1 Studio della rottura spontanea di simmetria mediante il processo di fusione di bosoni vettori...

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Studio della rottura spontanea di Studio della rottura spontanea di simmetria mediante il processo simmetria mediante il processo

di fusione di bosoni vettori di fusione di bosoni vettori nell’ambito dell’esperimento nell’ambito dell’esperimento

CMSCMS

Universita’ degli Studi di Torino

Facolta’ di Scienze Matematiche, Fisiche e NaturaliCorso di Laurea Specialistica in Fisica Delle Interazioni

Fondamentali

Gruppo CMS di Torino

Relatrice

Dott.sa C. Mariotti

Co-relatore

Dott. A. Ballestrero

CandidataS. Bolognesi

Contro-relatoreProf. M. Masera

2

ATLASALICE

LHCb

CMS

LHC e CMS

alta luminosita’ L = 1034 cm-2s-1 (2010 - ?)

bassa luminosita’ L = 2×1033 cm-2s-1 (2007-2010)

Large Hadron Collider

√s(p-p)= 14 TeV

sessione di Laurea 20/07/05

Sara Bolognesi (TORINO)

22yxT ppp

2tanln

totaleTEMET

3

V

V V

V

EWSB via VBF



U(1)Y × SU(2)I

Modello GWS di unificazione elettrodebole

MW ~ 80 GeVMZ ~ 90 GeV

M = 0

EWSB: meccanismo di Higgs

(massa -> polarizzazione longitudinale)

particella scalare (Higgs)

VV -> VV Processo di fusione di bosoni vettori:

2

2

2

2

2

1

HH mt

t

ms

sts

v

LLLL WWWWA

• contributo di Higgs corregge la divergenza della sezione d’urto

(di massa non fissata)

• viola l’unitarieta’ in assenza di Higgs

VBF = sonda del meccanismo di rottura spontanea di simmetria in maniera indipendente da qualunque modellistica

v = 246 GeV

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VBF@LHC

q q

qq

q

q

l

W

VV

V

M(q,q,l,n) = M(V,W) = M(H)

Higgs = risonanza nello spettro

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

No Higgs -> effetti di violazione dell’unitarieta’

NUOVA FISICA = deviazione da tale spettro

2

3

32

3

v

mVVH H

H

fortemente soppressi da• bosoni entranti off-shell• PDF quark iniziali• bosoni non polarizzati

Principali osservabili del VBF a LHC e scenari possibili:



M(H)

(H)

300 500 700

~10 ~50 ~120

(GeV)

(GeV)(VV->VW) VS M(V,W)

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Studi partonici

utilizzo di un nuovo MC -> definizione di segnale confronto con il MC precedentemente usato (PYTHIA) divisione in contributi del segnale

studio della sezione d’urto ad alta massa invariante per evidenziare gli effetti di violazione di unitarieta’ in assenza di Higgs

(VV->VW: WW->WW, ZZ->WW, ZW->ZW)



6

PHASE

qq->qqqqlO(EW6)

...2

segnale (VBF) fondo irriducibile

definire il segnale = separare il segnale ed il fondo irriducibile a livello partonico



PHact Adaptive Six Fermion Event Generator

In un conto esatto la sezione d’urto e’ data dal quadrato della somma di tutti i contributi

(Accomando, Ballestrero, Maina)

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Definizione di segnale

160 < M(bqq’,b) < 190 (GeV)

