Universita' degli Studi di Torino Facolta' di Scienze Matematiche Fisiche Naturali Corso di Laurea in Fisica A Study of the WW-fusion Process at CMS as.

Universita' degli Studi di Torino

Facolta' di Scienze Matematiche Fisiche NaturaliCorso di Laurea in Fisica

A Study of the WW-fusion A Study of the WW-fusion Process at CMS as a Probe Process at CMS as a Probe

of Symmetry Breaking of Symmetry Breaking

RelatoreDott.sa Chiara MARIOTTI

CandidatoGianluca CERMINARA

A.A. 2002/2003

11/07/2003 Gianluca Cerminara

Rottura di SimmetriaRottura di Simmetria

Nel Modello Standard le masse delle particelle sono introdotte attraverso il meccanismo dell rottura spontanea di simmetria.

Rottura della simmetria elettrodebole

I bosoni vettoriali W± e Z acquisiscono la massa accoppiandosi al campo di Higgs:

● Prima:Prima:

– 3 bosoni vettoriali con m = 0 3 bosoni vettoriali con m = 0 x 2 stati di polarizzazione (x 2 stati di polarizzazione (VVTT))

– 4 campi reali 4 campi reali ii

Totale = 10 d.o.f. Totale = 10 d.o.f.

● Dopo:Dopo:

– 3 bosoni vettoriali con m 3 bosoni vettoriali con m ≠≠ 0 x 3 0 x 3 stati di polarizzazione (stati di polarizzazione (VVLL+V+V

TT))

– 1 bosone scalare (Bosone di 1 bosone scalare (Bosone di Higgs)Higgs)

3 bosoni di Goldstone 3 d.o.f. longitudinali VL

WL+, WL

-, ZL


Diffusione di Bosoni WDiffusione di Bosoni WLL

Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusionel'ampiezza di diffusione per il processo

WLW

L W

LW

L

viola l'unitarieta'viola l'unitarieta' all'energia critica:

Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

TeV 2.1cs


Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusionel'ampiezza di diffusione per il processo

WLW

L W

LW

L

viola l'unitarieta'viola l'unitarieta' all'energia critica:

Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'

TeV 2.1cs



Il Bosone di HiggsIl Bosone di Higgs

● H H WW WW canale di canale di decadimento principale per decadimento principale per mmHH alta. alta.

● Fusione gluone-gluone Fusione gluone-gluone meccanismo di produzionemeccanismo di produzione

● Fusione WWFusione WW importante per importante per alte massealte masse dell'Higgs dell'Higgs

Meccanismi di produzione in urto p-p

Rapporti di decadimento

La fusione di bosoni vettoriali e' quindi un canale interessante per lo studio del bosone di Higgs nel caso in cui mH sia

grande.



Studio della fusione di bosoni vettori Wfusione di bosoni vettori W come metodo investigativo della rottura di simmetria elettrodebole

Nuovi fenomeni devono essere osservati entro la scala di energia di ~1 TeV:

– La sezione d'urto deviera' dalle previsioni del Modello La sezione d'urto deviera' dalle previsioni del Modello StandardStandard

– Nel caso del bosone di Higgs osserveremo una risonanaza a MNel caso del bosone di Higgs osserveremo una risonanaza a MWWWW = =

MMHHaltrimenti

ppppqqWqqWLLWWLLqqqqllqqqq

Obiettivi Obiettivi del presente lavoro:del presente lavoro:

● Verificare se sia possibile Verificare se sia possibile estrarre il segnaleestrarre il segnale dai possibili dai possibili fondifondi

● Determinare la Determinare la risoluzionerisoluzione sulla misura della sulla misura della sezione d'urto sezione d'urto in in

funzione della massa invariantefunzione della massa invariante del sistema WW ( del sistema WW (WWWW vs M MWWWW))


Il Large Hadron Collider (LHC)Il Large Hadron Collider (LHC)Collisionatore protone-protone.Collisionatore protone-protone.

