LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B

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LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B. Riccardo Ranieri INFN e Università di Firenze Commissione Scientifica Nazionale 1 Laboratori Nazionali di Frascati 11-12 Novembre 2003. ATLAS & CMS btW. Gli argomenti che tratterò: t σ tt , top singolo, m t W m W e fit elettrodebole b - PowerPoint PPT Presentation

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  • LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B Riccardo Ranieri

    INFN e Universit di FirenzeCommissione Scientifica Nazionale 1 Laboratori Nazionali di Frascati11-12 Novembre 2003

  • ATLAS & CMS btWGli argomenti che tratter:ttt, top singolo, mtWmW e fit elettrodebolebtrigger e canali di benchmark

  • Previsioni--

    processo(pb)Eventi/sEventi/ybb51081061013Zee1.5103~3107W (=e,)3104~60108WWeX610-2105tt830~1.7107H(700 GeV/c2)1210-3104

  • Perch studiare il quark top?Misura accurata di mtProduzione e decadimentiVincoli su mHEventi di top fondo dominante per ricerche di nuova fisica alla scala del TeVmt=174.33.24.0 GeV/c2 (CDF+D)uno dei parametri fondamentali del Modello Standard

  • Produzione di coppie ttLHC sar una top factory(pptt)NLO+NLL=833 pb per s=14 TeV (100xTeVatron)Bassa luminosit: 16M tt per anno10% qq / 90% gg

    Misura di tt e nuova fisica:risonanze pesanti >>> picco nello spettro tttH+b >>> deficit apparente in tt [SM: Br(tW+b)1]--R.Bonciani, S.Catani, M.L.Mangano, P.Nason, Nucl.Phys B529(1998) 424---

  • DecadimentiModello Standard: BR(tW+b)99.9%stato finale dipendente dai decadimenti del WDileptoniBR5% 0.8x106 ev/ynessun top ricostruitoleptoni isolati di alto pTLeptone singoloBR30% 5x106 ev/yun top ricostruitob-tag fondamentaleCompletamente adronicoBR45% 7x106 ev/yentrambi i top ricostruitifondo: multi-jet QCD

    Chart1

    0.2098765432

    0.1481481481

    0.1481481481

    0.012345679

    0.024691358

    0.012345679

    0.4444444444

    tt Decay Processes

    0.012345679+X0.2098765432

    t+m0.024691358+jets0.1481481481

    0.024691358e+jets0.1481481481

    0.1481481481e+e0.012345679

    +jets0.1481481481e+0.024691358

    e+jets0.1481481481+0.012345679

    e+e0.012345679jets0.4444444444

    0.024691358

    0.012345679

    jets0.4444444444

    tt Decay Processes

  • Ricerca di risonanzeMolti modelli teorici prevedono lesistenza di risonanze che decadono ttSM Higgs (ma BR sfavorevole rispetto a decadimaneti WW e ZZ)MSSM Higgs (H/A, se mH,mA>2mt, BR(H/Att)1 per tan1)modelli Technicolor, strong ElectroWeak Symmetry Breaking, Topcolor, produzione di coloroni, []Studio di risonanza noti , e BR(tt)canale semileptoniconeutrino da EtmissETmiss=Etn;mn=mW|pzn|molti jet (tra 4 e 10)Efficienza di ricostruzione20% mtt=400 GeV/c215% mtt=2 TeV/c2---

  • Produzione di top singoloDeterminazione diretta del vertice tWb(=Vtb) predetta dal Modello Standard (tranne laccoppiamento)Discriminanti per la misura della dei 3 segnali:molteplicit dei jet (pi elevata per Wt)pi di un b-jet (aumenta segnale W* rispetto a Wg)distribuzione della massa invariante jet-jet (mjjmW per Wt e non per gli altri)Wg Fusion 24527 pbS.Willenbrock et al., Phys.Rev.D56, 5919 W* 10.20.7 pbM.Smith et al., Phys.Rev.D54, 66962-22-3

  • Analisi top singoloFondi principali [xBR(Wn), =e,]:tt=833 pb [246 pb]Wbb=300 pb [66.7 pb]Wjj=18x103 pb [4x103 pb]Trigger di L1: leptone singolo pT>20 GeV/cCapacit di estrarre il segnale dal fondo dipende da:rate di leptoni fake (utilizzo dei sistemi di tracciatura)b-tag (b=60%, c=10%, uds=1% a bassa luminosit)ricostruzione e veto di jet di bassa energia (2,3 jet ET>30 GeV)identificazione jet in avanti (quark spettatore q in Wg)Studio dei 3 processi separatamenteW pesante aumento in canale-s di W*: (W*) (W*)/(Wg)FCNC gut diversa distribuzione angolare: (W*)/(Wg)Wg(2-2 + 2-3)[54.2 pb]Wt [17.8 pb]W*[2.2 pb]