M() = mW ± 10 GeV

M(q3q4) = mV ± 10 GeV

M(q1q2) = mV ± 10 GeV

~ 70 %

~ 2 %

~ 3 %

Tagli di eliminazione fondo irriducibile a livello partonico:



contributo di top (pura EW)

diagrammi non risonanti tre bosoni uscenti

M(H) = 500 GeV

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Violazione unitarieta’ (1)Polarizzazione dei bosoni

picco

coda: VT+VL

No Higgs

coda: VT

M(H) = 500 GeVcoda

M(H) = 500 GeV

picco: VL

No Higgs coda

distribuzione di decadimento W nel suo CM



2cos14

3)(cos L

2cos18

3)(cos T

selezionare VL ed eliminare VT

eliminare la coda per M(H)=500 GeV, conservandola per No Higgs

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Violazione unitarieta’ (2)Rete neurale (NN)

even

ti M

(V,W

) >

1

TeV



dati in ingresso strati nascosti

variabile di uscita

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Studi di ricostruzione e

selezione

studio delle risoluzioni utilizzando la verita’ MC

selezione del segnale dal fondo riducibile ed irriducibile



generazione fondi riducibili con vari MC simulazione veloce del rivelatore con il software di CMS

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M(H) = 500 GeV

p

pqq

q’

q

W

V

V

V

q tag

q tag

Cinematica del segnale2 bosoni centrali con alto pT 2 q dal bosone

adronico: centrali, bassa , alto pT

2 q tag: alta , grande e energia molto alta

alta METmuone centrale con alto pT



momento trasverso bosoni

pseudorapidita’ bosoni

energia quark

No Higgs

pseudorapidita’ quark

quark tagquark dal bosone

(p + p)2 = mW

2

ricostruzione del pz del neutrino:

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Fondi fondo irriducibile

pp qqWW qqqqmn

pp qqqqW qqqqmn

pp t t W- b W+ b 1m+X

top (pure EW) EW6

S2 EW

4

S4 EW

2

~ 3 × segnale~ 3000 × segnale~ 50 × segnale

~ 2000 × segnale



Sezione d’urto

Ordine perturb.

segnale: quark tagtop EW: quark btop QCD: quark b

pseudorapidita’ quark tag / b

energia quark tag / b

pseudorapidita’ bosoni

energia bosoni segnale

WWqqWjjjj

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Simulazione

Simulazione veloce del rivelatore (FAMOS_1_2_0):parametrizzazione del detector dal fit della simulazione

completa

Studio della risoluzione utilizzando la verita’ MC

risoluzione (%) =valore ricostruito – valore generato

valore generato

su un campione di eventi senza Higgs

risoluzione assoluta =valore ricostruito – valore generato

(sempre pT jet > 30 GeV)



NO PILE-UP !!

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Risoluzione leptonicaSi sceglie il muone ricostruito piu’ vicino a quello generato (solo se R<0.2)

• risoluzione < 10% nell’ 86% degli eventi• momento trasverso sottostimato

MET totale ~ pT neutrino

risoluzione su pT VS pT

generato



• MET ricostruita dal calorimetroFWHM ~ 60% (45 GeV)

risoluzione su pT

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Risoluzione adronicaEventi con esattamente 4 jet nello stato finale, ciascuno associato ad un singolo quark generato (R<1)

risoluzione assoluta (fit gaussiano):

• deviaz. std. ~ 15 GeVmedia ~ 10 GeV



risoluzione (%)

pt dei quarkM(V -> qq)

FWHM ~ 35%

FWHM ~ 33%• deviaz. std. ~ 14 GeVmedia ~ 2.5 GeV

(pT jet > 30 GeV)

pt dei quark

M(V -> qq)

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Procedura di analisi (1)

Ricostruzione del segnale (pT jet > 20 GeV)

• scelta del muone con massimo pT

• pT = MET (pT

> 20 GeV)

ricostruzione del bosone adronico

ricostruzione del bosone leptonico

63 %

segnale (NoHiggs)

fondo

44 %

73 %

50 %

60 %

38 % richiesta 2 jet aggiuntiviquark tag = restanti 2 jet

piu’energetici



|j1|, |j2| <3

50 < M(j1,j2) <125 (GeV)

|j1-j2| < 2

(pT > 20 GeV)

Tagli ottimizzati per no-Higgs per evitare eventuali bias dovuti alla produzione di un oggetto massivo

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Procedura di analisi (2)

Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV) taglio contro il top

segnale (NoHiggs)

fondo

54 %

24 %



100 < M(W,b), M(V,b) < 300 (GeV)b = jet con massima probabilita’ di b-tagging (solo se P(b)>1)

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Procedura di analisi (3)Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV) tagli sui quark tag segnale

(NoHiggs)fondo

17 %

1.4 %



M(jtag1, jtag2) > 600 GeV|jtag1-jtag2| > 1.5jtag1 × jtag2 < -1

pTjtag1, pT

jtag2 > 50 GeV

M(jtag1, jtag2)

jtag1 - jtag2

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Procedura di analisi (4)Reiezione del fondo (pT jet > 20 GeV) tagli aggiuntivi

segnale (NoHiggs)

fondo

10.56 %

0.52 %



|W| < 2

M(V,W,jtag1,jtag2) > 1 TeV

(Njet with |j|<2) < 13

(Njet with |j|>2) < 8

R(, j)min > 0.2R(jtag, jV)min > 0.9(jtag, W) > 0.7

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Risoluzioni

cattiva risoluzione

risoluzione calorimetro (termine stocastico 125% / √E)

jet = energy flow objects i.e. utilizzo delle tracce associate ai segnali calorimetrici



Risoluzioni dell’analisi

Perfettamente in accordo con le risoluzioni calcolate utilizzando la verita’ MC per riconoscere le particelle di segnale

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1y@high lumi = 100 fb-1

fondo irrid.

top EWtop QCD

WWjj

Wjjjj

(no top)6.02 %

0.57 %

0.18 %

0.33 %

1.11 %

segnale

10.56 %



effi

cie

nze

fi

nali

S/√B VS M(V,W)

eventi 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

totale

M(H) ± 30%3.2

2.21.5

3.62.82.5

0.3 2.3

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un po’ di lavoro e’ stato fatto...

...tanto e’ ancora da fare!!

arrivederci al 2007 (start di LHC) !!!!!!

un grazie ENORME al gruppo CMS di Torino

Dott.sa E.Accomando, Dott. N.Amapane, Dott. A.Ballestrero, Dott. R.Bellan, Dott. G.Cerminara, Dott. E.Maina, Dott.sa C.Mariotti, Prof.sa A.Romero e tanti altri ancora...!!

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Backup slides

divisione in contributi del VBF confronto PHASE - PYTHIA



polarizzazione dei bosoni vettori nel VBF

risoluzione del bosone W-> ricostruzione dell’impulso longitudinale del neutrino

produzione dei campioni: xsec ed eventi generati fondi non considerati: W, Wqq, ...

breve descrizione del rivelatore

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Non si puo’ a priori separare i diversi contributi (“a’ la pythia”)

poiche’ questi possono interferire tra loro quando danno luogo allo stesso stato iniziale e finale

W+W- -> W+W-

W-W- -> W-W- & C.C.

ZZ -> W+W-

ZW->ZWes. ud udcs-

udZZudW+W-

udW+W-

Tagli appositi di selezione per i diversi contributi -> multiple countingsi e’ richiesta la giusta combinazione in flavour e segno in pz fra i quarks entranti ed uscenti

pz(uIN) * pz(uOUT) > 0

pz(dIN) * pz(dOUT) > 0

ZZ -> W+W-

W+W- -> W+W-pz(uIN) * pz(uOUT) < 0

pz(dIN) * pz(dOUT) < 0

es. uINdIN->uOUTdOUTcs-n

Divisione in contributi (1)



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Divisione in contributi (2)



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PYTHIA: solo polarizzazione longitudinale,

Breit-Wigner per il decadimento

EVBA=> bosoni on-shell,

sottostima dello stato finale WZ per M(H)=500

diversita’ nella topologia del segnale

WZ / totale

PYTHIA

PHASE

0.04 0.16

M(H)=500 GeV

no Higgs

PHASE - PYTHIA



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M(H)=500 GeV

NoHiggs

1 < η(d) < 5.5 -1 > η(u) > -5.5

E(u,d,c,s,μ) > 20 GeV Pt(u,d,c,s,μ) > 10 GeV

70< M(sc, μν) < 90

Tagli applicati:



