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Attività del gruppo PD-TN nella preparazione delle analisi

HWW e W,Z,

all’interno della collaborazione CMS

Ambra GreseleINFN – Università di Trento

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Outline

• Breve descrizione di LHC e del rivelatore CMS

• Breve panoramica sulla fisica prevista ad LHC

• Misura della sezione d’urto inclusiva W e Z

• Fenomenologia del Bosone di Higgs ad LHC

• Ricerca del bosone di Higgs nel canale

H WW ll

• Conclusioni

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Large Hadron Collider• Large

– 27 km di circonferenza– Costruito nel tunnel di LEP

• Hadron – Fasci di protoni

• ColliderSe paragonato a Tevatron– 7volte l’energia nel c.m.– aumento di un fattore 100della luminosità integrata

Numero di bunch nb 2808 2808

Spaziatura bunch Δt 25ns 25ns

Protoni/bunch Nb 1.1 1011 1.7 1011

Energia E 7 TeV 7.45 TeV

lunghezza bunch (rms) σz 7.55 cm 7.55 cm

Beta a IP β* 0.55 m 0.5 m

angolo a IP (rms) θc 285 μrad 315 μrad

Luminosita’ (max.) L 1034 cm-2s-1 2.6 1034 cm-2s-1

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Compact Muon Solenoid

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Fisica a LHCGli scopi principali di fisica dei due esperimenti ATLAS e CMS a LHC

sono:

1. ricerca del bosone di Higgs da mH= 100 GeV a 1 TeV (limite teorico mH)

se si trova l’Higgs capire se è del Modello Standard o Supersimmetrico se l’Higgs non si trova cercare alternative (in nuova fisica)

2. nuova fisica Supersimmetria LeptoQuark, technicolor, new strong-interaction, nuove famiglie

di leptoni, bosoni addizionali, extra-dimensions ?

3. misure di precisione sulle osservabili elettrodeboli mW (mW ~ 15 MeV) mtop (mtop ~ 2 GeV)

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Primo anno a LHC

From F Gianotti, LHC Physics, La Thuile 2005

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• calibrazione del detector• stima delle efficienze di ricostruzione, isolamento, triggers • studio accurato di quelli che saranno i contributi dominanti

al background nella ricerca dell’Higgs• studi delle incertezze introdotte dai modelli teorici

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Determinare l’efficienza di ricostruzione usando i dati

Usando un sample di Z si sviluppa un metodo detto di

“tag and probe” che permette di risalire all’efficienza di ricostruzione, di

isolamento e del trigger per i muoni nei dati.

Nel plot si ha l’andamento

dell’efficienza di ricostruzione

ottenuta usando

il metodo di tag and probe

rispetto all’efficienza “vera”

cosi` come misurata

a livello di puro Monte Carlo

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T. Dorigo et al.

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Misure delle incertezze legate ai modelli teorici

• Testare l’andamento dei diversi

generatori Monte Carlo ad ordini

superiori al LO che si vogliono

introdurre nella maggior

parte delle analisi

• Stimare le sistematiche introdotte

dalle PDF e contemporaneamente

aiutare a ridurre le incertezze

legate alle medesime PDF

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Produzione dell’Higgs ad LHC

Il processo di produzione dominante è mediante la fusione di due gluoni. Al crescere della massa dell’Higgs diventa importante anche il meccanismo di produzione via la fusione di due bosoni W o Z

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Canali di decadimento e BR

• HZZ(*)4l ,

HWW

per masse piu’ grandi.

Anche se il BR in

WW è circa 3 volte superiore di quello

in ZZ, lo stato finale

ZZ è più facilmente

ricostruibile in quanto

non si ha la

presenza di neutrini

(GOLDEN CHANNEL)

• H, H , HWW (VBF) , Hbb (solo in produzione associata) molto rilevanti per piccole masse (MH<130 GeV)

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Limiti sulla massa dell’Higgs• Dalla ricerca diretta a LEP: MH>114.4GeV

• Fit elettrodebole: MH<144 GeV al 95% C.L.

• Unitarieta’: MH < 800 GeV

• Limiti dalla teoria del Modello Standard (Higgs self-coupling e stabilita’vuoto)Winter 2007

114 GeV < mH < 182 GeV @ 95% C.L.

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Direct bounds:Higgs searches @ LEP

• No discovery• Direct lower bound at 114.4 GeV

Phys.Lett. B565 (2003) 61-75

Higgsstrahlung – dominant production

ALEPH:Candidate vertex:

mH

(GeV)

σNLO x BR(H->llνν) (pb)

120 0.56

130 1.06

140 1.58

150 1.98

160 2.34

170 2.26

180 1.99

190 1.51

200 1.30

Topologia degli eventi “segnale”: 2 leptoni isolati carichi missing transverse energy jets presenti nella regione centrale e a basso pT

