GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova1 Ricerca dei bosoni Z’ a CMS Estensioni del...

GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova 1

Ricerca dei bosoni Z’ a CMS

• Estensioni del modello Standard• Limiti attuali sui modelli di Z’• Produzione di Z’ a LHC• L1 e HLT a CMS• Trigger al MTCC• Il canale Z’ → +a CMS• Effetti disallineamento Z’→ +- • Effetti scalibrazione Z’→ +- • Distinzione tra diversi modelli:

AFB

• Distinzione tra diversi spin: cos

• Il canale Z’ → e+e a CMS• Il canale Z’→ +- a CMS

K0

e

p

Z0

Z’

K +

eH

W-

-e


Estensioni del modello Standard• Le simmetrie fondamentali:

Ci sono simmetrie piu’ generali di SU(3)C SU(2)L U(1)Y ?

Perchè porsi il problema vista la precisione dei Modello Standard ?

Ovviamente saremmo felici di poter includere anche la forza

gravitazionale nella nuova teoria

• Problemi del Modello Standard

L’ampiezza di onda s dello scattering WLWL risulta essere nel limite di

alte enrgie:

si ha violazione di unitarieta’ senza la condizione MH < ~ 1 TeV

- Higgs NO nuove interazioni (estensione del modello) ;

- Higgs SI problema gerarchico: la massa dell’higgs diverge a causa

dei loop fermionici, occorre inserire un cut-off superiore per i momenti.

24)(

2

0HF

LLLL

MGWWWWf

Pf < Scelta naturale se si considera MS come una teoria effettiva inserita in una teoria a scala


Estensioni del modello Standard• Origine dello Z’

Z’ è il nome generico di un nuovo bosone di gauge neutrale,

puo’ derivare da diversi modelli

Sequential Standard Model: Z’SSM

Grand Unified Theories (GUT): Z’,Z’,Z’,Z’I

Left-Right symmetric models: Z’LRM , Z’ALRM

I modelli prevedono gli accoppiamenti, non la massa dello Z’

• GUT

Il Gruppo E6 puo’ originare il gruppo GMS attraverso i seguenti

passi di rottura di simmetria:

un bosone Z’ puo’ essere una combinazione dei campi Z’e Z’

E6 → SO(10) U(1) → SU(5) U(1) U(1) → GMS U(1) U(1)


Limiti attuali sui modelli Z’• Ricerca diretta al Tevatron

AFB (Mee > 200 GeV)

Dati CDF II utilizzando ∫ L = 819 pb-1

CDF Note 8421 – July 25 2006

Dati CDF II utilizzando ∫ L = 448 pb-1

hep-ex 0602045 – Feb 24 2006

95% C.L.• Limiti indiretti dai dati di LEP

I limiti indiretti dai dati di LEP sono ricavati dai fit elettrodeboli di Z e AFB

Si ricavano limiti indiretti dello stesso ordine di quelli diretti

Indirect limit (GeV/c2) | 1500 | 680 | 350 | 619 |

95% C.L.


L = 2 1033 cm -2 sec -1 = 2 nb -1 sec -1

Events / s

1 TeV 3 TeV 5 TeV

ZSSM 0.032 0.013 10-2 0.023 10-4

Z 0.006 0.002 10-2 0.004 10-4

Z 0.009 0.003 10-2 0.006 10-4

Z 0.010 0.003 10-2 0.005 10-4

ZLRM 0.027 0.010 10-2 0.017 10-4

ZALRM 0.013 0.006 10-2 0.011 10-4

Produzione di Z’ a LHC

L = 1032 cm -2 sec -1 = 0.1 nb -1 sec -1

Events / year

1 TeV 3 TeV 5 TeV

ZSSM 50 103 20 101 36 10-1

Z 9.5 103 3 101 6 10-1

Z 14 103 5 101 9 10-1

Z 16 103 5 101 8 10-1

ZLRM 42 103 16 101 27 10-1

ZALRM 20 103 9 101 17 10-1

Va poi considerato il BR che nel caso di

Z’ → +varia dal 3% al 9%


L1 e HLT a CMSDaq CMS

Bunch crossing 40 MHz 80% bunches filled Rate = 32 MHz

1 evento 108 canali 1 MB RAW data

Limite acquisizione ~ 100 Hz

L1 trigger HLT (L2+L3 trigger)

32 M Hz ~30 kHz ~ 100 Hz

Esempio: Online reconstr. (Trigger) Offline recontruct.