Contributo delle diverse polarizzazioni(risultati ottenuti con una versione modificata, non ufficiale di PHASE)

VL e VT

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Produzione dei campioni

M(H) = 300 GeV 0.794 pb 500.000

segnale e fondo irriducibile

M(H) = 500 GeV 0.718 pb 500.000 M(H)= 700 GeV 0.699 pb 500.000 no Higgs 0.689 pb 500.000

pp t t 1+X 622 pb 200.000pp qqWW qqqq 9.1 pb 253736pp qqqqW qqqq 359 pb 180006

altri fondi

pp qqW+W- qqqq 9.04 pb 249231pp qqW+W+ qqqq 0.05 pb 1996pp qqW-W- qqqq 0.02 pb 2509



signal 0.247 pb 0.184 pb 0.169 pb 0.158 pb

top (EW) 0.495 pb 0.494 pb 0.493 pb 0.495 pb

other irr. backg. 0.052 pb 0.040 pb 0.037 pb 0.036 pb

M(H) (GeV) 300 500 700 no Higgstotal 0.794 pb 0.718 pb 0.699 pb 0.689 pb

Eventi e sezioni d’urto dei diversi processi generati

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Fondi non considerati

La nuova versione di AlpGen (giugno 2005) e’ capace di generare W + n jets senza conteggi multipli

Wqq Wqqqqq

qg

g

g

q

q

W

Fondi con minore molteplicita’ di quark nello stato finale (es. W singolo, Wqq ...)

possono essere confusi col segnale a causa di jet aggiuntivi da:• interazioni soffici fra i protoni• radiazione di gluoni durante il Parton Shower (PS)

• errori nel processo di ricostruzione dei jet (merging-splitting dei jet)

Non considerati

non esisteva un MC capace di generarli senza doppi conteggi con i fondi gia’ considerati

emmissione di gluoni durante il PS



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CMS: Tracciatore

|| < 2.5

ricostruzione vertice primario b-tagging (vertici secondari, parametro di impatto...) ricostruzione muoni di alto pT, elettroni ed adroni isolati granularita’ ed alta resistenza alle

radiazioni



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CMS: ECAL



termine statistico (confinamento dello sciame e fotostatistica)

rumore elettronico + pile-up

termine costante (risoluzione intrinseca calorimetro)

H -> ( M(H) ~ 100 - 140 GeV )

energia, apertura angolare

Cristalli in PbWO4

alta densita’

piccolo raggio di Molierebreve lunghezza di radiazione

rivelatore compatto

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CMS: HCAL



• granularita’• ermeticita’

separazione dei jetricostruzione MET

calorimetro a campionamento (|| < 5) barrel HB

endcaps HE

forward HF

scintillatori + assorbitori in ramefibre di quarzo + assorbitori in acciaio

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CMS: Muoni



4 stazioni intervallate col giogo

barrel: DT (MB1-4) endcap: CSC (ME1-4)

misura posizione (~ 100 m)

misura tempo (~ 1 ns)

RPC

CSC

DT

RPC

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Risoluzione W leptonicopT muone and pT neutrino sottostimati

pT W sottostimato

pseudorapidita’ W sovrastimata (absval)

• risoluzione assoluta (fit gaussiano):deviazione std. ~ 24 GeV

media ~ -7 GeV

• picco risoluzione a -12.5 %

risoluzione con andamento asimmetrico



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Ricostruzione neutrino

pT= MET

equazione di secondo grado con due soluzioni

si sceglie la soluzione maggiore e si prende la parte reale se il discriminante e’ negativo

pz calcolato da (p + p)2 = mW

2

(30 % degli eventi)



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