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Fisica del W e della Z ad LHC a bassa luminosita’

S. Bolognesi – IFAE 2006

Rate di produzione (1y LL =10 fb-1)1


( ) 3.5 pp Z X ll X nbσ → + → + ∼

Fase inizialecalibrazione calorimetri, allineamento tracciatorimonitor luminositàmisura PDF

Misure di precisionemisura MW

misura AFB(Z) → sin2ϑW

misura TGC, QGC

Nuova FisicaVers

o H

L

tuning generatori(1→10 fb-1)

VV scatteringDY: Z’, …

( ) 30 pp W X l X nbσ ν→ + → + ∼ 300×106

35×106

eventi all’anno

test validita’ MS

e ricerca accoppiamenti anomali

(~1 fb-1)

(>10 fb-1)

Necessario ottimocontrollo dellesistematiche!!

studio rivelatori,

(l = e, μ)

Calibrazione MU:• allineamento

• campo magnetico

• energy loss nei calorimetri

(studi recenti solo con tracce isolate W→μν)

Z μ μ+ −→

Massimizzazione di:

50 pb-1

1‰

0.5‰ (barrel)1.1 ‰ (|η|~2)

errori statistici0.3 fb-1

obiettivo

0.2 ‰

0.5 ‰

{ }( )

1 21

, , ,N eventi

mis misi j Zk

k

prob p p p Mα=

Δ∏

( )pp

δ Δ

δαα

2

B B α=

( ) ( )1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2, ,misuratop p p pα ϕ ϑ ϑ= + Δ( ) ( )p p pε ϑΔ = ⋅ Δ

ATL-MUON-99-001*

*Analisi ATLAS:

0

1

2

3

4

5

energy loss (GeV

)

calibrated energy loss

α(φ<0)=1.01 generatedα(φ≥0)=0.98 generated

Calibration:α(φ<0)=1.0103±0.0009α(φ≥0)=0.9816±0.0013

energy loss of generated muon

η0 1 2-2 -1


correzione funzione di

Calibrazione ECAL:( ) ( ), ( ) /e j j

j

E GeV f G GeV ADC C A ADCγ = ⋅ ⋅∑• e, γ

• clustering algo, num. cristalli• η, pT

conversioneADC→GeV ampiezza segnale

coefficienti di intercalibrazione

No CALIB.

Z e e+ −→3


Cj ~ 1.08 – 1.04|η| < 1.479

( ) 2

,

,

1 1 12

i ij j true

j ij Z e true

M e ec Ec M E

ε+ −⎡ ⎤⎛ ⎞− ⎢ ⎥⎜ ⎟= = − ⋅

⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦

CMS NOTE 2006/039

4


Risultati calibr. ECAL (2 fb-1)misura coefficienti di

intercalibrazione Cj (barrel)

C = correzione miscalibrazionem = miscalibrazione ipotizzataRes. Miscalibraz. = (mC -1)σ = 0.6%

media Cj in differenti regioni di pseudorapidita’scala di energia assoluta

media Cj su tutto rivelatore

δstat = 0.05%

correzione shower non containment ed effetti materiale → f(η)

CMS NOTE 2006/039

dominato da gluoni

Prime misure (1→10 fb-1)( ) ( )2

1 2/ , ,tot backgpp

N Npp W Z X PDF x x Q Lσ

ε−

= → + × ×

10-4 < x < 0.1misura PDF

2 2VQ M∼

14 s TeV=

2.5y <

5


monitor luminosita’

*

*hep-

ph/0

4051

30 ,

hep-

ph/0

3122

66

(nessuno studio recente pubblicato)1 ln2

z

z

E pyE p

η+=

−∼( )1,2 expQx y

s= ±

Z

0 2 4 y-2-4-6 60

0.1

0.2

0.25

0.15

0.05

0.3

Distribuzioni e asimmetrie

+ -

W + -W -WA =W +W Z + -

ZA =W +W

errore ~ 4%

ZEUS-S + dati HERA

+ -

l + -l - lA =l + l

6


incertezza ~ 0

“spread” fra PDF

eliminato errore da PDF gluonidifferenze e rapporti di produzionedipendono dal set di PDF

incertezza su dσ/dy (lept) ~ 10-20%variabili leptoniche:

0 2 4 y-2-4-6 60

0.4

0.8

1.2

1.6

1.4

1.0

0.6

0.2

W+W-

0

0.4

0.8

1.2

1.6

1.4

1.0

0.6

0.2

0 2 4 y-2-4-6 6

incertezza su dσ/dy ~ 8% (y centrale) considerando tutti i set PDF

7


Risultati (~0.1 fb-1)Distribuzioni ricostruite: simulazione veloce rivelatore + tagli di analisi

