Capitolo 11:
11:
Capitolo
Teoria elettrodebole
elettrodebole ee
Teoria
Test del
del Modello
Modello
Test
Standard (( iii
iii parte
parte ))
Standard
Corso di Fisica Nucleare e
Subnucleare II
Professor Carlo Dionisi
A.A. 2008-2009
Giugno 2009
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Prima Parte: quark top
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Scoperta del quark top
Dopo la scoperta del b-quark, divenne
evidente che ci doveva essere il suo partner
di isospin, il quark top, per completare la
terza generazione.
Dopo i fallimenti delle ricerche fatte a
Slac, Desy e al CERN,dal 1990 solo il
Tevatron di Fermilab e’ stato in grado di
produrre il quark top con energia nel CdM
di 1.8 TeV.
Il quark top e’ stato scoperto nelle collisioni p p-bar
nel rivelatore CDF al collisore Tevatron nel 1994.
Con una sezione d’ urto di produzione di ≅ 5 pb, confrontata con una
sezione d’ urto totale di circa 60 mb, ci aspettiamo di produrre una
coppia di quark top ogni 1010 collisioni p p-bar.
Come vedremo, con una vita media di circa 10-24 s il quark top
decade prima di poter adronizzare e decade in uno stato finale
formato da getti adonici da coppie di b-quark mescolati o con leptoni
o con getti adronici da quark leggeri.
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TEVATRON
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Top quark: produzione coppia (t t-bar)
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Top quark: decadimento
♦ Il quark top, essendo piu’ pesante anche del bosone W, puo’ decadere solo
via:
Poiche’
quark top e:
e
l’ unico modo di decadimento del
Con una frequenza proporzionale a:
Per formare uno stato tipo toponio serve un tempo O( 10-22 s )
La vita media e’ quindi TROPPO CORTA affinche’ il quark top
possa ADRONIZZARE !
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Top quark: decadimento
Quindi il top decade in b-quark e W che a sua volta decade in
leptoni o quark:
Lo stato finale quindi risulta formato di jet e leptoni mescolati:
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• Configurazioni per i decadimenti del top:
Entrambi I W decadono in
leptoni e o m:
Easy
Uno dei W decade in
τ: very difficult.
Di-leptons
(e-μ)
5%
Channels with τ
21%
All hadronic
44%
Entrambi i W decadono in adroni:
Difficult
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Lepton (e-μ) + jets
30%
Un W decade in leptoni e
o μ e l’altro in getti:
Medium
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•
La maggior parte dei risultati derivano dai canali:
i) due leptoni piu’ jet;
ii) un leptone piu’ jet.
•
Selezione:
– Si cercano i decadimenti leptonici dei W:
• Leptoni di alto Et;
• Energia trasversa mancante.
– Ri richiedono almeno 3 addizionali jet energetici.
– Almeno uno dei jet e’ b-tagged ( i.e. contiene un
hadrone B ).
B hadrons dal decadimento del top viaggiano per
alcuni mm prima di decadere.
Questi decadimenti con un accurato rivelatore
tracciante puo’ essere osservato.
Altre tecniche di b-tagging che usano I leptoni
danno un rapporto segnale fondo, S/N, molto
peggiore.
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• Un candidato t t-bar
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Top Mass: the channels
l
ν
q
q
W+
b
t
t
p
p
W-
b
l
ν
Lepton + jets
• Reasonable branching fraction
• Medium bkg levels:
– W+jets
– QCD multijet
• Benefits from in-situ jet energy calibration using hadronic
W
• Has traditionally yielded the best results
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Top Mass: the challenge
Jet 2
Jet 1
Jet 3
q
q
W+
b
t
t
p
Jet 4
•
•
•
p
W-
b
•
•
Primary interaction vertex
l
ν
lepton
Missing
ET
In general, don’t know which jet comes from which parton
In the l+jets case e.g., detector sees 4 jets, a lepton, missing ET, and
an interaction vertex
No displaced vertices to isolate signal from background
Must try all permutations
No clean and sharp mass peaks
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tt → lνb qq b
q
b
q
Wt
p
•
b
p
t
ν
W
l
Measuring the top mass
– Use lepton+jet sample
– All kinematics known, but:
• Pzν
– 3 constraints:
• M(lν) = M(qq) = MW
• M(lνb) = M(qqb)
• 2C kinematic fit
– Combinatoric ambiguity
• 2 combination if double b-tag
• 6 combination if single b-tag
• Gluon radiation can give extra jets!