  • Risultati top singoloRisultati per L=30 fb-1CDF: 14 pb (18 pb canale-s 13 pb canale-t)D0: 17 pb canale-s e 22 pb canale-tSM: SM=2.430.32 pbATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)--* PDF+(scale)+mt

    ProcessoSegnale(x1000)Fondo(x1000)S/BS/BWg2718.71.6 [Wjj]3.1289Wt6.80.330.50.7 [tt]0.22 39W*1.110.042.40.3 [50%tt]0.46 23

    ProcessoVtb(stat.)Vtb(th.)*Wg0.36%6%Wt1.4%W*2.7%5%

  • Massa del quark topLa ricostruzione inizia con mWricostruzione neutrinoETn=ETmissmn=mWcombinatorio con coppie di jetmjj=mWMetodi statistici per determinare mtmjjb= mnb=mttriggerricostruzioneFondo: 20 GeV/cETmiss>20 GeV4 jet con ET>40 GeV>1 b-jet (b40%, uds10-3, c10-2)ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)

  • Ricostruzione di mtSimulazione veloce e completa sono in accordocontrollo su 60 000 eventi(mt)full=13.4 GeV/c2(mt)fast=11.9 GeV/c2lineare in mtindipendente da top pT(fast sim)mWmtj1j2b-jetda evitareATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)mtstat=0.10 GeV/c2

  • Errori su mtcalibrazione in energia dei jetobiettivo: 1% per jet leggeri e 5% per b-jet (da Wjj dellevento e Z()+j: difficile da raggiungere)funzione di frammentazione del quark bvariazione del parametro di Peterson b=-0.0060(+0.0025)radiazione di stato iniziale e finale (ISR e FSR)incertezza del 10% (da as)conoscenza del fondoa LHC la statistica non mancherErrori per esperimento

    mtErrore[GeV/c2]statistico0.10scala E jet leggeri0.20scala E b-jet0.60ISR/FSR1.5 ?frammentazione quark b0.25fondo0.15conoscenza PDFnegl.Totale

  • Metodi alternativiEventi tt ad alto pTseparazione in due emisferimaggiore sovrapposizione tra i jetCanale leptonico [2x(Wn), =e,]due leptoni carichi (ma anche due neutrini)molto dipendente dalla descrizione del Monte CarloSezione durto ttaltissima statistica, sistematiche differentilimitata da incertezza su PDF (10%mt=4 GeV/c2)La sfida: decadimenti b esclusivi con prodotti massivi (es.: J/y)correlazione con mt e poco fondoBR(ttqqbn+J/y)=5x10-5: alta luminosit--Dalla combinazione si potr raggiungere mt=1 GeV/c2 ?

  • Riassunto mtMolte sistematiche correlate tra ATLAS e CMS e anche tra analisi differentila combinazione non porta grandi beneficima errore su mt di 1 GeV/c2 dovrebbe essere raggiuntoErrori per esperimento (in GeV/c2)10 fb-1, bassa lumi100 fb-1, alta lumi

    qqbblqqbbl(alto pT)bbllttqqbbl(+J/)Statistico0.100.250.90?

  • Il fit elettrodeboleMisure precise =test di validit del Modello Standardinformazioni sul parametro mancante mH (correzioni radiative)Esempio: mW=mW(mt2, log(mH))t mt2H ln(mH/mW)

  • Dove siamoLe incertezze su mt e mW dominano il fit elettrodeboleOgni osservabile pu essere calcolato in funzione di:had, s(mZ), mZ, mt, mH

    Prospettive TeVatron RunIImt2.5 GeV/c2 mW25 MeV/c2mH/mH35%

    Attuali input:mt=174.3 5.1(exp) GeV/c2mW=80.426 0.035(exp) GeV/c2mZ=91.1875 0.0021(exp) GeV/c2Z=2.4952 0.0023(exp) GeVmH