ZEUS-SCTEQ6.1 MRST2001monitor luminosita’ con incertezza ~ 10-20%

PDF distinguibili con Al se sistematiche < 5%

δλg ridotto circa del 50%

~ errore con cui conosciamo PDF e ricostruiamo dσ/dy

grazie a “spread” PDF + cancellazione incertezze gluoni

(legato a PDF gluoni a basso x: xg(x)~xλg)

HERA-LHC Workshop proceedings (hep-ex/0509002)

stimato impatto dati di LHC su incertezze PDF:

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

e-

-2 0 2 y1-1

e+

0.080.070.060.050.040.030.020.01

0-2 0 2 y1-1

Ae

0.20

0.15

0.10

0.05

00 1 2 3 y-1-2-3

8


W-Boson Mass [GeV]

mW [GeV]80 80.2 80.4 80.6

χ2/DoF: 0.9 / 1

TEVATRON 80.452 ± 0.059

LEP2 80.388 ± 0.035

Average 80.404 ± 0.030

NuTeV 80.136 ± 0.084

LEP1/SLD 80.363 ± 0.032

LEP1/SLD/mt 80.363 ± 0.021

LHC: δMw ~ 15 MeV con 10 fb-1

12 sin 1W

F W

MG rπα

ϑ=

−Δ610F FG Gδ −∼710δα α −∼

per restringere limiti validita’ MS tramite fit EW globale

misura di Δr = correzioni EW NLO:

~ logMH, mt2

distinguere MS da MSSM

δmt ~ 2 GeVδMH/MH ~ 30%

δMw ~ 30 MeV

(oggi δMH/MH=50%)

4sin sin 10W Wδ ϑ ϑ −∼; ;

80.3

80.4

80.5

150 175 200

mH [GeV]114 300 1000

mt [GeV]

mW

[G

eV]

68% CL

Δα

LEP1 and SLD

LEP2 and Tevatron (prel.)

osservazione diretta:

Misura di MW

effetti di “fisica”

Metodo di misura

( )lT Tp p uν = − +

confronto distribuzione MTW osservata

precisione nella simulazione:

( )2 1 cosW lT T TM p pν ϕ= − Δ

effetti strumentali

smearing edge

con distribuzioni simulate per diverse MW

(risoluzione MET, pile-up, …)

(ΓW, pTW, recoil model, …)

9


200

400

600

800

1000

1200

2200

2000

1800

1600

1400

Red = MC truth

Black = MC full simAtlas MT

W

verita’ MCsimulaz. rivelatore

0 20 40 60 80 100 120 140 160 E (GeV)

Incertezze su MWerrore statistico ~ 2 MeV con 10 fb-1

sistematiche: estrapolate dai risultatidi CDF/D0

impatto su MW valutato con simulazione veloce rivelatore

scala E/p leptoni (0.02%)calibraz. in situ (Z→ee, E/p e+/- isolati)

risoluzione energia e+/-, impulso μ (1.5%)

< 10 MeVdati TB, simulazioni detector, misure in situ (Γ(Z→ll), E/p elettroni)

risposta detector al recoil system (PU, UE, adronisoffici) e modellizzazione

< 10 MeV pTrecoil generato → pT

recoil misurato in eventi di Z (con pT

Z = pTW)

spettro pTW < 10 MeV pT

W = pTZ,misurato * (pT

W / pTZ)theor

Γ(W) ~ 5 MeV

decadim. radiativi W→lνγ ~ 7 MeVmigliorare calcoli teorici e sfruttaregranularita’ ECAL

fondi ~ 5 MeV W→τν (1.3%), Z→ee (0%), Z→μμ (4%)

~ 15 MeV

W→eν (ATLAS)

10


ELE

CTR

OW

EA

K P

HY

SIC

S (h

ep-p

h/00

0327

5)

δMW

( )( )

( )( )

##

W

Z theormisurato LEP

W l BR W lZ ll BR Z ll

ν νσσ

→ →= ×

→ →

*

*

(ATL-PHYS-PUB-2006-007)

“spe

rimen

tali”

“teo

riche

”

strategie di controllo

(~ 4 MeV)

