LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B

LHC: Fisica Elettrodebole e LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B Fisica del B

Riccardo Ranieri

INFN e Università di Firenze

Commissione Scientifica Nazionale 1 Commissione Scientifica Nazionale 1 Laboratori Nazionali di FrascatiLaboratori Nazionali di Frascati

11-12 Novembre 200311-12 Novembre 2003

Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003

LHC: Fisica EW e Fisica del B

Riccardo Ranieri 2

ATLAS & CMS btWATLAS & CMS btW

Gli argomenti che tratterò: t

– σtt, top singolo, mt

W– mW e fit elettrodebole

b– trigger e canali di benchmark



Riccardo Ranieri 3

PrevisioniPrevisioni

LHC

TeVatron1034

2x1033

<1032

Luminosità[cm-2s-1]

100

20

0.3

∫L[fb-1/y]

14 LHC (alta luminosità)

14 LHC (bassa luminosità)

2 TeVatron

√s[TeV]

processoprocesso (pb)(pb) Eventi/sEventi/s Eventi/yEventi/y

bbbb 55101088 101066 10101313

ZZeeee 1.51.5110033

~3~3 101077

WWℓℓℓ=e,μℓ=e,μ

33101044 ~60~60 101088

WWWWeeXX 66 1010-2-2 101055

tttt 830830 ~1.7~1.7 101077

HH(700 GeV/c(700 GeV/c22)) 11 221010-3-3 101044

--

--



Riccardo Ranieri 4

Perché studiare il quark Perché studiare il quark top?top?

– Misura accurata di mt

– Produzione e decadimenti

– Vincoli su mH

– Eventi di top fondo dominante per ricerche di nuova fisica alla scala del TeV

mt=174.3±3.2±4.0 GeV/c2 (CDF+DØ)uno dei parametri fondamentali del Modello Standard

e

DØ



Riccardo Ranieri 5

• LHC sarà una “top factory”– σ(pp→tt)NLO+∑NLL=833 pb per √s=14 TeV

(100xTeVatron)– Bassa luminosità: 16M tt per anno– 10% qq’ / 90% gg

– Misura di σtt e nuova fisica: risonanze pesanti >>> picco nello spettro tt t→H+b >>> deficit apparente in σtt [SM: Br(t→W+b)≈1]

Produzione di coppie ttProduzione di coppie tt--

- R.Bonciani, S.Catani, M.L.Mangano, P.Nason, Nucl.Phys B529(1998) 424

-

-

-



Riccardo Ranieri 6

DecadimentiDecadimenti• Modello Standard: BR(t→W+b)≈99.9%

stato finale dipendente dai decadimenti del W

g,qW-

b

W+

bg,q

lb

lb

jj

b

lb

jj

lb

b

jj

b

b

jj

W Decay Mode

g

t

t

(3)(2)(1)

1. Dileptoni BR≈5% 0.8x106 ev/y nessun top ricostruito leptoni isolati di alto pT

2. Leptone singolo BR≈30% 5x106 ev/y un top ricostruito b-tag fondamentale

3. Completamente adronico BR≈45% 7x106 ev/y entrambi i top

ricostruiti fondo: multi-jet QCD



Riccardo Ranieri 7

Ricerca di risonanzeRicerca di risonanze

-

-

-

xBR richiesto per la scoperta

mtt [GeV/c2]

σxB

R [

fb]

30 fb-1

300 fb-1

1 TeV/c2

830 fb

– Molti modelli teorici prevedono l’esistenza di risonanze che decadono tt SM Higgs (ma BR sfavorevole rispetto a decadimaneti WW e

ZZ) MSSM Higgs (H/A, se mH,mA>2mt, BR(H/A→tt)≈1 per tanβ≈1)

modelli Technicolor, strong ElectroWeak Symmetry Breaking, Topcolor, produzione di “coloroni”, […]