● Bassa luminosita': L = 2x1033 cm-2s-1

●Alta luminosita': L = 2x1034 cm-2s-1

● Energia nel centro di massa: = 14 TeV

In fase di realizzazione al CERN

Inizio presa dati prevista

per il 2007

s


Fisica ad LHCFisica ad LHC

● Alta luminosita'Alta luminosita'

● Alto rate di eventiAlto rate di eventi

● ''pile-up''''pile-up'': sovrapposizione di : sovrapposizione di eventi nello stesso bunch eventi nello stesso bunch crossing.crossing.

● Interazioni multipleInterazioni multiple nello nello stesso urto p-pstesso urto p-p

● Sezioni d'urto interessanti Sezioni d'urto interessanti ordini di grandezza piu' ordini di grandezza piu' piccole di quelle dei processi piccole di quelle dei processi di fondodi fondo

Acceleratore progettato per esplorare il meccanismo della rottura spontanea di simmetria.


Fisica ad LHCFisica ad LHC

In un collisionatore adronico l’energia iniziale dei In un collisionatore adronico l’energia iniziale dei partoni interagenti e’ determinata dalle PDF del partoni interagenti e’ determinata dalle PDF del protone, quindi:protone, quindi:

● PPzz iniziale non noto mentre P iniziale non noto mentre PTT iniziale = 0. iniziale = 0.

● Centro di massa dell’interazione non a riposo nel Centro di massa dell’interazione non a riposo nel laboratoriolaboratorio

Per questo si usano quantita’ Lorentz invarianti:Per questo si usano quantita’ Lorentz invarianti:

● Momento trasversoMomento trasverso::

● Pseudorapidita’Pseudorapidita’: :

2yP2

xPT

P

2ln

tg


Il SegnaleIl Segnale

Topologia:Topologia:

● Due quark dei protoni emettono un bosone vettoriale. I due bosoni Due quark dei protoni emettono un bosone vettoriale. I due bosoni interagiscono dando nello stato finale due bosoni W. Uno di questi interagiscono dando nello stato finale due bosoni W. Uno di questi decade leptonicamente l'altro in una coppia di quark.decade leptonicamente l'altro in una coppia di quark.

Segnatura sperimentale:Segnatura sperimentale:

● un un muonemuone ad alto P ad alto PTT

● EETT mancante ( mancante (neutrinoneutrino non rivelato) non rivelato)

● 2 jet dal decadimento del W2 jet dal decadimento del W

● 2 jet spettatori (2 jet spettatori (''jet tag''''jet tag''))

Stato finale a 6 fermioni

I jet spettatori permettono di distinguere la fusione di bosoni

W da altri meccanismi di produzione di coppie di W

q

qspett

qspett

q


Il SegnaleIl Segnale

Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di masse Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di masse dell’dell’HiggsHiggs pesantepesante::– mmHH=500 GeV=500 GeV– mmHH=750 GeV=750 GeV– mmHH=1000 GeV=1000 GeV

““No Higgs case”No Higgs case”, simulato usando:, simulato usando:

– mmHH=2000 GeV=2000 GeV

– mmHH=10000 GeV=10000 GeV

Nel Modello Standard mNel Modello Standard mHH ≲≲ 1000 GeV 1000 GeV

Situazione sperimentalmente piu’ difficile Situazione sperimentalmente piu’ difficile sullasulla

quale focalizziamo l’attenzione.quale focalizziamo l’attenzione.


I fondi principali: ttbarI fondi principali: ttbar

Produzione di coppie top anti-topProduzione di coppie top anti-top

pppp tt tt WWbb + XWWbb + Xl l

ℓℓ

qqqq

● Topologia:Topologia:

Nell'interazione di un quark Nell'interazione di un quark ed un anti-quark, o di due ed un anti-quark, o di due gluoni, del protone si gluoni, del protone si forma una forma una coppia t-tbarcoppia t-tbar. . Questi quark subito Questi quark subito decadono in un quark b e decadono in un quark b e un bosone W.un bosone W.

