L’EREDITA’ DI LEP

G. Passaleva

Giornata di studio in onore di Anna CartacciFirenze, 3 Luglio 2002

QCDQCD Heavy flavoursHeavy flavours

HiggsHiggs

Nuove particelleNuove particelle

Fisica γγFisica γγ

Fisica del τFisica del τ

Fisca adronicaFisca adronica

Oltre 2000 pubblicazioni su...Oltre 2000 pubblicazioni su...

ElectroweakElectroweak

LEP1989 Primo run

1989-1995 Fisica alla Z(misure di precisione)

1996-1999 Fisica del W(misure di precisione)

2000 L’anno dell’ Higgs(la scoperta ?)

Nov 2000Fine dell’era LEP

Circonferenza: 27 kmEnergy range: 20 – 104.5 GeV

Luminosità ed energia

20001999

1998

Il 70% della luminosità totale è a √s > 94 GeV

Tra le tante cose successe in 10 anni di LEP...

All’ inizio del run del 1996 non si riusciva a far circolare il fascio per più di 15 minuti. Dopo lunghe investigzioni....

QL10.L1Single Turn Stopper positrons

... Questa è di sicuro la più strana...!

Una bottiglia di birra !

I 4 esperimenti

L3

I rivelatori di vertice al Si

~30 cm

L3 VertexDetector

Importante innovazione; essenziali a LEP I e II nella ricerca dell’Higgs

2 layersingle-sided

0.53m2

2 layerdouble-sided

0.52m2

3 layerdouble/single1.37m2

2 layerdouble-sided

0.96m2

Vertexdetector

OPALL3DELPHIALEPH

Atlas : 60 m2

CMS : 210 m2

LEP I: misure di precisione alla Z

15.5x106 Z → qq + 1.7x106 Z → ll (200pb-1/esperimento)

Input sperimentali: sezioni d’urto e asimmetrie

Si fittano 9 grandezze fondamentali:• Massa (MZ)• Larghezza totale (ΓZ)• Sezione d’urto adronica (σh

0)• Larghezza adronica/larghezza

leptonica (Rl=Γh/Γl)• Forward-backward asymmetry (Al

FB)

•Test dell’universalità leptonica.•Fit agli accoppiamenti gA, gV•Fit di grandezze derivate (ad es. mW,mt) includendo altre grandezze come polarizzazione del tau, risultati sugli heavy flavour, misure ad altri acceleratori.

LEP I: MZ e ΓZ

91187.5 ± 2.12495.2 ± 2.3

MZ

Misura dell’energia dei fasci

δMZ ~ 0.50 δ(Epeak+2+Epeak-2)δΓZ ~ 0.71 δ(Epeak+2- Epeak-2)

Strategia: •resonant depolarization (δEbeam~200keV)•interpolazione (NMR/.., flux loop, …), per correggere effetti sistematici come:

– temperatura,…– maree & effetti idrogeologici– effetti...imprevedibili come...

Scala assoluta di energia e incertezza punto a punto ⇒ errore sistematico su MZe ΓZ

δE O(MeV)δE point-to-point ~ 50MeVδMZ

LEP ~ 1.7MeV

...il passaggio del TGV...

Universalità leptonica

τ polarizationAτ 0.1439 ± 0.0043Ae 0.1498 ± 0.0049

Correnti neutre

Line-shape + asimmetrie FB

Re 20.804 0.050

Rµ 20.785 0.033

Rτ 20.764 0.045

AFB0,e 0.0145 0.0025

AFB0,µ 0.0169 0.0013

AFB0,τ 0.0188 0.0017

Correnti cariche

Decadimenti del W (LEP 2)BR(W→µν)/ BR(W→eν) 1.000 ± 0.021BR(W→τν)/ BR(W→eν) 1.052 ± 0.029BR(W→τν)/ BR(W→µν) 1.052 ± 0.028

Fit al modello standardgAµ/gAe 1.0001 ± 0.0014gAτ/gAe 1.0018 ± 0.0015gVµ/gVe 0.995 ± 0.096gVτ/gVe 0.972 ± 0.041