– Studio di risonanza Χ noti σΧ, ΓΧ e BR(Χ→tt) canale semileptonico neutrino da Et

miss

– ETmiss=Et

;mℓ=mW|pz|

molti jet (tra 4 e 10) Efficienza di

ricostruzione– 20% mtt=400 GeV/c2

– 15% mtt=2 TeV/c2



Riccardo Ranieri 8

Produzione di top singoloProduzione di top singolo

– Determinazione diretta del vertice tWb(=Vtb) σ predetta dal Modello Standard (tranne

l’accoppiamento)

– Discriminanti per la misura della σ dei 3 segnali: molteplicità dei jet (più elevata per Wt) più di un b-jet (aumenta segnale W* rispetto a Wg) distribuzione della massa invariante jet-jet (mjj≈mW

per Wt e non per gli altri)

Wg Fusion 245±27 pbS.Willenbrock et al., Phys.Rev.D56, 5919

W* 10.2±0.7 pbM.Smith et al., Phys.Rev.D54, 6696

Wt 62.2 pbA.Belyaev, E.Boos, Phys.Rev.D63, 034012

-3. 7

+16.6

2-2 2-3



Riccardo Ranieri 9

Analisi top singoloAnalisi top singolo– Fondi principali [σxBR(W→ℓ), ℓ=e,μ]:

tt σ=833 pb [246 pb] Wbb σ=300 pb [66.7 pb] Wjj σ=18x103 pb [4x103 pb]

– Trigger di L1: leptone singolo pT>20 GeV/c

– Capacità di estrarre il segnale dal fondo dipende da: rate di leptoni “fake” (utilizzo dei sistemi di tracciatura) b-tag (εb=60%, εc=10%, εuds=1% a bassa luminosità)

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 separatamente W’ pesante aumento in canale-s di W*: σ(W*)

σ(W*)/σ(Wg) FCNC gu→t diversa distribuzione angolare: σ(W*)/σ(Wg)

--

Wg(2-2 + 2-3)[54.2 pb]Wt [17.8 pb]W* [2.2 pb]



Riccardo Ranieri 10

Risultati top singoloRisultati top singolo

• Risultati per ∫L=30 fb-1

Processo Segnale(x1000)

Fondo(x1000)

S/B S/√B

Wg 27±1 8.7±1.6 [Wjj] 3.1 289

Wt 6.8±0.3 30.5±0.7 [tt] 0.22 39

W* 1.11±0.04

2.4±0.3 [50%tt] 0.46 23

Processo δVtb(stat.)

δVtb(th.)*

Wg 0.36% 6%

Wt 1.4% ”

W* 2.7% 5%

CDF: 14 pb (18 pb canale-s 13 pb canale-t)

D0: 17 pb canale-s e 22 pb canale-t

SM: σSM=2.43±0.32 pb

ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)

-

-

* PDF+μ(scale)+δmt



Riccardo Ranieri 11

Massa del quark topMassa del quark top

– La ricostruzione inizia con mW

“ricostruzione” neutrino– ET

=ETmiss

– mℓ=mW

combinatorio con coppie di jet

– mjj=mW

– Metodi statistici per determinare mt

mjjb= mℓb=mt

triggerricostruzione

Fondo:Fondo: <2% <2%

WW/Z/Z+jet+jet, WW/ZZ/WZ, WW/ZZ/WZ

BR≈30%

Efficienza di selezione: Efficienza di selezione: ~5-10%~5-10%::

•leptone isolato pleptone isolato pTT>20 GeV/c>20 GeV/c

•EETTmissmiss>20 GeV>20 GeV

•4 jet con E4 jet con ETT>40 GeV>40 GeV

•>1 b-jet (>1 b-jet (bb40%, 40%, udsuds1010-3-3, ,

cc1010-2-2))




