERN - Current status of the ATLAS
HH studies for HL-LHC - Plenary talk;
• ATLAS Beyond the Standard Model Higgs and Exotics Joint Workshop 2016,
11-15 de Abril - Grenoble, França - Participant;
• ATLAS Standard Model Workshop 2016, 30 de Março-2 de Abril - Madrid,
Espanha - Participant;
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• ATLAS HH workshop 2016, 18-20 de Janeiro - Laboratoire de l’Accélérateur
Linéaire, Orsay, França - Prospects of hh→ bbττ analysis at High Lumi-
nosity LHC - Plenary Talk;
• The 23rd Low x Meeting, 1-5 de Setembro de 2015 - Sandomierz, Polônia Me-
asurements of Drell-Yan and vector boson plus jet productions in
ATLAS - Plenary Talk;
• The 15h International Conference on Strangeness in Quark Matter, 6-11 de Ju-
lho de 2015 - JINR, Dubna, Rússia ATLAS results on strangeness and/or
heavy flavor production and its relation to quark matter - Plenary
Talk;
• ATLAS Standard Model Workshop 2015, 2-5 de Fevereiro - Annecy, França -
Participant;
• ECFA High Luminosity LHC Experiments Workshop, 21-23 de Outubro de
2014 - Aix Les Bains, França - Participant;
• ICHEP2014 (37th International Conference on High Energy Physics), 2-9 de
Julho de 2014 - Valência, Espanha Electroweak probes in heavy-ion col-
lisions at ATLAS - Parallel talk.
2 Introdução
Após uma parada técnica de dois anos que teve início em março de 2013, o LHC
(Large Hadron Collider) se encontra atualmente no período de coleta de dados deno-
minado Run-2 e que se estenderá até 2018. Ao término deste período, estão previstas
atualizações progressivas em todos os experimentos do LHC, tanto nos seus detec-
tores como nos sistemas de leitura e processamento de sinais, considerando que a
alta luminosidade e a energia do acelerador trarão desafios consideráveis para as
tecnologias de detecção, seleção de eventos (trigger) e aquisição de dados [8].
Do ponto de vista do experimento ATLAS [9], no qual este plano de pesquisa
se insere, medidas de precisão no contexto do Modelo Padrão tais como a produção
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de bósons vetorias W em associação com jatos (W+ jatos), representam um dos
processos mais importantes no LHC. A alta seção de choque e o fato de constituir
uma assinatura experimental limpa, permitem que a produção W+ jatos possa ser
investigada com grande precisão num extenso intervalo de multiplicidade de jatos
e de escala de energia [10, 11, 12]. Tais medidas representam um importante teste
para o Modelo Padrão, assim como para métodos de teoria de QCD perturbativa
(perturbative Quantum Chromodynamics), além de serem ferramentas que compõem
o fundamento de todas as simulações teóricas de colisões de alta energia em colisores
hadrônicos. A reação p + p → W+ jatos representa também importante sinal de
fundo para vários processos previstos pelo Modelo Padrão como produção de tt̄, single
top, di-bóson, e bóson de Higgs. No contexto de procura por Nova Física Além do
Modelo Padrão - BSM (Beyond Standard Model), a produção de W+ jatos múltiplos
também representa um sinal de fundo dominante em assinaturas com léptons, energia
transversa faltante e jatos.
Ainda no contexto BSM, onde este plano de pesquisa também se insere, destaca-
mos a procura pela produção de pares de bósons de Higgs no canal hh→ bbττ . Com
a descoberta do bóson de Higgs no LHC em 2012 [13, 14], uma nova fronteira para o
teste do setor escalar do Modelo Padrão e suas possíveis extensões foi aberta. Desde
então, muito progresso tem sido alcançado com relação a medidas de acoplamento
do bóson de Higgs com férmions e bósons vetoriais [15, 16, 17], bem como o estudo
do seu spin e de suas propriedades de carga-paridade [18], com todos estes resultados
consistentes com o esperado para um bóson de Higgs do Modelo Padrão. Dentro do
Modelo Padrão, a existência do bóson de Higgs é consequência da quebra de sime-
tria eletrofraca - EWSB (Electroweak Symmetry Breaking), e portanto, a medida do
auto-acoplamento trilinear do Higgs com a subsequente reconstrução do potencial
de Higgs é de vital importância, com tal medida podendo ser realizada através do
estudo de produção de pares de Higgs. Embora tal produção tenha sido amplamente
estudada na literatura [19, 20, 21, 22, 23], os resultados do Run-1 são insuficientes
para apresentar sensibilidade ao acoplamento no Modelo Padrão mesmo com a com-
binação de vários canais, considerando que a taxa de sinal extremamente pequena
está imersa num imenso sinal de fundo [24, 25, 26]. Entretanto, no contexto BSM de
Nova Física, a taxa de produção de pares de Higgs pode ser maior, com resultados
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do Run-1 estabelecendo limites através da combinação de vários canais [27].