– MC to check/correct for systematic effects
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• La massa del top e le
misure di precisione
Determinazione indiretta
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Massa del Top: Media Mondiale
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Tevatron Results (*Preliminary)
Best Tevatron Run II (preliminary, March 2007)
All-Jets: CDF
D0-I dilepton
-1
168.4 ±12.3 ± 3.6
-1
(L= 125 pb )
( 943 pb )
Dilepton: CDF
-1
167.4 ±10.3 ± 4.9
CDF-I dilepton
-1
(L= 110 pb )
(1030 pb )
D0-II dilepton
-1
172.5 ± 5.8 ± 5.6
-1
(L=1030 pb )
(1000 pb )
Lepton+Jets: CDF
CDF-II dilepton
-1
164.5 ± 3.9 ± 3.9
-1
(L=1030 pb )
( 940 pb )
Lepton+Jets: D0
176.1 ± 5.1 ± 5.3
CDF-I lepton+jets
-1
(L= 105 pb )
D0-I lepton+jets
(L= 125 pb )
CDF-II Lxy
Tevatron
(Run I/Run II, March 2007)
0
183.9 ± 15.7
13.9 ± 5.6
-1
(L= 695 pb )
*
CDF-II lepton+jets
150
170.9 ± 2.5
170.5 ± 2.7
170.9 ± 1.8
χ2/dof = 9.2/10
160
170
180
190
2
Top Quark Mass (GeV/c )
200
170.9 ± 1.6 ± 2.0
-1
(L= 940 pb )
*
D0-II lepton+jets
170.5 ± 1.8 ± 2.0
-1
(L= 900 pb )
*
171.1 ± 2.8 ± 3.2
CDF-II all-jets
-1
(L= 943 pb )
CDF-I all-jets
186.0 ±10.0 ± 5.7
-1
(L= 110 pb )
*
Tevatron March’07
170.9 ± 1.1 ± 1.5
(CDF+D0 Run I+II)
(stat.) ± (syst.)
χ /dof = 9.2/10
2
12.4 ± 1.5 ± 2.2
(
0
150
-1
( 900 pb )
180.1 ± 3.6 ± 3.9
-1
164.5 ± 5.6
172.5 ± 8.0
Dilepton: D0
*
171.1 ± 4.3
160
170
180
190
mtop oggi e’ nota con una
incertezza del 1.1% !
200
2
Top Quark Mass (GeV/c )
170.9 ± 1.1 (stat) ± 1.5 (syst) GeV/c2
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Bibliografia
Chi desidera approfondire l’argomento puo’
utilizzare:
i) Appendice 7: Lezioni di Marco Rescigno;
ii) le Tesine sul quark top presentate negli
A.A. precedenti che si trovano nel sito:
/people/dionisi
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Seconda Parte:
Ricerca dell’ Higgs
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Nota Bene:
la parte di Teoria sulla
rottura spontanea della simmetria,
meccanismo di Higgs, fa parte del
programma e viene svilupppata nelle
pagine
507-524 del Burcham and Jobes.
Questa parte del corso e’ stata
presentata dalla Dr. Barbara Mele.
Nel seguito di questo capitolo vengono
invece presentate in modo schematico le
ricerche del bosone di Higgs a LEP e al
Tevatron.
Dettagli su queste ricerche si possono
trovare nelle tesine fatte dagli studenti
nei vari A.A. e “postate” nel sito
/people/dionisi
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Higgs search
♦Il bosone di Higgs e’ l’
unica particella NON
ancora scoperta tra quelle
previste dal Modello
Standard.
♦Nel Modello Standard ha
il ruolo fondamentale di
generare la massa dei
bosoni W e Z e dei
fermioni.
Prof. Peter Higgs
♦ Tuttavia ci sono modelli
con meccanismi piu’
complessi di quello di
Higgs che prevedono una
“fisica Nuova” con nuove
particelle ancora da
scoprire.
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Come abbiamo visto, il contributo dei
loop dell’ Higgs, vedi figure, alle
correzioni radiative e’ logaritmico; la
sensibilita’ del fit ai dati delle misure
elettrodeboli e’ quindi ridotta.
Il limite indiretto combinando I dati
elettrodeboli e’:
MH < 219 GeV al 95 % di C.L.
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Ricerca Diretta dell’ Higgs
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• Light Higgs decay:
– Higgs si accoppia alle particelle piu’
pesanti cinematicamente
• bb dominant mode up to
MHiggs ~ 135 GeV
• Il decadimento in coppie WW
sopra questo valore diventa il
meccanismo dominante
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Strategia per l’ analisi dell’ Higgs
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Tagli piu’ stretti
aumentano la purezza
del campione ma si
pagano in statistica.
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Bibliografia
Appendice 9: Pippa Wells The Higgs saga at LEP
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Higgs search al Tevatron
•
Light (100 – 200 GeV) Higgs production:
– Higgs couplings prefer higher masses
– Main production mechanisms:
• Virtual top quark loops
g
σ ~ 1.0 – 0.1 pb
• Associated W/Z production
σ~ 0.5 – 0.02 pb
σW ~2xσZ
g
t
t
H
t
q
W*/Z*
q
H
W/Z
Cfr. Top quark σ ~ 5 pb
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• Higgs leggero: segnatura sperimentale:
– MH < 140 GeV:
• Si usa la produzione associata HV (troppo fondo a
ggÆHÆbb da ggÆgÆbb):
– Si assume HÆ bb
– A seconda dei decadimenti di W/Z si hanno diverse
segnature sperimentali
• Segnature:
– ZH Æ l+l- bb
– ZH Æ nn bb
– WH Æ l±n bb
– V H Æ qq’ bb
il piu’ pulitoVma
con
bassa
=
W,
Z
rate
S/N molto sfavorevole
• Higgs appare come un picco nello spettro di
massa invariante bb
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Riassunto 1
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Riassunto 2
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Riassunto 3
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Riassunto 4
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Materia ed Energia Oscura
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