Riccardo Ranieri 12

Ricostruzione di mRicostruzione di mtt

Simulazione veloce e completa sono in accordo

– controllo su 60 000 eventi

» σ(mt)full=13.4 GeV/c2

» σ(mt)fast=11.9 GeV/c2

lineare in mt

indipendente da top pT

(fast sim)

mmWW

mmtt

j1

j2

b-jet

da evitare…da evitare…


δmδmttstatstat=0.10 =0.10

GeV/cGeV/c22



Riccardo Ranieri 13

Errori su mErrori su mtt

calibrazione in energia dei jet– obiettivo: 1% per jet leggeri e 5%

per b-jet (da W→jj dell’evento e Z(→μμ)+j: difficile da raggiungere…)

funzione di frammentazione del quark b

– variazione del parametro di Peterson εb=-0.0060(+0.0025)

radiazione di stato iniziale e finale (ISR e FSR)

– incertezza del 10% (da s)

conoscenza del fondo– a LHC la statistica non

mancherà…

δmδmttErroreErrore

[GeV/c[GeV/c22]]

statisticostatistico 0.100.10

scala E jet leggeriscala E jet leggeri 0.200.20

scala E b-jetscala E b-jet 0.600.60

ISR/FSRISR/FSR 1.5 ?1.5 ?

frammentazione quark frammentazione quark bb

0.250.25

fondofondo 0.150.15

conoscenza PDFconoscenza PDF negl.negl.

TotaleTotale <2.0 ?<2.0 ?

Errori per esperimento



Riccardo Ranieri 14

Metodi alternativiMetodi alternativi

– Eventi tt ad alto pT

separazione in due emisferi maggiore sovrapposizione tra i jet

– Canale leptonico [2x(W→ℓ), ℓ=e,μ] due leptoni carichi (ma anche due neutrini) molto dipendente dalla descrizione del Monte Carlo

– Sezione d’urto σtt

altissima statistica, sistematiche differenti limitata da incertezza su PDF (10%δmt=4 GeV/c2)

– La sfida: decadimenti b esclusivi con prodotti massivi (es.: J/) correlazione con mt e poco fondo

BR(tt→qqbℓ+J/→ℓℓ)=5x10-5: alta luminosità

-

-

Dalla combinazione Dalla combinazione si potrà raggiungere si potrà raggiungere δmδmtt=1 GeV/c=1 GeV/c22 ? ?



Riccardo Ranieri 16

– Misure precise = test di validità del Modello Standard informazioni sul parametro mancante mH (correzioni

radiative)

Esempio: mEsempio: mWW=m=mWW((mmtt22, ,

log(mlog(mHH))))

t t m mtt22 H H ln(m ln(mHH/m/mWW))

Il fit elettrodeboleIl fit elettrodebole

SM(17 parametri)

mfermioni (9)

mbosoni (2)

VCKM (4)GF (1)

mH

predictions

da decadimenti n,

[per ora niente]

da misure dirette

decadimenti dei mesoni

(fino a 0.1%)



Riccardo Ranieri 17

direct

indirect

EXCLU

DED

Dove siamo…Dove siamo…• Le incertezze su mmtt e mmWW

dominano il fit elettrodebole– Ogni “osservabile” può essere

calcolato in funzione di:ΔΔhadhad, , ss(m(mZZ), m), mZZ, m, mtt, , mmHH

– Prospettive TeVatron RunIImmtt2.5 GeV/c2.5 GeV/c22 mmWW25 25

MeV/cMeV/c22mmHH/m/mHH35%35%

Attuali input:Attuali input:mmtt=174.3 ±5.1(exp) GeV/c=174.3 ±5.1(exp) GeV/c22

mmWW=80.426 ±0.035(exp) =80.426 ±0.035(exp) GeV/cGeV/c22

mmZZ=91.1875 ±0.0021(exp) =91.1875 ±0.0021(exp) GeV/cGeV/c22

ZZ=2.4952 ±0.0023(exp) GeV=2.4952 ±0.0023(exp) GeV

mmHH<211 GeV/c<211 GeV/c22 @ 95% CL @ 95% CL

35% shift in m35% shift in mH H per shift di 5 GeV/cper shift di 5 GeV/c22 (1 (1) in m) in mtt!!

