No Higgs case

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 a Probe of
Symmetry Breaking
Relatore
Dott.sa Chiara MARIOTTI
Candidato
Gianluca CERMINARA
A.A. 2002/2003
Rottura di Simmetria
Nel Modello Standard le masse delle particelle sono introdotte attraverso il
meccanismo dell rottura spontanea di simmetria.
I bosoni vettoriali W± e Z acquisiscono la massa accoppiandosi al campo di
Higgs:
Rottura della simmetria elettrodebole
●
Prima:
●
Dopo:
–
3 bosoni vettoriali con m = 0 x
2 stati di polarizzazione (VT)
–
3 bosoni vettoriali con m ≠ 0 x 3 stati di
polarizzazione (VL+VT)
–
4 campi reali Fi
–
1 bosone scalare (Bosone di Higgs)
Totale = 10 d.o.f.
Totale = 10 d.o.f.
3 bosoni di Goldstone
11/07/2003
Gianluca Cerminara
3 d.o.f. longitudinali VL
WL+, WL-, ZL
Diffusione di Bosoni WL
Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo
WLWL  WLWL
viola l'unitarieta' all'energia critica:
sc 1.2 TeV
Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Diffusione di Bosoni WL
Senza il bosone di Higgs l'ampiezza di diffusione per il processo
WLWL  WLWL
viola l'unitarieta' all'energia critica:
sc 1.2 TeV
Nel Modello Standard e' il bosone di Higgs che ripristina l'unitarieta'
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Il Bosone di Higgs
Meccanismi di produzione in urto p-p
●
●
Fusione gluone-gluone
meccanismo di produzione
Fusione WW importante per alte
masse dell'Higgs
Rapporti di decadimento
●
H  WW canale di decadimento
principale per mH alta.
La fusione di bosoni vettoriali e' quindi un canale
interessante per lo studio del bosone di Higgs
nel caso in cui mH sia grande.
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Diffusione di Bosoni WL
Studio della fusione di bosoni vettori W come metodo
investigativo della rottura di simmetria elettrodebole
ppqqWLWLqqlqq
Nuovi fenomeni devono essere osservati entro la scala di energia di ~1
TeV:
–
Nel caso del bosone di Higgs osserveremo una risonanaza a MWW = MH
altrimenti
La sezione d'urto deviera' dalle previsioni del Modello Standard
–
Obiettivi del presente lavoro:
●
●
Verificare se sia possibile estrarre il segnale dai possibili fondi
Determinare la risoluzione sulla misura della sezione d'urto in funzione della
massa invariante del sistema WW (sWW vs MWW)
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Il Large Hadron Collider (LHC)
Collisionatore protone-protone.
In fase di realizzazione al CERN
Inizio presa dati prevista
per il 2007
11/07/2003
Bassa luminosita':
L = 2x1033 cm-2s-1
●Alta luminosita':
L = 2x1034 cm-2s-1
● Energia nel centro di massa:
s = 14 TeV
●
Gianluca Cerminara
Fisica ad LHC
Acceleratore progettato per esplorare il meccanismo della rottura
spontanea di simmetria.
●
Alta luminosita'
●
Alto rate di eventi
●
●
●
11/07/2003
''pile-up'': sovrapposizione di
eventi nello stesso bunch
crossing.
Interazioni multiple nello stesso
urto p-p
Sezioni d'urto interessanti ordini
di grandezza piu' piccole di
quelle dei processi di fondo
Gianluca Cerminara
Fisica ad LHC
In un collisionatore adronico l’energia iniziale dei partoni
interagenti e’ determinata dalle PDF del protone,
quindi:
●
●
Pz iniziale non noto mentre PT iniziale = 0.
Centro di massa dell’interazione non a riposo nel
laboratorio
Per questo si usano quantita’ Lorentz invarianti:
2 P2
P

P
●
Momento trasverso:
x y
T
●
11/07/2003
Pseudorapidita’:
   ln tg
Gianluca Cerminara

2
Il Segnale
Topologia:
●
Due quark dei protoni emettono un bosone vettoriale. I due bosoni
interagiscono dando nello stato finale due bosoni W. Uno di questi decade
leptonicamente l'altro in una coppia di quark.
Segnatura sperimentale:
●
un muone ad alto PT
●
ET mancante (neutrino non rivelato)
●
2 jet dal decadimento del W
●
2 jet spettatori (''jet tag'')
Stato finale a 6 fermioni
m