● Segnatura sperimentale:Segnatura sperimentale:

– 2 jet dal decadimento del 2 jet dal decadimento del WW

– 2 leptoni o due jet dal 2 leptoni o due jet dal decadimento dell'altro Wdecadimento dell'altro W

– 2 jet dall'adronizzazione 2 jet dall'adronizzazione dei due b-quarkdei due b-quark

BR(tWb) 100 %

g/q

g/q



Produzione di coppie top anti-topProduzione di coppie top anti-top● Topologia:Topologia:






g/q

g/q

No Higgs case



Produzione di coppie top anti-topProduzione di coppie top anti-top● Topologia:Topologia:






No Higgs case

g/q

g/q


I fondi principali: I fondi principali: WjjWjj


Due partoni dei protoni Due partoni dei protoni interagiscono producendo interagiscono producendo un un bosone W e due quark/gluonibosone W e due quark/gluoni..

Produzione di un bosone W + 2 jetProduzione di un bosone W + 2 jet

pppp WW++q/g+q/g + Xq/g+q/g + X


– Muone e EMuone e ETT dal decadimento del dal decadimento del

WW

– Jet a bassa pseudorapidita'Jet a bassa pseudorapidita'

Quando vengono ricostruiti piu' di Quando vengono ricostruiti piu' di due jet lo stato finale diventa due jet lo stato finale diventa simile a quello del segnale.simile a quello del segnale.

g/q

g/q

No Higgs case


I fondi principali: WWI fondi principali: WW


Produzione di una Produzione di una coppia di coppia di bosoni Wbosoni W dall'interazione dall'interazione di due partoni del protone. di due partoni del protone. Uno dei due bosoni Uno dei due bosoni decade leptonicamente decade leptonicamente l'altro adronicamente.l'altro adronicamente.


– 2 jet dal W che decade 2 jet dal W che decade adronicamenteadronicamente

– 1 muone dal W che 1 muone dal W che decade leptonicamentedecade leptonicamente

– Energia mancante EEnergia mancante ETT

(neutrino non rivelato)(neutrino non rivelato)

– NO jet spettatoriNO jet spettatori..

Produzione di coppie di bosoni WProduzione di coppie di bosoni W

pp WW + X

qq

g/q

g/q


I fondi principali: singolo WI fondi principali: singolo W


Nell'interazione di due Nell'interazione di due partoni viene prodotto un partoni viene prodotto un bosone W che decade bosone W che decade leptonicamente o leptonicamente o adronicamenteadronicamente


– Una coppia di leptoni o di Una coppia di leptoni o di quark dal decadimento del quark dal decadimento del bosone Wbosone W

Produzione di un singolo bosone WProduzione di un singolo bosone W

qq

pp W + X


Simulazione degli eventiSimulazione degli eventi

● Molti dei campioni generati alla ''farm'' di Torino Molti dei campioni generati alla ''farm'' di Torino

● Processati con CMSJET (simulazione rivelatore)Processati con CMSJET (simulazione rivelatore)

● Analizzati con ROOTAnalizzati con ROOT

● Eventi pesati:Eventi pesati:

Sezione d’urto (pb)

No eventi generati Generatore

Segnale MH=500 GeV 6 x 10-2 53441 PYTHIA



Segnale: No Higgs case 2 x 10-2 54956 PYTHIA

Fondo ttbar 624.23 510018 PYTHIA

Fondo W+jj 77.00 30000 CompHEP

Fondo WW 11.19 135185 PYTHIA

Fondo W 184885.00 596618 PYTHIA

genNLW σ


Simulazione del rivelatore (CMS)Simulazione del rivelatore (CMS)

● MuoniMuoni identificati nell'intervallo di pseudorapidita': identificati nell'intervallo di pseudorapidita':

-2.4 < -2.4 < < 2.4 < 2.4

● Ricostruzione dei Ricostruzione dei jetjet::

– Intervallo di pseudorapidita':Intervallo di pseudorapidita': -5 < -5 < < 5 < 5

– Algoritmo a cono: Algoritmo a cono: R = 0.5R = 0.5

– PPTT > 10 GeV > 10 GeV

● No pile-upNo pile-up degli eventi degli eventi

CMSJET: programma di simulazione veloce del rivelatore


Selezione degli eventiSelezione degli eventi

MuoneMuone

● Indispensabile per Indispensabile per identificare il decadimento identificare il decadimento leptonico del Wleptonico del W