((mmHH/m/mH H 53%)53%)mH=91 GeV/c2-37+5

8

Per avere simile impatto su mH: ΔmΔmWW≈0.7x10≈0.7x10--

22ΔmΔmtt



Riccardo Ranieri 18

regione di fit

Massa del WMassa del W– Sezione d’urto WW troppo bassa– W singola: non è possibile

determinare direttamente mW

c’è il neutrino… ma anche molta statistica!

massa trasversa: mmTTWW=[2p=[2pTT

ℓℓ∙p∙pTT∙(1-∙(1-

cosΔφ)]cosΔφ)]½½


Efficienza di selezione: Efficienza di selezione: ~20%~20% con con

•leptone isolato pleptone isolato pTT>25 >25 GeV/cGeV/c•EETT

missmiss>25 GeV>25 GeV•No jet con ENo jet con ETT>30 GeV>30 GeV•Recoil |u|<20 GeV/cRecoil |u|<20 GeV/c60 milioni di W/10 fb60 milioni di W/10 fb-1-1!!

(50xTeVatron RunII) (50xTeVatron RunII)

δmδmWWstatstat=2 MeV/c=2 MeV/c2 2 con 10 fbcon 10 fb--

11

upp

T

l

T

(missing p(missing pTT))

e

Wbeam line

u



Riccardo Ranieri 19

Errori su mErrori su mWW Sistematici dovuti alla teoria

– pTW: 5 MeV/c2

» pTZ da Z→ℓℓ e si usa pT

W/pTZ per

modellare il Monte Carlo (accordo tra pT

W e pTZ al 10% per pT

W,Z<20 GeV/c)

– PDF: 10 MeV/c2

» vincolate dai dati di W e Z?

– ΓW: 10 MeV/c2

» da R a BR(W→ℓ) [SM, fattore limitante è σW/σZ], per ora ΓW=2.124(41) GeV

– Decadimenti radiativi: 10 MeV/c2

» ma c’è ancora da lavorare (teoria+W→ℓ)

– Normalizzazione e andamento del fondo: 5 MeV/c2

» conoscere il fondo: e al 30%, μ al 7%

Sistematici dovuti al rivelatore– Scala di E/p del leptone: 15 MeV/c2

» mZ da Z→μμ (Z→ee): ma bisogna raggiungere precisione di 0.02% (improbabile perché occorrono: mappa del campo magnetico al 0.1% e material budget del sistema tracciante al 1%)

– Risoluzione E/p del leptone: 5 MeV/c2

» ΓZ + dati dai test beam (ma occorre risoluzione di 1.5% su E e p)

– Modellizzazione del recoil: 5 MeV/c2

» da Z→ℓℓ (scala come 1/√NZ)

)(

)(

ZBR

WBRR

Z

W

Modello Standard per determinare W !

da LEP

dalla teoria

Totale: 25 MeV/cTotale: 25 MeV/c22/10 fb/10 fb-1-1 potrebbe essere raggiunto potrebbe essere raggiunto

per esperimento (15 per esperimento (15 MeV/cMeV/c22/10 fb/10 fb-1-1 dalla dalla

combinazione dei risulati di combinazione dei risulati di ATLAS e CMS) ATLAS e CMS)

……sarà davvero così?sarà davvero così?



Riccardo Ranieri 20

Conseguenze (da δmConseguenze (da δmtt e e δmδmWW))

– Se il fit elettrodebole viene ripetuto cambiando gli errori su mt e mW

mmWW=15 MeV/c=15 MeV/c22

mmtt=1 GeV/c=1 GeV/c22

valori centrali attualivalori centrali attuali

Grazie a M.Grunewald e Roberto Chierici

direct

EXCLU

DED

((mmHH/m/mH H 25%)25%)

mH=73 GeV/c2

-16+2

0



Riccardo Ranieri 21

Fisica del B a LHCFisica del B a LHCProgramma Programma

Decadimenti rariDecadimenti rari

violazione di CPviolazione di CP

mixing Bmixing B00

Produzione di b a LHCProduzione di b a LHCluminosità: 2x10luminosità: 2x1033 33 cmcm-2-2ss-1 -1