Decadimenti del τgµ/ge 1.0015 ± 0.0025 (Bµ/Be)gτ/gµ 1.0001 ± 0.0026 (ττ,mτ,Be)gτ/gµ 1.0061 ± 0.0062 (τ → hντ)

Universalità leptonicagAl = -0.50126 ± 0.00026

gVl = -0.03736 ± 0.00066Afb

0,l = 0.0171 ± 0.0010

Rl0 = 20.767 ± 0.025

LEP I: quantità derivate

499.0 ± 1.5 MeVΓinv

83.984 ± 0.086 MeVΓlept

1744.4 ± 2.0 MeVΓhad

Nν

2.997 ±0.082 Nν (ν counting)

-2.7 +1.7-1.5 MeV< 2.0MeV @ 95%CL ∆Γinv

2.9841 ± 0.0083Nν

EW heavy flavours: Rb

Rb = 0.21646 ± 0.00065Rc = 0.1719 ± 0.0031

Rb

Nel 1995 si osservò una deviazione significativa di Rb dallo SM. In seguito ad analisi più accurate e raffinate tutto è “rientrato nei ranghi”.

EW heavy flavours: AFBb

Ab(LEP only) = 0.891 ± 0.022Ab(SLD) = 0.921 ± 0.020Ab(LEP+SLD) = 0.899 ± 0.013

(0.935 SM)

Notare che è l’unica grandezza che sembra preferire una massa dell’Higgs alta

EW heavy flavours: couplingsDalle misure precedenti si possono estrarre gli accoppiamenti gAb, gVb(o gRb e gLb). L’accordo con lo SM è marginale (~3 σ)

-0.35

-0.33

-0.31

-0.29

-0.54 -0.52 -0.50 -0.48

gAb

g Vb

Preliminary

68.3 95.5 99.5 % CL

SM

-0.12

-0.11

-0.10

-0.09

-0.08

-0.07

-0.45 -0.44 -0.43 -0.42 -0.41 -0.40

gLb

g Rb

Preliminary

68.3 95.5 99.5 % CL

SM

sin2θefflept from asymmetries

Leptoni : 0.23113 ± 0.00021

differenza di 3.3σ

Adroni : 0.23230± 0.00029

media : 0.23152± 0.00017

P(χ2) = 2.5%

LEP II

We+e- → ffe+e- → ffffHiggsSUSYHeavy flavour...

Fisica del W: σW, mW

Misura di mW da σW alla soglia Vertice ZWW !!!

EWWG (1996)

Fisica del W: mW

MW: ricostruzione diretta

Attenzione: possibile bias sulla massa dovuto a interazioni tra gli stati finali in qqqq (Bose-Einstein, colour reconnection)Stima: ∆M(4q-qqlν) = 9±44MeV