● Criterio di selezione:Criterio di selezione:

– PPTT > 30 GeV (Trigger L1) > 30 GeV (Trigger L1)

– ||| < 2.4| < 2.4● Efficienza:Efficienza:

~ 89 %~ 89 %

NeutrinoNeutrino

● Ricostruzione del Ricostruzione del quadrimpulso del neutrino:quadrimpulso del neutrino:

● PPTT = P = P

TTmissmiss PPTT

> > 30 GeV30 GeV

● PPzz calcolato imponendo: calcolato imponendo:

mmWW = 80.45 GeV = 80.45 GeV

WW = 2.14 GeV = 2.14 GeV

(p(p + p + p ) )22 = m = mWW22

● Scelta della soluzione con PScelta della soluzione con PZZ

minoreminore

● Efficienza:Efficienza: ~ 88 %~ 88 %

Selezione dei leptoni dal decadimento Selezione dei leptoni dal decadimento WW


W ricostruito 1 o 2 jet.W ricostruito 1 o 2 jet.


– PPTTjetjet > 30 GeV > 30 GeV

– ||jetjet| < 3| < 3

– 60 GeV < M60 GeV < MWW < 110 GeV < 110 GeV

– PPTTWW piu' alto piu' alto

● EfficienzaEfficienza

– ~ 69 %~ 69 %

Jet dal decadimentoJet dal decadimento: W : W qq qq

Distribuzione di pseudorapidita' quark del segnale.



W ricostruito 1 o 2 jet.W ricostruito 1 o 2 jet.


– PPTTjetjet > 30 GeV > 30 GeV

– ||jetjet| < 3| < 3

– 60 GeV < M60 GeV < MWW < 110 GeV < 110 GeV

– PPTTWW piu' alto piu' alto

● EfficienzaEfficienza

– ~ 69 %~ 69 %

Jet dal decadimentoJet dal decadimento: W : W qq qq


Massa ricostruita del bosone W che decade adronicamente


● Richiesta di una coppia di jet ad Richiesta di una coppia di jet ad alta pseudorapidita':alta pseudorapidita':


– j1j1 x x j2j2 < 0 < 0

– 1.5 < |1.5 < |j1j1| < 5 o 1.5 < || < 5 o 1.5 < |j2j2| < 5| < 5

– ||j1j1 - - j2j2| > 3| > 3

Selezione dei jet spettatori.Selezione dei jet spettatori.

oppure● Richiesta di un solo jet ad alta Richiesta di un solo jet ad alta

pseudorapidita':pseudorapidita':


– ||| > 2 | > 2

– Veto sui jet centrali: nessun jet Veto sui jet centrali: nessun jet concon

● PPT T > 20 GeV> 20 GeV

● ||| < 3| < 3

● Massa invariante sistema dei jet Massa invariante sistema dei jet in avanti:in avanti:

M(jt1+jt2) > 550 GeVM(jt1+jt2) > 550 GeV


No Higgs case


EfficienzeEfficienze

La richiesta di jet spettatori e' un potente strumento di selezione.La richiesta di jet spettatori e' un potente strumento di selezione.

Campione Muone Neutrino Jet dal W Jet Tag M(jt1+jt2) >550 GeV

Segnale MH=500 GeV 89 % 86 % 67 % 79 % 80 %

Segnale MH=750 GeV 91 % 88 % 71 % 78 % 85 %

Segnale MH=1000 GeV 98 % 88 % 71 % 78 % 87 %

Segnale No Higgs case

89 % 88 % 69 % 79 % 87 %

Fondo t-tbar 37 % 60 % 56 % 29 % 29 %

Fondo W +jj 84 % 72 % 24 % 25 % 52 %

Fondo WW 63 % 55 % 22 % 14 % 89 %

Fondo W 41 % 67 % 2 % 21 % ~ 0 %


Soppressione dei fondiSoppressione dei fondi

● Impulso trasverso dei bosoni Impulso trasverso dei bosoni W ricostruiti:W ricostruiti:

– PPTTWleptWlept > 100 GeV > 100 GeV

– PPTTWqqWqq > 100 GeV > 100 GeV

● Differenza di pseudorapidita' Differenza di pseudorapidita' tra i jet del W e i jet in avanti tra i jet del W e i jet in avanti e tra il muone e i jet in avanti:e tra il muone e i jet in avanti:

– -jt-jt > 1 > 1

– jW-jtjW-jt > 1 > 1

Altri tagli applicatiAltri tagli applicati

No Higgs case

No Higgs case



Campione PTWlept PT

Wadr -jt jW-jt Totale

Segnale MH=500 GeV 94 % 95 % 87 % 89 % 22.90 %

Segnale MH=750 GeV 94 % 96 % 86 % 89 % 26.48 %

Segnale MH=1000 GeV 93 % 96 % 87 % 90 % 25.89 %

Segnale: No Higgs case 89 % 93 % 86 % 89 % 19.50 %

Fondo t-tbar 49 % 77 % 52 % 60 % 0.12 %

Fondo W+jj 90 % 72 % 58 % 68 % 0.48 %

Fondo WW 31 % 79 % 83 % 83 % 0.09 %

Fondo W 7 % 25 % --- --- ~0.00 %

Buone efficienze per il segnaleBuone efficienze per il segnale

Buona reiezione per i fondiBuona reiezione per i fondi



● Efficienza di segnale integrata tra Efficienza di segnale integrata tra 0 GeV < M 0 GeV < M

WWWW < 2000 GeV < 2000 GeV : :

~20 %~20 %

● Efficienza di segnale per Efficienza di segnale per MMWWWW > 800 GeV: > 800 GeV: ~40-50 %~40-50 %

Particolarmente Particolarmente interessante nelinteressante nel

caso in cui l’Higgs non caso in cui l’Higgs non esista.esista.


RisultatiRisultati

● La risoluzione sulla ricostruzione La risoluzione sulla ricostruzione della massa invariante WW da 200 della massa invariante WW da 200 GeV a 2000 GeV e': GeV a 2000 GeV e':

~ 8 ~ 8 %%

Risoluzione sulla massa invariante WWRisoluzione sulla massa invariante WW

rWW

= M

WWrec-M

WWgen

MWW

gen

Ma pile-up non considerato

L = 100 fb-1

● Buona sensibilita' alla Buona sensibilita' alla dipendenza del segnale da dipendenza del segnale da mmHH


RisultatiRisultati

Numero di eventi vs MNumero di eventi vs MWWWW

L = 100 fb-1

No Higgs case

S = 119S = 119

S/S/B B 2.5 2.5

● S/S/B B 2.5 per M 2.5 per MWWWW > 1 TeV: > 1 TeV: necessari necessari 3 o 4 anni ad alta 3 o 4 anni ad alta luminosita’luminosita’ per esplorare la per esplorare la regione ad alte masse. regione ad alte masse.

● Necessari ulteriori studi per Necessari ulteriori studi per migliorare il rapporto migliorare il rapporto segnale rumore.segnale rumore.

● Necessari campioni Necessari campioni Monte Carlo piu' grandi.Monte Carlo piu' grandi.


ConclusioniConclusioni

● MisuraMisura della sezione d'urto per la fusione W della sezione d'urto per la fusione WLLWWLL

ad LHC ad LHC possibilepossibile oltre la scala di energia (M oltre la scala di energia (MWWWW) ) del TeV.del TeV.

● Buona risoluzioneBuona risoluzione su M su MWWWW: ~ 10 %: ~ 10 %

● Alta luminosita' richiesta.Alta luminosita' richiesta.

● ~100 eventi con M~100 eventi con MWWWW > 1 TeV dopo 100 fb > 1 TeV dopo 100 fb-1-1::

– Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi per essere sensibili alla possibile nuova fisica.per essere sensibili alla possibile nuova fisica.

Universita' degli Studi di Torino Facolta' di Scienze Matematiche Fisiche Naturali Corso di Laurea in Fisica A Study of the WW-fusion Process at CMS as.

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ww slide

lunitarieta slide

fusione di bosoni vettoriali

sistema ww ww vs

gianluca cerminara lampiezza

the ww

higgs lampiezza

studio della fusione