Segmento in una camera L1 RecHIT

Traccia con DT+CSC+RPC L2 StandAloneMuon

Traccia con tracker L3 GlobalMuonReco

Luminosità iniziale: L = 1032 cm -2 sec -1

L1 up to 100 kHz

L1 up to 50 kHz

(2008)

Bassa luminosità L = 2 x 1033 cm -2 sec -1

Alta luminosità L = 1034 cm -2 sec -1


L1 e HLT a CMS

Muoni: Soglie con Pt stimato con i singoli rivelatori a muoni con criteri di qualita’ (DT: HH+HL)

Elettroni: Soglie con Et in una torre di trigger (matrice 5 x 5 cristalli)

Trigger L1 - Bassa luminosità ( L = 2 x 1033 cm -2 sec -1 )

Trigger L1 - Luminosità iniziale ( L = 1032 cm -2 sec -1 )

Tabella di trigger in preparazione


L1 e HLT a CMS

Il trigger inclusive electron e di-electron occupa 1/3 del rate totale

Il trigger inclusive muon e di-muon occupa 1/3 del rate totale

Trigger HLT - Bassa luminosità ( L = 2 x 1033 cm -2 sec -1 )


DT Triggers(MB2*MB3, masked MB1all wheels/sectors)

RPCTriggers (4 out of 5)

W+1 W+2

DT e RPC trigger

Run 4181, B=3.8 T

Trigger al MTCC


x

32,000RPC triggers

Entries in MB1

Il 93 % degli eventi con trigger RPC hanno delle tracce DT-MB1 utilizzabili per la ricostruzione globale

Ricostruzione nel Barrel

Trigger al MTCCRun 4181, B=3.8 T

S10 S11

S10S10S10S10

S11S11


Z’→ +- a CMS

• Il segnale

Il canale Z’→è stato considerato come riferimento per uno studio dettagliatonel Physics TDR di CMS.Sono stati considerati sei possibili bosoni Z’:

La generazione di PYTHIA include le possibili interferenze / Z0 / Z’Sono state studiate tre diverse masse invarianti: 1 TeV , 3 TeV , 5 TeV

Le sezioni d’urto in tabella sono mostrate all’ordine LO. Sono state moltiplicateper un fattore k=1.35 per considerare le correzioni QCD all’ordine NNLO

Z’SSM Z’ Z’Z’ Z’LRM

Z’ALRM


Z’→ +- a CMS

·BR fb 0.3 · BR fb 0.3

• Il fondo

Il fondo dominante (ed irriducibile) e’ il Drell-Yan Z*→ +-.E’ stato considerato all’ordine NNLO come il segnaleUlteriori contributi (ZZ , ZW , WW , tt) sono risultati essere trascurabili avendo sezioni di produzione molto piu’ basse ed essendo riducibilicon selezioni specifiche.

DY →

ZZ,ZW,WW → Xtt → X Mass interval > 1 TeV Mass interval > 1 TeV


Z’→ +- a CMS• La selezione

- L1 single muon OR L1 di-muon - HLT single muon OR HLT di-muon

Efficienza Z’ con trigger L1/HLT (Z’ con un con ||<2.1 ed entrambi con ||<2.4 ): MZ’ = 1TeV 98% MZ’ = 5TeV 95% L = 2 x 1033 cm -2 sec -1

MZ’ = 1TeV 95% MZ’ = 5TeV 93% L = 1034 cm -2 sec -1

non si prevedono rilevanti incrementi nel caso di L = 1032 cm -2 sec -1

da confrontore con Eff ~99% per muoni singoli con 10 GeV < Pt < 100 GeV

da combinare con l’accettanza: entrambi i muoni entro l’accettanza del rivelatore (|| ) MZ’ = 1TeV 80% MZ’ = 5TeV 95%


Z’→ +- a CMS

• Ricostruzione offline di 2 di carica opposta con specifiche correzioni Efficienza Z’ ricostruzione nella regione ||<2.1 MZ’ = 1TeV 97% M Z’ = 5TeV 95% 2006 L = 2 x 1033 cm -2 sec -1

MZ’ = 1TeV 90% M Z’ = 5TeV 75% 2004

Efficienza Z’ complessiva (accettanza + trigger&ricostruzione) MZ’ = 1TeV 77% M Z’ = 5TeV 85% L = 2 x 1033 cm -2 sec -1

• Lo spettro di massaZM = 1TeV

Allineamento ideale

L = 0.1 fb -1

12 g L = 1032 cm -2 sec -1


Correzione per effetti di Bremsstrahlung

Candidati fotoni vengono ricercati in un cono con R < 0.1 intorno alla traiettoria del

Il quadri-impulso del fotone con minore R viene aggiunto a quello del

Gli hit delle camere a (escluso quella piu’ interna) vengono rimossi dal fit della

traccia se vi e’ evidenza di uno sciame elettromagnetico

Z’→ +- a CMS


Effetti disallineamento Z’→ +- • Gli scenari di disallineameneto

- “Survey” 0 → 0.1 fb -1 disallineamento tra i supporti: 2.5 mm 0.25 mrad disallineamento tra camere a muoni e supporti: 1.0 mm 0.50 mrad