Além do trabalho com análise de dados como delineado nos parágrafos ante-
riores, este projeto se insere no contexto de operações do detector ATLAS, mais
especificamente com o monitoramento e avaliação da qualidade dos dados coletados
pelo Calorímetro de Argônio Líquido - LAr, além do desenvolvimento de software
dedicado para tal tarefa.
3 O Detector ATLAS
O experimento ATLAS1 [9] é um detector de propósito geral, que consiste em um
detector interno ID (Inner Detector), em um sistema de calorimetria com seções
eletromagnética e hadrônica e em um espectrômetro de múons MS (Muon Spectro-
meter). O detector interno ID, que circunda diretamente o ponto de interação, é
formado pelo Pixel (Silicon Pixel Detector), incluindo o novo detector IBL (Inserta-
ble B-Layer) recentemente instalado, pelo SCT (Silicon Microstrip Detector ) e por
um detector de radiação de transição, TRT (Transistion Radiator Tracker), todos
imersos num campo magnético axial de 2 T. A cobertura em pseudorapidez do de-
tector interno abrange |η| < 2.5 sendo cercado por um sistema de calorimetria com
seções eletromagnética e hadrônica.
O sistema de calorimetria do ATLAS é um dos mais sofisticados já concebidos.
Aproximadamente 200 mil canais compõem os calorímetros eletromagnético e ha-
drônico, proporcionando alta segmentação e hermiticidade com cobertura azimutal
completa na região |η| < 5. Além de fornecer medidas de energia e posição das par-
tículas, os calorímetros estão presentes no nível 1 de trigger, L1. Na região central
ou ’barril’, o ATLAS utiliza o calorímetro de argônio líquido (LAr) para a seção
eletromagnética e o calorímetro de ’telhas’ cintilantes (Tile) para a seção hadrônica.
As altas doses de radiação na região dianteira requerem o emprego de argônio lí-
1O ATLAS utiliza um sistema de coordenadas (x, y, z) com origem no ponto de interação no-
minal. O eixo z situa-se ao longo do tubo do feixe, o eixo x aponta para o centro do anel do
LHC e o eixo y aponta para cima. Coordenadas cilíndricas (r, φ) são usadas no plano transverso,
sendo φ o ângulo azimutal em torno do tubo de feixe e a variável pseudorapidez definida como
η = − ln tan(θ/2), onde θ é o ângulo polar.
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quido nos calorímetros eletromagnéticos, nos calorímetros hadrônicos da ’tampa’ e
nos dianteiros (LAr Hadronic End-Cap e FCal).
O calorímetro é cercado por um grande espectrômetro de múons (MS) imerso
num sistema magnético de geometria toroidal e que é composto por uma combinação
de tubos de arrasto denominados MDTs (Monitored Drift Tubes) e câmaras CSCs
Cathode Strip Chambers, sendo projetado para fornecer medidas precisas de posição
no plano de deflexão para |η| < 2.7. Além disso, as câmaras RPCs (Resistive Plate
Chambers) e as câmaras TGCs Thin Gap Chambers com uma resolução de posição
menos precisa, mas com um tempo de resposta rápido, são utilizadas para trigger
de múons na faixa de |η| < 1.05 e 1.05 < |η| < 2.4 respectivamente. As RPCs e as
TGCs são também utilizadas para fornecer medidas de posição na região do plano
sem deflexão, além de melhorar a reconstrução de traços. Medidas de momento no
MS são baseadas em segmentos de traços formados em pelo menos duas das três
estações das MDTs e das CSCs.