Fisica del W: mW

80.450 ± 0.039

mW

pp LEP

Moriond ‘02

Fisica del W: ΓW

2.15 ± 0.09

Consistenza interna dello SM

Measurement Pull (Omeas−Ofit)/σmeas

-3 -2 -1 0 1 2 3

-3 -2 -1 0 1 2 3

∆αhad(mZ)∆α(5) 0.02761 ± 0.00036 -.27

mZ [GeV]mZ [GeV] 91.1875 ± 0.0021 .01

ΓZ [GeV]ΓZ [GeV] 2.4952 ± 0.0023 -.42

σhad [nb]σ0 41.540 ± 0.037 1.63

RlRl 20.767 ± 0.025 1.05

AfbA0,l 0.01714 ± 0.00095 .70

Al(Pτ)Al(Pτ) 0.1465 ± 0.0033 -.53

RbRb 0.21646 ± 0.00065 1.06

RcRc 0.1719 ± 0.0031 -.11

AfbA0,b 0.0994 ± 0.0017 -2.64

AfbA0,c 0.0707 ± 0.0034 -1.05

AbAb 0.922 ± 0.020 -.64

AcAc 0.670 ± 0.026 .06

Al(SLD)Al(SLD) 0.1513 ± 0.0021 1.50

sin2θeffsin2θlept(Qfb) 0.2324 ± 0.0012 .86

mW [GeV]mW [GeV] 80.451 ± 0.033 1.73

ΓW [GeV]ΓW [GeV] 2.134 ± 0.069 .59

mt [GeV]mt [GeV] 174.3 ± 5.1 -.08

sin2θW(νN)sin2θW(νN) 0.2277 ± 0.0016 3.00

QW(Cs)QW(Cs) -72.39 ± 0.59 .84

Winter 2002

χ2/dof = 28.8/15

P(χ2) = 1.7%

Introdotta per la prima volta

Nuove misure

Fit globali allo SM

85+54-34121+166

-65100+64-4182+109

-41mH[GeV]

80.394 ± 0.01880.411 ± 0.02380.379 ± 0.02380.372 ± 0.033mW[GeV]

174.7 +4.5-4.3181+11

-9173.6+4.7-4.6171+11

-9mt [GeV]

Tutti i dati(mH)

LEP+SLD+mW+ΓW

(misura indiretta mt)

LEP I+SLD+mt(misura indiretta mW)

LEP I + SLD

Fit globali allo SM: mW e mt

80.2

80.3

80.4

80.5

80.6

130 150 170 190 210

mH [GeV]114 300 1000

mt [GeV]

mW

[G

eV]

Preliminary

68% CL

∆α

LEP1, SLD Data

LEP2, pp− Data

171+11-980.372 ±0.033fit

174.3 ±5.180.451 ±0.033mis.

Mt [GeV]mW [GeV]

Fit globali allo SM: mW

80.3

80.4

80.5

10 102

103

mH [GeV]

mW

[G

eV]

Excluded Preliminary

All except mW

68% CL

mW (LEP2, pp−)

80.379 ±0.023fit

80.451 ±0.033mis.

mW

Fit globali allo SM: mt

Mt [GeV]

CDF: evidence for …

LEP140

160

180

200

10 102

103

mH [GeV]

mt

[GeV

]

Excluded Preliminary

All except mt

68% CL

mt (TEVATRON)

Observation of …

Fit globali allo SM: mH

0

2

4

6

10020 400

mH [GeV]

∆χ2

Excluded Preliminary

∆αhad =∆α(5)

0.02761±0.00036

0.02747±0.00012

theory uncertaintymH =85+54

-34

mH <196 GeV, 95% C.L.

∆αhad(5) =0.02747 ± 0.00012

(hep-ph/0107318)

mH=98+53-36

mH <199 GeV, 95% C.L.

Higgs: ricerca diretta

-10

-5

0

5

10

15

20

25

100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120

mH(GeV/c2)

-2 ln

(Q)

ObservedExpected backgroundExpected signal + backgroundTest signal + background

LEP

Minimo a mh=115.6 GeV(dominato da ALEPH)

@115.6 GeV significatività=2.1σ

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

1

100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120

mH(GeV/c2)

1-C

Lb

3σ

2σ

4σ

LEP

ObservedExpected for signal+backgroundExpected for background

@115.6 GeV 1- CLb=3.4%1-CLs+b=44%

Mh>114.1 95% CL

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

-15 -10 -5 0 5 10 15

-2 ln(Q)

Pro

babi

lity

den

sity Observed

Expected for backgroundExpected for signal (mH=115.6 GeV/c2)+ background

LEP

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

1

100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120

mH(GeV/c2)

CL

s

114.1 115.4

LEP

ObservedExpected forbackground

La fortuna è cieca ma la sfortuna...

Conclusioni: l’eredità di LEP (per i pessimisti)

bob

ingrid

Conclusioni: l’eredità di LEP (per gli ottimisti)

•Una mole enorme di dati e di misure di grande precisione•Un nuovo metodo di lavoro:

- definizioni standard delle osservabili (fisici teorici !)- definizione standard delle grandezze misurate- studio accurato degli errori statistici e sistematici- tabulazione completa di tutti i dati necessari per

successivi studi teorici

•Qualche interessante discrepanza (~3σ) tra SM e dati•Un indizio dell’ Higgs dietro l’angolo ?

•Per noi fiorentini: un enorme bagaglio di esperienza !