  • Massa del WSezione durto WW troppo bassaW singola: non possibile determinare direttamente mWc il neutrino ma anche molta statistica!massa trasversa: mTW=[2pTpTn(1-cos)]ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)Efficienza di selezione: ~20% conleptone isolato pT>25 GeV/cETmiss>25 GeVNo jet con ET>30 GeVRecoil |u|
  • Errori su mWSistematici dovuti alla teoriapTW: 5 MeV/c2pTZ da Z e si usa pTW/pTZ per modellare il Monte Carlo (accordo tra pTW e pTZ al 10% per pTW,Z
  • Conseguenze (da mt e mW)Se il fit elettrodebole viene ripetuto cambiando gli errori su mt e mWmW=15 MeV/c2mt=1 GeV/c2valori centrali attuali(mH/mH 25%)

  • Fisica del B a LHCProgramma Decadimenti rariviolazione di CPmixing B0Produzione di b a LHCluminosit: 2x1033 cm-2s-1 ( 1034 cm-2s-1)s = 0.5 mb O(105-106) bb/sO(100) ev/s su nastro per tutti i canali di fisica interessanti La strategia di trigger fondamentaleTrigger muoni: solamente ~5 Hz b/c (1 Hz107 ev/y a bassa luminosit)Non abbastanza per decadimenti con Br
  • TriggerLe soglie del Trigger di L1 sono ottimizzate per la fisica di scoperta selezione di processi ad alto pT b-jet selezionati con il trigger di muoni (1 o 2)Riduzione del DAQ allinizio di LHC (problemi di budget)* scenario pi severo possibile

  • L1 Trigger Bassa LuminositATLASCMS* scenario pi severo possibile

    SelectionThreshold[GeV or GeV/c]Expected Rate[kHz]MU20200.82MU66,60.2EM25i3012.02EM15i204.0J2002900.23J901300.24J65900.2J60 + xE60100 + 1000.4TAU25 + xE3060 + 602.0MU10 + EM15I10 + 150.1Others (pre-scales,calibration,)5.0Total~25*

    SelectionThreshold[GeV or GeV/c]Expected Rate[kHz]Inclusive e/293.3ee/171.3Inclusive 142.730.9Single t jet862.2Two t jet591.01 jet1771.03,4 jets86,702.01 jet + ETmiss88 + 462.3e + jet21 + 450.8Minimum Bias (calibration)0.9Total16.0

  • L1 Trigger Alta LuminositATLASCMS

    SelectionThreshold[GeV or GeV/c]Expected Rate[kHz]MU20204.02MU66,61.0EM25i3022.02EM15i205.0J2002900.23J901300.24J65900.2J60 + xE60100 + 1000.5TAU25 + xE3060 + 601.0MU10 + EM15I10 + 150.4Others (pre-scales,calibration,)5.0Total~40

    SelectionThreshold[GeV or GeV/c]Expected Rate[kHz]Inclusive e/g346.5ee/gg193.3Inclusive 206.251.7Single t jet1015.3Two t jet673.61 jet2501.03,4 jets110,952.01 jet + ETmiss113 + 704.5e + jet25 + 521.3 + jet15 + 400.8Minimum Bias (calibration) 1.0Total33.5

  • L1 Trigger (muoni)Low Lumi h < 2.116 kHz DAQ 3.6 kHz for m, mm14 ; 3,3 2.7+0.9=3.6 kHz eW=90% eZ =99% eBsmm=15%ATLASsingolo : pT>20 GeV/c0.8 kHz2: pT>6,6 GeV/c0.2 kHz allo studio la possibilit di scendere fino a 3-4 GeV/c(totale L1: 25 kHz, fattore di sicurezza non incluso)

    CMSsingolo : pT>14 GeV/c2.7 kHz2: pT>3,3 GeV/c0.9 kHz(totale L1: 50 kHz fattore di sicurezza 1/3)CMS

  • High-Level TriggerATLASCMS

    SelectionThreshold[GeV or GeV/c]Expected Rate[Hz]Electrone25i,2e15i25;(15,15)~40Photon60gi,2g20i60;(20,20)~40Muon20i,21020;(10,10)~40Jetsj400,3j165,4j110400,165,110~25Jets + Etmissj70 + xE7070 + 70~20t + Etmisst35 + xE4535 + 45~5b-physics26 with mB/mJ/6,6,b-mass~10others (pre-scales,calibration,)~20Total~200

    SelectionThreshold[GeV or GeV/c]Expected Rate[Hz]Inclusive e2933ee17,171Inclusive g804gg40,255Inclusive 19257,74Inclusive t j