- “First data scenario” (allineamento con laser e tracce) 0.1 →1 fb-1 disallineamentro tracker-muon det.: 1 mm 0.20 mrad disallineamento muon det.: 1 mm 0.25 mrad disallineamento tracker ~ 10 m pixel ~100 m silicon

- “Long term scenario” oltre 1 fb-1 disallineamentro tracker-muon det.: 200 m 0.05 mrad disallineamento tracker ~ 10 m pixel ~10 m silicon


Effetti disallineamento Z’→ +-

Esempio di spettro Zcon MZ’ = 1 TeV con luminosita’ integrata di 0.1 fb-1

PTDR V2 - CMS NOTE 2006/062

Allineamento ideale First data scenario

Risoluzione massa: ~10% MZ’ = 1 TeV “first data”

4% MZ’ = 3 TeV “long term”



Il “long term scenario” rispetto al detector perfettamente allineato ha una risoluzione peggiore di circa il 25%

Il “first data scenario” rispetto al detector perfettamente allineato ha una risoluzione peggiore di circa il 300%

L’efficienza non presenta significative differenze

30%

10%

4%

1%

Allineam. perfetto →

Long term

→

First data

→



• significativita’

First data scenario

Long term scenario

)/ln(2 bbsL LL SSignificatività 5

meno di 0.1 fb-1

1 -10 fb-1

piu’ di 100 fb-1


Effetti scalibrazione Z’→ +-

Limiti superiori di scalibrazione delle camere Muon Barrel Drift Tubes:

1) t0= 2 nsec → effetti trascurabili per entrambi gli scenari di allineamento

2) Vdrift = ± 3% → “first data scenario”

effetti trascurabili per efficienza e risoluzione;

“long term scenario”

effetti trascurabili per l’efficienza;

incremento del 5-10% per la risoluzione di MZ’ .

Effetti trascurabili sulla significatività ottenibile


Distinzione tra diversi modelli: AFB

• Asimmetria forward backward

Nelle interazione p-p vi sono elementi di incertezza:1) da quale protone e’ derivato il quark e da quale l’antiquark ?2) nel riferimento della Z’ i due protoni non risultano piu’ collineari, l’angolo non e’ determinabile in modo preciso.

Si assume che:1) la direzione sull’asse z della Z’ determini la direzione del quark, dunque il segno di La frazione dei casi in cui l’ipotesi non è corretta produce una

diluizione dell’asimmetria2) l’angolo sia in approssimazione quello tra i leptoni ed il piano dei protoni nel riferimento della Z’ (Collin-Soper frame).

ForwardBackward

qq

_ **2 cos)cos1(2

1

FBff A

d

d

angolo tra e quark incidente nel riferimento della coppia di



• Parametri di generazione dello Z’ in PYTHIA

PARU(121)-PARU(128) accoppiamenti 1a gen. di quark e leptoni (dV dA uV uA eV eA eV eA)

PARJ(180)-PARJ(187) accoppiamenti 2a gen. di quark e leptoni (sV sA cV cA V A V A)

PARJ(188)-PARJ(195) accoppiamenti 3a gen. di quark e leptoni (bV bA tV tA V A V A)

PMAS(32) massa Z’

• Sequential Standard Model

Gli accoppiamenti sono assunti essere uguali a quelli del bosone Z0

2(I3f – 2Qf sin2 w)

Cdv = PARU(121) = Csv = PARJ(180) = Cbv = PARJ(188) = -1 + 4/3 sin2 w

CdA = PARU(122) = CsA = PARJ(181) = CbA = PARJ(189) = -1

• GUT

Gli accoppiamenti CV e CA sono diversi per ZZZZI

Cdv (Z ) = 0

Cdv (Z ) = 2/3 √6 sin w

Cdv (Z ) = sin w

Cdv (ZI ) = 1/3 √15 sin w

WWZ

eggg

cos3

5sin

3

50



CMS NOTE 2005/022

MZ’ = 1 TeV L = 10 fb -1

MZ’ = 3 TeV L = 400 fb -1



Tabelle di significativita’ per confronto tra coppie di Z’

MZ’ = 1 TeV L = 10 fb -1

MZ’ = 3 TeV L = 400 fb -1


Distinzione tra diversi spin: cos

Gravitone con S=2 o Z’ con S=1 ?

Sezioni di produzione LO in fb di GKK per diverse masse e costanti di accoppiamento (c).

*cosFBA


Distinzione tra diversi spin: cos

CMS NOTE 2006/104

Distribuzioni angolari per GKK e Z’ da 3 TeV

In bianco la distribuzione del generatore, in colore la distribuzione dopo la simulazione del rivelatore e ricostruzione delle tracce.