Metodi alternativi

( ) ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

T TW Z Z ZZ WT T

W W Z W

dσ M dσ M= R X M = MdM M dM M

( ) W Z

W Z

d dR XdX dXσ σ

=TV

VV

MXM

=

confrontare la distribuzione MTW con

+ rapporto riduce sistematiche sperimentali

- #(Z→ll) ~ 1/10 × #(W→lν)δMw stat. ~ 10 MeV (1y LL=10 fb-1)

δMW ~ 20 MeV

- sistematiche da estrapolazione scala + diversita’ Z e W

11


;

δp/p 0.2%

metodo per HL: distribuzione pTe (senza MET)

(PDF, spettro pTV, calcolo pT

l,2, accettanze tagli,…) ancora da considerare

( ),2 ,1l lT Tp p u= − +

( ),1 ,22 1 cosZ l lT T TM p p ϕ= − Δ

Conclusioni su MWdati Z→l+l- per controllo sistematiche:

• esperienza di Tevatron

• alta statistica

• dettagliati studi di simulazione e risposta (test beam) del rivelatore• complessita’ rivelatori → sistematiche sperimentalidifficili da controllare• necessari precisi calcoli teorici su decadimentiradiativi, spettri pT W e Z, …

campione di segnale W→lνcampione di controllo Z→llVantaggi LHC:

Difficolta’ LHC:

δMW ~ 15 MeV (10 fb-1)diversi metodi per controllo incrociato sistematiche

W→μν + W→eν ATLAS + CMS

risposta rivelatore piu’ prevedibile per l+l-

Z ben conosciuta dalle misure di LEP

12


Obiettivo dichiarato:

finche’ i rivelatori non saranno calibratinon si DOVRANNO fare misure di fisica

“riscoprire il MS” (MW, Mtop, PDF …)

per preparare il campo alla nuova fisica

FASE INIZIALE:

PASSO SUCCESSIVO:

Uso intensivo di W e Z

Back-up slides

ATLAS: event display

Calibrazione MU:Z μ μ+ −→1

ATL-MUON-99-001

η0 1 2-2 -10

1

2

3

4

5

energy loss (GeV

)


α(φ<0)=1.01 generatedα(φ≥0)=0.98 generated

Calibration:α(φ<0)=1.0103±0.0009α(φ≥0)=0.9816±0.0013



10000 eventi processati con DICE/ATRECONutilizzate soltanto informazioni di traccia dallo spettrometro a muoni

2‰1.0‰ (barrel)2.0 ‰ (|η|~2)

( )pp

δ Δ δαα

1‰0.5‰ (barrel)1.1 ‰ (|η|~2)

( )pp

δ Δ δαα


α(η<1.125)=0.995 generatedα(η≥1.125)=1.012 generated

Calibration:α(η<1.125)=0.9951±0.0024α(η≥1.125)=1.0122±0.0015


η0 1 2-2 -10

1

2

3

4

5

ener

gy lo

ss (G

eV)

0.3 fb-10.3 fb-1

Calibrazione ECAL: Z e e+ −→2


CMS NOTE 2006/039

L’algoritmo

1 1

11

n nk

j j kiteration k iteration k j

C cε= =

= =+∏ ∏

( ) 2

1 12

ik ij j

Z

M e eM

ε ω+ −⎡ ⎤⎛ ⎞

⎢ ⎥⎜ ⎟= − ⋅⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦

, ,i i ij j true e trueE Eω =

i = 1,…,N eventij = 1,…,M regioni ECAL

k = 1,…,n iterazioni

,

,

ij true

j ij misurata

EC

E= , ,

,

1i ij misurata j true j

j ij true j

E E CE C

ε− −

= =

, , 1i i ie misurata e true j j

j eleE E ε ω

∈

⎛ ⎞= ⋅ +⎜ ⎟

⎝ ⎠∑ ( )

1, 2

1 iZ j j

j ele eleM e e M ε ω+ −

∈

+ ∑∼

Calibrazione ECAL: Z e e+ −→Le differenti classi di elettroni

correzione f = f(Ncrys) × f(η)CMS NOTE 2006/040

Δφ supercluster – track E/pin(pin-pout)/pin

Variabili considerate:

3


Calibrazione ECAL:4


Z e e+ −→ATL-PHYS-PUB-2006-007

Confronto distribuzione MZ misurata condistribuzioni MZ simulate con

differenti scale di massa (α):differenti risposte ECAL (diverse forme funzionali per σ(E)/E)supposti perfettamente noti parametri fisici: ΓZ, MZ, …

per ogni coppia di energie dei due leptoni

METODO

( ) ( )true

M e e M e eα+ − + −= ⋅

( )E a E bEσ = +

( ) ( )expE a b E cα = − −

RISULTATI

Altri studi di calibrazione con W

calibrazione ECAL: scala E/p elettroni isolati (W→eν)confronto impulso misurato nel tracker con energia ECAL

allineamento tracciatori: tracce singole isolate (W→μν)