3.1 O Calorímetro de Argônio Líquido - LAr
O calorímetro de argônio líquido do ATLAS (LAr) foi projetado para realizar me-
didas precisas das propriedades de elétrons e de fótons em extensa cobertura de
pseudorapidez |η| < 2.5, além de medidas de desempenho de observáveis como jatos
e energia transversa faltante (EmissT ) no intervalo de |η| < 4.9.
As partes denominadas de ’barril’ (EMB) e de ’tampas’ (EMEC) utilizam chumbo
como meio passivo, dispostas numa geometria de acordeon. Esta geometria permite
uma resposta rápida e uniforme em ângulo azimutal. Os calorímetros eletromagné-
ticos cobrem a região de pseudorapidez |η| < 3.2 e estão segmentados em camadas
para observação do desenvolvimento de chuveiros eletromagnéticos na direção longi-
tudinal. Na região de |η| < 1.8 os calorímetros são complementados por um presam-
pler, uma camada adicional que fornece informação sobre a energia perdida na parte
frontal dos calorímetros eletromagnéticos. Para as ’tampas’ hadrônicas, (HEC) que
cobrem a região em pseudorapidez de 1.5 < |η| < 3.2, o material passivo escolhido
é o cobre com geometria de placas paralelas. Para o calorímetro dianteiro (FCal),
localizado em região de pequenos ângulos polares onde o fluxo de partículas é muito
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maior e os danos causados pela radiação significativos, adotou-se uma geometria
baseada em eletrodos cilíndricos com gaps estreitos de argônio líquido com cobre e
tungstênio escolhidos como meio passivo. Os calorímetros hadrônico e dianteiro são
segmentados em profundidade em quatro e três camadas respectivamente. Os quatro
detectores estão instalados em três criostatos (um barril e duas tampas) preenchi-
dos com argônio líquido e mantidos a uma temperatura de aproximadamente 88 K.
Cada parte do detector é denominada partição: EMB, EMEC, HEC, FCal, com uma
letra adicional A ou C, para a distinção entre as regiões de pseudorapidez positiva e
negativa, respectivamente. Portanto, há oito partições diferentes.
Embora cada detector apresente suas próprias características em termos de ma-
terial passivo e de geometria, um esforço especial foi feito para que o readout e os
sistemas de calibração e de monitoramento através das oito partições fossem unifor-
mes. Os 182 468 canais do calorímetro são lidos por 1524 front-end boards (FEBs)
[28, 29] localizadas em crates dedicados. Estas FEBs fazem o shape do sinal e en-
viam as amostras digitalizadas via cabos óticos para 192 placas denominadas RODs
[30] que calculam as energias depositadas antes que elas sejam transferidas para o
sistema central de aquisição de dados.
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4 Medidas de precisão de bósons W em associação
com jatos de quarks b
A medida da seção de choque de produção de bósons W em associação com jatos de
quarks b usando os dados de colisões p+p a√s = 13 TeV, constituem um importante
teste para os cálculos NLO de QCD perturbativa (next-to-leading-order perturbative
Quantum Chromodynamics), considerando que tais processos se tornaram disponíveis
em simulações Monte Carlo [31, 32, 33]. Dentre os processos que contribuem para
a produção NLO de W+ jatos-b, podemos destacar o esquema de número de 4
sabores denominado 4FNS (four-flavour number scheme), onde somente os quarks
u, d, c, s são considerados no estado inicial, com as as seguintes reações: qq̄ → Wbb̄(g)
e gq → Wbb̄q. Entretanto, se considerarmos a presença de quarks b no estado
inicial, passamos ao esquema 5FNS, onde os processos de um único quark b do tipo
bq → Wbq(g) e bg → Wbqq̄ passam a desempenhar papel relevante nas energias do
LHC [34, 35].