Limiti di massa per la distinzione di GKK da Z’ entro 2

Z’GKK


• Il segnale

Il canale Z’→ e+e-è stato studiato in modo analogo al canale Z’→ +-con la simulazione del rivelatore per diversi Z’.(Nota CMS AN2006/096)

Sono state considerate tre diverse masse invarianti: 0.8 TeV , 1.5 TeV , 4 TeV

Z’SSM Z’

Z’Z’Z’IZ’LRM

Z’→ e+e- a CMS

• Il fondo

Il fondo dominante (ed irriducibile) e’ il Drell-Yan Z*→ e+e.Ulteriori contributi (ZZ , ZW , WW , tt) sono trascurabili avendo sezioni di produzione molto piu’ basse ed essendo riducibili con selezioni specifiche.


• La selezione

- HLT di-electron- Ricostruzione di 2 cluster (supercluster) in ECAL con specifiche correzioni

Efficienza ricostruzione degli elettroni Efficienza ricostruzione Z’ provenenti da Z’ nella regione | |<2.4 nella regione | |<2.7

~ 97 % 92-95 %

Z’→ e+e- a CMS

Ricostruzione cluster nel barrel: “Hybrid Algorithm” Ricostruzione cluster negli endcap : “Island

Algorithm”


Correzione per la Bremsstrahlung non recuperata

Il rapporto Esc/Etrue mostra che è necessaria

una correzione dipendente dal numero di

cristalli per un completo recupero

dell’energia dei fotoni di bremsstrahlung

Correzione di saturazione

Il convertitore ADC del cristallo centrale raggiunge il massimo conteggio a 1.7 TeV nel barrel

e 3 TeV negli endcap. Oltre tali energie e’ necessaria una correzione di saturazione.

Si applica un algoritmo che utilizza la risposta dei cristalli adiacenti a quello centrale.

Z’→ e+e- a CMS

La Correzione dipende da E1 e (E9-E4)


• Errata assegnazione della carica:

MZ’ = 0.8 TeV M Z’ = 1.5 TeV M Z’ = 4TeV 0.2 % 0.4% 0.6% Non si richede che la coppia di elettroni abbia carica opposta

• Lo spettro di massa

ZM = 1.5 TeV

Configurazione nominale (c = 0.5%)

L = 1 fb -1

120 g L = 1032 cm -2 sec -1

Z’→ e+e- a CMS

%5.0155%7.2

E

MeV

EEE


Z’→ e+e- a CMSc = 0.5% c = 3% (“first data”) c = 3% No Forward ECAL

~ 2 x L


significatività 5

CMS

Z’→ +-

Z’→ e+e- a CMS 0.8 TeV - 1 TeV “First data scenario”

da 1.5 TeV in poi “Long term scenario”

significatività 5

1 2 3 4

Z’ mass (TeV)


• Identificazione -jet trigger, sfrutta l’isolamento

nel tracker partendo da un seed nei calorimetri

• Ricostruzione -jet

• Ricostruzione vertice L’approssimazione di collinearita’

tra -jet e neutrino-, piu’ la misura di Missing ET, permette il calcolo della massa invariante della risonanza

Verificato per Higgs in coppie di tau, previsto uno studio per Z’.

Z’→ +- a CMS


T0

T1

T2

T2

AO

D

AO

D

RECO

Flusso dati , ricostruzionee analisi sperimentato in

CSA06

U.I.

U.I.


• W, Z• Top• Higgs • SUSY• Z’, extra-dim, etc.• QCD• B phys, J/ , Y

La Rete dei Canali di Fisica

in CMS Italia

Z’→+-Z’→e+e-

Z’→+-

Z’→+-


Evento Z’→ +- a CMS

Evento Z’ di 3 Tev (sono mostrate solo le tracce di


Backup Slides

Backup

Backup

Backup

Backup

Backup

Backup


Estensioni del modello StandardTabella accoppiamenti CV CA Z’ GUT

• Modelli Left – Right symmetric

Da SO(10) si possono ricavare diverse simmetrie:

SO(10) → SU(3)c SU(2)L U(1)Y U(1)

SO(10) → SU(3)c SU(2)L SU(2)R U(1)B-L

( s = sin W )


L1 e HLT a CMS

Efficienza di Trigger (L2) nei diversi rivelatori a muoni



Incertezza teorica sulla stima delle Luminosita’ integrata necessaria per ottenere

Una significativita’ di 5


Correzione di saturazione.

La correlazione tra E1 e (E9-E4)

permette di effettuare la correzione

Z’→ e+e- a CMS

Correzione di contenimento

La correzione di contenimento varia con la pseudorapidita’,

per elettroni di 500 GeV a eta=0 e’ circa il 3%


• Elettroni• Mu• Tau• Particle Flow (Jet)• B tagging e Tracciatura

La Rete dei Physics Objects

in CMS Italia

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