(( 10 103434 cm cm--

22ss-1-1))

0.5 mb 0.5 mb O(10O(1055-10-1066) )

bb/sbb/s

OO(100) ev/s su nastro (100) ev/s su nastro per per tutti i canali di fisica tutti i canali di fisica interessantiinteressanti

La strategia di trigger La strategia di trigger

è fondamentaleè fondamentale

Trigger muoni: solamente ~5 Hz b/c Trigger muoni: solamente ~5 Hz b/c (1 Hz(1 Hz101077 ev/y a bassa luminosità) ev/y a bassa luminosità)Non è abbastanza per decadimenti Non è abbastanza per decadimenti

con Br<10con Br<10-4-4 e ε e εselsel<10%<10%

threshold [GeV/c]Tp

5 10 15 20 25 30

Rat

e [H

z]

10-1

1

10

102

103

104

all

/K

+X c/b

+X

W-+

25 Hz

b/c

W19 G

eV/c

ss



Riccardo Ranieri 28

High-Level TriggerHigh-Level Trigger• Come si può migliorare il trigger di b?

– utilizzo dei sistemi di tracciatura– algoritmi che richiedano solo una frazione di

dati Region of Interest (RoI) ricostruzione tracce

– quasi offline– condizioni di stop

velocità di esecuzione– misure di timing degli algoritmiGli algoritmi HLT si possono suddividere in 2 categorie:

1. Ricostruzione e identificazione di oggetti (μ,e,,jet,…) ”Trigger elements”

2. Validazione di topologie (tagli di fisica sugli oggetti ricostruiti) ”Hypothesis algorithm”



Riccardo Ranieri 29

ATLAS & CMS startupATLAS & CMS startup

Pixel Vertex detector: 2+1 layer invece di 3+2 ?

Camere μ: Trigger L1 limitato a |η|<2.1 (< elettronica)

Pixel Vertex detector: 2 layer invece di 3

TRT (straw tubes): accettanza limitata |η|<2

Riduz

ione

dei

trigg

er

Riduz

ione

dei

trigg

er

proc

esso

rs

proc

esso

rs



Riccardo Ranieri 32

Fisica del bFisica del b

Canali di Canali di benchmark benchmark ::

• Di-muon Trigger L1:– Bs→μμ

– Bs→J/(→μμ) (→KK)

• Canali adronici (Trigger L1 di singolo muone sul secondo b→μ):– Bs→Ds(→π(→KK)) π



Riccardo Ranieri 33

Decadimenti rari: BDecadimenti rari: Bss→μμ→μμ

• FCNC b→s o b→d a livello di loop nel Modello Standard– BR(Bs→μμ)=(3.5±1.0)x10-9

– correzioni MSSM (alto tanβ)nuova fisica» Br(Bs→μμ)=3x10-6(tanβ/50)6(200 GeV/mA)4 loop

Occorre molta statistica: ATLAS e CMS (>luminosità) sono favoriti rispetto a LHCb



Riccardo Ranieri 34

Analisi BAnalisi Bss→μμ→μμ

L1 L1 HLT HLT Global Global

(=L1xHLT)(=L1xHLT) ev/10 fbev/10 fb-1-1 Trigger RateTrigger Rate

15.2%15.2% 33.5%33.5% 5.1%5.1% 4747 <1.7Hz<1.7Hz

HLTHLT Full TrackerFull Tracker

Analisi offline (Analisi offline (SM BR=SM BR=3.5x103.5x10-9-9))(L1 μ trigger in |(L1 μ trigger in ||<2.4 invece di ||<2.4 invece di ||<2.1)|<2.1)

10 fb10 fb-1 -1 7 eventi di segnale <1 fondo 7 eventi di segnale <1 fondoosservazione a 5σ con 30 fbosservazione a 5σ con 30 fb-1-1

inoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminositàinoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminosità

= 46 = 46 MeV/cMeV/c22

= 74 = 74 MeV/cMeV/c22

A.Nikitenko, A.Starodumov, N.Stepanov, hep-ph/9907256

“The Trigger and Data Acquisition project, Volume II Data Acquisition & High-Level Trigger” CMS TDR 6.2 (2002)



Riccardo Ranieri 35

Oscillazioni BOscillazioni Bss/B/Bss

B0 e B0 sono gli autostati di flavoursovrapposizione degli autostati di massa BH e

BL

Oscillazioni B0B0

con frequenzaΔmsmH-mL

Difficoltà all’interno del Modello standard a giustifcare valori di Δms superiori a 25 ps-1nuova fisica

--

-

-

Bs-Bs mixing: Δms 14.4 ps-1 @ 95% CL -

s s

s s



Riccardo Ranieri 36

BBss→D→Dssππ

bb μ

π-

K+ K-

Bs Ds π+-

4) Tagli topologici fra Bs e μ

3) Minv tra i Ds ricostruiti e π

2) Minv dei π con i candidati

1) Minv delle coppie di K±

0) Ricostruzione parziale tracce



Riccardo Ranieri 37

BBss→D→Dssπ: misura di Δmπ: misura di Δmss

BBssDDss=5 =5 MeV/cMeV/c22

=25 =25 MeV/cMeV/c22

=95 =95 MeV/cMeV/c22

1 anno a bassa luminosità (20 fb1 anno a bassa luminosità (20 fb-1-1):):L1: 1 kHz HLT: 5 HzL1: 1 kHz HLT: 5 Hz

300-400 eventi di segnale300-400 eventi di segnaleΔmΔms s fino a 20 psfino a 20 ps-1-1

1000 eventi necessari per test SM: Δms 26 ps-1 @ 99% CL

A.Giassi, F.Palla, A.Starodumov, CMS NOTE 2002/045



Riccardo Ranieri 38

BBss→D→Dssπ – prospettiveπ – prospettivexs=Δms/Γs

2 fb-1 (RunIIa) e 6.5 fb-1 (RunIIb) ~2008

–Risoluzione in tempo proprio:t = 45 fs t pT/pT (L00+SVX)

Sensibilità fino a xs 6070

Test dello SM (xs~30) con < O(10k) eventi

Bassa Luminosità 30 fb-1 ~2008

–Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs

Sensibilità fino a Δms<29.5 ps-1 (xs<43)

LHCb: 1 anno = 2 pb-1 72k

B.Epp,V.M.Ghete,A.Nairz, EPJdirect CN3, 1-23 (2002)

ATLAS

80K

40K

20K

10K

70K

60K

50K

30K

0Nu

mero

di Even

ti p

er

osserv

azi

on

e a

5σ

CDF



Riccardo Ranieri 42

B Trigger e tabella HLTB Trigger e tabella HLT• La banda di trigger dedicata alla fisica

del B allo startup di LHC dipenderà da:1. Luminosità

– Minore luminosità maggiore banda B trigger

2. Rate del fondo– Il “fattore di sicurezza”…

3. ₤€ r¥$or$€ f¥nanz¥ar¥€– Per acquistare trigger processors

Inoltre è allo studio la possibilità di abbassare le soglie per il trigger di B quando la luminosità sarà più bassa durante il fill di LHC



Riccardo Ranieri 43

Conclusioni – Fisica tWbConclusioni – Fisica tWb• Le conclusioni (a 4 anni dalla partenza di

LHC):– t

calibrazioni (energia jet, leptoni isolati, b-tag) primi risultati post-calibrazione dalla fisica del top

– W la fisica elettrodebole di precisione potrebbe essere

possibile a LHC prossimo passo: analisi più sofisticate con descrizione

più dettagliata dei rivelatori

– b ATLAS e CMS competitivi anche se non progettati per

la fisica del B le condizioni iniziali di LHC saranno fondamentali:

minore luminosità maggiore fisica del B

LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B

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