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: • HWWlnln (promettente) • HZZllbb (un po’ sfigato) • Hbb (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” ppttbb 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 • Znn • W->ln • ttn + 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!