Principali fondi: coppie WW (irriducibile) WZlll, ZZll ttbar

process WW ZZ WZ Z->ll ttbar

σNLO (pb) 114.3 15.3 49.9 9640 840

H WW ll

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Monte Carlo DatasetsI samples sono stati generati usando Pythia LO e Toprex (+ Pythia) per il sample ttbar (NO pile-up) Gli eventi dei samples Higgs (gg fusion) e WW sono stati re-weighted per accordare le previsioni con i calcoli al NLO e quindi tenendo conto di una miglior stima della sezione d’urto di produzione.Per il re-weighting si è introdotto un k-factor dipendente dal pt dell’Higgs.In futuro si prevede di usare direttamente MC@NLO

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Strategie di Analisi

trigger + skimming

leptons pre-selection

kinematicpre-selection

multivariateanalysis

cut based analysis

Selezionare una coppia di leptoni che soddisfi certi criteri: |η1| < 2.5, |η2| < 2.5 pT

1 > 10 GeV, pT2 > 20 GeV

q1*q2 < 0

Tagliare sulle osservabili cinematiche per ridurre il background: MET > 30 GeV m(ll) >= 12 GeV Njets central <= 2

Selezionare gli eventi di potenzialeinteresse riducendo il numero di dati da analizzare

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Trigger and skimming

HLT paths

single isolate

d

single relaxed

double isolate

d

double relaxed

OR

electron 81% 82% 54% 62% 87%

muon 90% 93% --- 82% 96%

I trigger agiscono sui singoli o sulle coppie di e,

HLT efficienzeper mH=160GeV

skimming: OR dei trigger paths almeno 2 leptoni ricostruiti con pT > 10 GeV and pT > 20 GeV

εHLT εskimming

DY->ll

0.072 ±

0.006

5*10-3

± 1*10-

3

ttbar 0.33 ± 0.02

0.15 ± 0.01

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Ricostruzione degli oggetti fisici

2. JETTI algoritmo di tipo cono iterativo con ΔR = 0.5, ET

tow > 0.5 GeV

uncorrected jets resolution

3. MET

somma delle energie delle torri calorimetriche ECAL and HCAL , con correzioni per i muoni

1. LEPTONI

Elettroni “PixelMatchGsfElectrons” Muoni “GlobalMuonReconstruction” elettroni/muoni vengono isolati usando

info calorimetriche e di tracciatura

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Limiti di esclusione

CLs = 5%

Dalla combinazione dei differenti approcci all’analisi di H WW ll, il bosone di Higgs come previsto dallo SM puó essere escluso al 95% C.L. nella regione attorno al valore di 160 GeV della massa della coppia WW risonante considerando una luminosità integrata tra 100 e 150 pb-1

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Conclusioni• Il bosone di Higgs del Modello Standard puo’ essere osservato

ad LHC, dal limite di LEP fino a ~1 TeV• Studi sempre piu’ dettagliati, all’avvicinarsi della presa dati:

– MC al NLO, produzione con VBF– Tutti gli studi con simulazione completa (possibilmente con

rivelatori as-built, ed il software finale degli esperimenti)– Accettanze dei sistemi di trigger, definizione dei menu di

trigger ottimali per i vari canali– Studio dei fondi con i primi dati (gia’ a partire da ~100 pb-1)

• Scoperta dell’Higgs con:– ~15 fb-1 combinando i canali– Ma: cruciale sara’ il primo periodo di comprensione dei

detector (trigger, calibrazioni, allineamenti, etc…) e dei fondi• Con luminosita’ integrate piu’ alte (>100 fb-1): parametri del

profilo dell’Higgs verifica Higgs-SM

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Backup

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Indirect Higgs bounds: LEP Electroweak data

• W (and Z) mass depends on mHiggs– Logarithmic loop corrections to

masses– Also depends on top mass

• W (and Z) mass depends on mHiggs– Logarithmic loop corrections to

masses– Also depends on top mass

http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG/

Measurements

Prediction as a function of mH

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Needle in a haystack…

Higgs production

QCD jet productionat high energy

Need to use signatures with small backgrounds:- Leptons- High-mass resonances- Heavy quarksto avoid being overwhelmed

Need to use signatures with small backgrounds:- Leptons- High-mass resonances- Heavy quarksto avoid being overwhelmed

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After discovery of Higgs?

• Measure Higgs mass– The remaining unconstrained parameter of the Standard Model

• Measure Higgs couplings to fermions and vector bosons– All predicted by Standard Model– Check Higgs mechanism

• Couplings very important since there may be more than one Higgs boson– Theories beyond the Standard Model (such as

Supersymmetry) predict multiple Higgs bosons.– In such models the couplings would be modified

• Do direct searches for further Higgs bosons!

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If no Higgs found?• Arguably more exciting than finding Higgs• Look at WW scattering process

– Look for whatever is “fixing” the cross-section– E.g. exotic resonances