I jet spettatori permettono di
distinguere la fusione di bosoni W
da altri meccanismi di produzione
di coppie di W
11/07/2003
qspett
Gianluca Cerminara
q
q
qspett
Il Segnale
Diversi campioni per esplorare tutto lo spettro di masse
dell’Higgs pesante:
– mH=500 GeV
– mH=750 GeV
– mH=1000 GeV
Nel Modello Standard mH ≲ 1000 GeV
“No Higgs case”, simulato usando:
– mH=2000 GeV
– mH=10000 GeV
Situazione sperimentalmente piu’ difficile sulla
quale focalizziamo l’attenzione.
11/07/2003
Gianluca Cerminara
I fondi principali: ttbar
Produzione di coppie top anti-top
●
Topologia:
Nell'interazione di un quark ed
un anti-quark, o di due
gluoni, del protone si forma
una coppia t-tbar. Questi
quark subito decadono in un
quark b e un bosone W.
●
Segnatura sperimentale:
–
2 jet dal decadimento del W
–
2 leptoni o due jet dal
decadimento dell'altro W
–
2 jet dall'adronizzazione dei
due b-quark
11/07/2003
pp tt WWbb + X
l
qq 
BR(tWb)  100 %
g/q
g/q
Gianluca Cerminara
I fondi principali: ttbar
Produzione di coppie top anti-top
●
Topologia:
No Higgs case
Nell'interazione di un quark ed
un anti-quark, o di due
gluoni, del protone si forma
una coppia t-tbar. Questi
quark subito decadono in un
quark b e un bosone W.
●
Segnatura sperimentale:
–
2 jet dal decadimento del W
–
2 leptoni o due jet dal
decadimento dell'altro W
–
2 jet dall'adronizzazione dei
due b-quark
g/q
g/q
11/07/2003
Gianluca Cerminara
I fondi principali: ttbar
Produzione di coppie top anti-top
●
Topologia:
No Higgs case
Nell'interazione di un quark ed
un anti-quark, o di due
gluoni, del protone si forma
una coppia t-tbar. Questi
quark subito decadono in un
quark b e un bosone W.
●
Segnatura sperimentale:
–
2 jet dal decadimento del W
–
2 leptoni o due jet dal
decadimento dell'altro W
–
2 jet dall'adronizzazione dei
due b-quark
g/q
g/q
11/07/2003
Gianluca Cerminara
I fondi principali: Wjj
Produzione di un bosone W + 2 jet
●
Topologia:
No Higgs case
Due partoni dei protoni interagiscono
producendo un bosone W e due
quark/gluoni.
●
Segnatura sperimentale:
–
Muone e ET dal decadimento del W
–
Jet a bassa pseudorapidita'
Quando vengono ricostruiti piu' di due
jet lo stato finale diventa simile a
quello del segnale.
pp W+q/g+q/g + X
m
11/07/2003
Gianluca Cerminara
g/q
g/q
I fondi principali: WW
Produzione di coppie di bosoni W
●
Topologia:
Produzione di una coppia di
bosoni W dall'interazione di
due partoni del protone. Uno
dei due bosoni decade
leptonicamente
l'altro
adronicamente.
●
11/07/2003
pp WW + X
m
qq
Segnatura sperimentale:
–
2 jet dal W che decade
adronicamente
g/q
–
1 muone dal W che decade
leptonicamente
g/q
–
Energia
mancante
(neutrino non rivelato)
–
NO jet spettatori.
ET
Gianluca Cerminara
I fondi principali: singolo W
Produzione di un singolo bosone W
●
pp W + X
Topologia:
Nell'interazione di due partoni
viene prodotto un bosone W
che decade leptonicamente o
adronicamente
●
Segnatura sperimentale:
–
11/07/2003
Una coppia di leptoni o di
quark dal decadimento del
bosone W
Gianluca Cerminara
m
qq
Simulazione degli eventi
Sezione d’urto (pb) No eventi
generati
Generatore
Segnale MH=500 GeV
6 x 10-2
53441
PYTHIA
Segnale MH=750 GeV
4 x 10-2
53620
PYTHIA
Segnale MH=1000 GeV
3 x 10-2
54135
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
●
Molti dei campioni generati alla ''farm'' di Torino
PYTHIA
11/07/2003
●
Processati con CMSJET (simulazione rivelatore)
●
Analizzati con ROOT
●
Eventi pesati:
W σL
N gen
Gianluca Cerminara
Simulazione del rivelatore (CMS)
CMSJET: programma di simulazione veloce del rivelatore
●
Muoni identificati nell'intervallo di pseudorapidita':
-2.4 <  < 2.4
●
●
Ricostruzione dei jet:
–
Intervallo di pseudorapidita':
–
Algoritmo a cono: DR = 0.5
–
PT > 10 GeV
-5 <  < 5
No pile-up degli eventi
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Selezione degli eventi
Selezione dei leptoni dal decadimento Wm
Neutrino
Muone
●
●
Indispensabile per identificare il
decadimento leptonico del W
●
Criterio di selezione:
●
–
–
●
PT > 30 GeV (Trigger L1)
●
|| < 2.4
PT = PTmiss
PT > 30 GeV
Pz calcolato imponendo:
mW = 80.45 GeV
Efficienza:
W = 2.14 GeV
~ 89 %
(pm + p )2 = mW2
●
●
11/07/2003
Ricostruzione del
quadrimpulso del neutrino:
Scelta della soluzione con PZ
minore
Efficienza:
Gianluca Cerminara
~ 88 %
Selezione degli eventi
Jet dal decadimento: W  qq
W ricostruito 1 o 2 jet.
●
●
Criterio di selezione:
–
PTjet > 30 GeV
–
|jet| < 3
–
60 GeV < MW < 110 GeV
–
PTW piu' alto
Efficienza
–
11/07/2003
Distribuzione di pseudorapidita'
quark del segnale.
~ 69 %
Gianluca Cerminara
Selezione degli eventi
Jet dal decadimento: W  qq
W ricostruito 1 o 2 jet.
●
●
Criterio di selezione:
–
PTjet > 30 GeV
–
|jet| < 3
–
60 GeV < MW < 110 GeV
–
PTW piu' alto
Efficienza
–
11/07/2003
Massa ricostruita del bosone W
che decade adronicamente
~ 69 %
Gianluca Cerminara
Selezione degli eventi
Selezione dei jet spettatori.
●
Richiesta di una coppia di jet ad alta
pseudorapidita':
–
PT > 20 GeV
–
j1 x j2 < 0
–
1.5 < |j1| < 5 o 1.5 < |j2| < 5
–
|j1 - j2| > 3
No Higgs case
oppure
●
Richiesta di un solo jet ad alta
pseudorapidita':
–
PT > 20 GeV
●
–
|| > 2
–
Veto sui jet centrali: nessun jet con
11/07/2003
●
PT > 20 GeV
●
|| < 3
Massa invariante sistema dei jet in
avanti:
M(jt1+jt2) > 550 GeV
Gianluca Cerminara
Efficienze
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%
La richiesta di jet spettatori e' un potente strumento di selezione.
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Soppressione dei fondi
Altri tagli applicati
●
Impulso trasverso dei bosoni W
ricostruiti:
–
PTWlept > 100 GeV
–
PTWqq > 100 GeV
No Higgs case
No Higgs case
●
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Differenza di pseudorapidita' tra i
jet del W e i jet in avanti e tra il
muone e i jet in avanti:
–
Dm-jt > 1
–
DjW-jt > 1
Efficienze
Campione
PTWlept
PTWadr Dm-jt D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 %
11/07/2003