Os processos que incluem W+ jatos-b são importante sinal de fundo para produ-
ção de bóson de Higgs [36] além de serem um sinal de fundo irredutível em muitas
procuras por nova Física BSM [37]. Medidas de W+ jatos-b em colisões p + p a√s = 7 TeV foram realizadas pelo detector ATLAS com as seções de choque apre-
sentadas nos modos de decaimento do bóson W tanto no canal de elétrons como
de múons em função da multiplicidade de jatos e do momento transverso do jato-b
dominante [38]. O atual regime de energia oferece uma motivação extra quanto ao
impacto no entendimento das funções de distruibuição partônica PDFs, quando os
dados experimentais são comparados aos cálculos que as descrevem.
4.1 Seleção de eventos e resultados em nível de detector
A análise utiliza o conjunto completo de dados coletados pelo detector ATLAS de
agosto a novembro de 2015 em colisões p+p a√s = 13 TeV, no modo de espaçamento
de 25 ns entre ’pacotes’ de prótons que colidiram e que corresponderam a uma lumi-
nosidade integrada de 3.2 ± 0.2 fb−1. Todos os eventos considerados devem obedecer
a períodos de runs durante os quais o detector e o sistema de trigger satisfizessem
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os critérios de qualidade de dados. A pré-seleção requer eventos com ao menos um
vértice primário com mais de dois traços associados. Candidatos a elétrons e múons
são selecionados com triggers dedicados que requerem ao menos um elétron ou mú on
com momento transverso pT = 24 GeV ou 20 GeV, respectivamente, e que obedecem
a critérios de isolamento e limiar de sensibilização. Para recobrar perda de eficiên-
cia em região de algo momento transverso, triggers adicionais que não obedecem a
quaisquer condições de isolamento são adicionados com limiares de 60 GeV e 50 GeV,
respectivamente.
Candidatos a elétrons devem apresentar pT > 25 GeV e passar por critérios de
identificação [39, 40] otimizados para as condições de tomada de dados do ano de
2015 em |η| < 2.47 excluindo a região 1.3 < |η| <1.52, de transição entre o ’barril’ e
as ’tampas’ do calorímetro de argônio líquido. Os múons devem ser reconstruídos em
|η| < 2.4 com pT > 25 GeV e devem passar critérios de identificação correspondentes
[41] também otimizados para as condições de tomada de dados do ano de 2015. Ao
menos um dos candidatos a lépton deve ser associado ao lépton que disparou o trigger
do evento.
Os jatos são reconstruídos a partir de depósitos de energia no calorímetro usando
um algoritmo anti-kt [42] com parâmetro R = 0.4. Todos os jatos devem satisfazer
o espaço de fase de |η| < 4.5 com pT > 20 GeV. A energia transversa faltante, que
funciona como ’representante’ do momento transverso do neutrino, é tomada com o
corte de EmissT > 25 GeV e a massa transversa mT
2 do bóson W , mT > 60 GeV. Para
que a seleção de bósons W seja consistente com a metodologia de reconstrução da
energia transversa faltante, um algoritmo de remoção de superposição denominado
overlap removal é aplicado á seleção de eventos com jatos e léptons que são encon-
trados dentro do cone de ∆R =√
(∆η)2 + (∆φ)2 < 0.4 de cada um deles, com a
remoção de um ou de outro objeto. Os jatos são classificados a partir de uma téc-
nica multivariada para que jatos-b (hádrons-b) possam ser identificados e distintos
de jatos-c (hádrons-c) e jatos leves (todos os outros jatos) [43, 44]. Como elemen-
tos do algoritmo, podemos citar a presença ou ausência de vértices secundários, dos
2mT =√
2pℓTpνT[1− cos (φℓ − φν)] com ângulo azimutal do lépton φℓ e ângulo azimutal neutrino
φν .
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parâmetros de impacto de traços associados e com as topologias de decaimentos de
quarks pesados. Um ponto de operação é tomados para a eficiência do b-tagging de
70% até o momento.
A candidata tem se dedicado ao desenvolvimento de software da análiseW+ jatos-
b desde Janeiro de 2016, e os primeiros resultados sem avaliação de erros sistemáticos
e adequada modelagem do sinal de fundo já podem ser vistos nas Figuras 1 e 2 para
as distribuições inclusivas mT e EmissT respectivamente, no canal de elétrons e no