5


necessario tracciatore allineatoutilizzabile solo nella zona di accettanza del tracker

allineamento internoallineamento relativo tracker – spettrometro muoni

CMS NOTE 2006/016

CMS NOTE 2006/021

Incertezze sulle PDF6


5.2% 8.7% 3.6%

PDF: analisi e fondi7


elettrone|ηe| < 2.4pT

e > 25 GeVisolamento e

neutrino missing ET > 25 GeV

contro fondoQCD

NO jets con pT > 30 GeVpT

recoil < 20 GeV

eventi (43h LL)

Nbackg/Nsign

Luminosita’8


Quantita’ importante: lumi pp lumi partone-partone• calcolabile da eventi con produzione W, Z, Z*/γ*• utilizzabile in eventi a circa stesso Q2

es. multiple boson production (WW), …

• evoluzione a diverso Q2 (DGLAP equation) (maggiori incertezzeteoriche)

considerare rapporti fra xsec per eliminare sistematici sperimentali e luminosita’ assoluta

MW: efficienza di analisi9


leptone|ηl| < 2.4pT

l > 25 GeVisolamento

neutrino missing ET > 25 GeV

contro fondoQCD

NO jets con pT > 30 GeVpT

recoil < 20 GeV

25 %tagli di analisi e reiezione fondi

efficienza di ricostruzione leptone

efficienza di identificazione leptone 80 %

90 %

~ 20 %

MW: Tevatron VS LHC10


AFB(Z)11


( ) ( )( )

F-BFB

F+B

σ y,MA y,M =

σ y,M

Direzione Z ~ direzione q di valenza (x maggiore)

aumentando y

cresce x1/x2 i.e.

cresce AFB

cresce probabilita’ che q sia di valenza

( )1 0*

*0 1

coscosF B

d pp l ld

dσ

σ ϑϑ

+ −

±−

→⎡ ⎤= ±⎢ ⎥⎣ ⎦∫ ∫

sin2ϑW

12


( )( )2 2sin leptFB eff ZA b a Mϑ= − (b,a noti al NLO QED + QCD)

errori statistici con 100 fb-1 da 1 exp, 1 canale (simulazione veloce)

non accessibilinel canale μ+μ−

ρ = fattore direiezione jet

Risultato media mondiale:LHC:

sistematiche principali

( )2 2sin 0.23151 0.00017lepteff ZMϑ = ±

PDF (variano accettanze leptoni)accettanze e efficienze ricostr. lept. VS ηcorrezioni NNLO su a, bmisura M(ll) (AFB dipende da Q2 scattering)

13


TGC e accopp. anomaliInvarianza di Gauge e simmetrie C, P:

WWγ/Z 5 parametri:g1

Z, kγ, kZ

λγ,λZ

(=1 MS tree)

Sezione d’urto differenziali di eventi Wγ,WZ (ZZ,Zγ) testano TGC anomalo• M(WV), pT

V sensibili al comportamento ad alta energia

ZZγ/Z 12 parametri: h1,h2,h3,h4, f4,f5 (γ e Z)(tutti nulli nel MS i.e. NO TGC neutro)

W/Z

W/Z Z/γ

(=0 MS tree)

(L=30 fb-1)• ϑ(WV), ηV contenenti informazioni angolari

±0.069

±0.026

LEP

VV scattering14


Scattering VV->VV viola l’unitarieta’ ain assenza di Higgs

Per mH>2mV canale favorito di ricerca per l’Higgs

esperimento di conteggio per M(VV)>800 GeV

Fondi: V+n jets, VVjj, ttbarCombinazione diversi canali: qqqqll + qqqqlν + qqllll + qqlνlν + qqlllν (l = e, μ)

M(H) = 300 GeVM(H) = 500 GeVM(H) = 700 GeVNo Higgs

σ(VV->VW) VS M(V,W)

M(H)=300 GeVM(H)=500 GeVM(H)=700 GeV

No Higgs

M(V,W) = totale

M(V,W) > 1 TeV

significanza (S/√B) integrata (100 fb-1)

totale

M(H) ± 30%

3.22.21.5

3.62.82.5

0.3 2.3

qq → qqqqμνsimulazione veloce

1 2 s TeV−∼

qq → qqqqμνgenerator level

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