Buone efficienze per il segnale

Buona reiezione per i fondi
Gianluca Cerminara
Efficienze
●
●
Efficienza di segnale integrata tra 0
GeV < MWW < 2000 GeV
: ~20 %
Efficienza di segnale per
MWW > 800 GeV:
~40-50 %
Particolarmente interessante
nel
caso in cui l’Higgs non esista.
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Risultati
Risoluzione sulla massa invariante WW
●
La risoluzione sulla ricostruzione
della massa invariante WW da 200
GeV a 2000 GeV e':
DrWW =
MWWrec-MWWgen
MWWgen
L = 100 fb-1
~8%
●
Buona sensibilita' alla
dipendenza del segnale da mH
Ma pile-up non considerato
11/07/2003
Gianluca Cerminara
Risultati
Numero di eventi vs MWW
L = 100 fb-1
No Higgs case
●
●
●
S = 119
S/B  2.5
11/07/2003
Gianluca Cerminara
S/B  2.5 per MWW > 1 TeV:
necessari 3 o 4 anni ad alta
luminosita’ per esplorare la
regione ad alte masse.
Necessari ulteriori studi per
migliorare il rapporto segnale
rumore.
Necessari campioni
Monte Carlo piu' grandi.
Conclusioni
●
Misura della sezione d'urto per la fusione WLWL
ad LHC possibile oltre la scala di energia (MWW)
del TeV.
●
Buona risoluzione su MWW: ~ 10 %
●
Alta luminosita' richiesta.
●
~100 eventi con MWW > 1 TeV dopo 100 fb-1:
–
11/07/2003
Essenziale una comprensione dettagliata dei fondi
per essere sensibili alla possibile nuova fisica.
Gianluca Cerminara