Stefano GiaguSapienza Università di Roma e

INFN Sezione di Roma

Società Italiana di Fisica - XCVIII Congresso Nazionale - Napoli 17.9.2012

Risultati recenti dell’esperimento ATLAS

a LHC

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

IntroduzioneSettembre 2011- Settembre 2012: ATLAS annus mirabilisdalle prime indicazioni di un possibile segnale alla osservazione di una nuova particella compatibile con il bosone di Higgs del Modello Standard

126 articoli pubblicati/sottomessi dall’inizio del 2012 che illustrano i risultati del programma completo di ricerche portato avanti da ATLAS

basati sulla statistica raccolta fino a fine Giugno 2012 ricerche di segnali da nuova fisica: super-simmetria, possibilità più esotiche,...test di precisione del Modello Standard, fisica elettro-debole, top, fisica del sapore, ioni-pesanti

quì solo un brevissimo sommario di alcuni dei risultati più recenti/interessanti. La lista completa e aggiornata è disponibile nella pagina web: https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic

2

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

SommarioL’esperimento ATLAS e LHC

Osservazione di una nuova particella compatibile con il bosone di Higgs del Modello Standard

risultati ricercamisura delle proprietà della particella: massa, accoppiamenti

Sommario/highlights misure sperimentali recenti di ATLASricerche di Higgs non standard, SUSY, nuova fisica esotica

Conclusioni e prospettive

3

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

Comunicazioni di ATLAS alla SIF

dettagliano risultati, work in progress e piani futuri di alcune delle analisi portate avanti nella comunità Italianafondamentale e attivo contributo dei giovani ricercatori Italiani all’interno della collaborazione ATLAS

4

Lunedì 17D.Salvatore:! Ricerca di decadimenti Higgs in nuove particelle con lunga vita media che decadono in quark pesanti con l'esperimento ATLAS a LHCR.Donnarumma: Ricerca del bosone di Higgs del Modello Standard nel canale H→ZZ→llqq con tecniche di analisi multivariate all'esperimento ATLAS ad LHCR.Turra:! Search for the Standard Model Higgs Boson in the Decay mode H→γγ with the ATLAS detectorV.Bortolotto:! Studio di eventi di produzione associata HW, con stato finale totalmente leptonico, nel rivelatore ATLASM.Casolino:! Ricerca del bosone di Higgs nel canale H→ZZ→llqq nell'esperimento ATLAS ad LHC e utilizzo di quark-gluon jet taggingV.Ippolito:! Ricerca del bosone di Higgs nel canale di decadimento in quattro leptoni all'esperimento ATLASMartedì 18:R.Simoniello:! Improvement of missing transverse momentum performance for H→ττ searches in ATLASA.Calandri:! Ricerca del bosone di Higgs del Modello Standard nel canale H→ZZ→4l con tecniche di analisi multivariata all'esperimento ATLAS ad LHCF.Lo Sterzo:! Search for the Standard Model Higgs Boson in the H→ZZ→llqq Channel in the low mass range with the ATLAS detector at LHCL.Massa:! Measurement of the tt differential cross section in the lepton+jets channel in pp collisions at √7 TeV with the ATLAS detector at LHCGiovedì 20:F.Meloni:! SUSY searches with the ATLAS detector at the LHCA.Policicchio:! Ricerca Lepton-Jet con l'esperimento ATLAS a LHCA.Gabrielli:! Ricerca di segnali di modelli Hidden Valley con l'esperimento ATLAS ad LHCF.Bertolucci:! Observation of the semileptonic WW/WZ decay in proton-proton collisions at s√=7 TeV with the ATLAS detectorS.Valentinetti:! Luminosity determination in pp collisions using the ATLAS detector in 2011Venerdì 21:M.Franchini:! Fast Tracker: an ATLAS trigger upgrade project

Calorimetro Adronico (|η|<5): segmentato, ermeticoFe/scintill. (central), Cu-LAr (fwd)Trigger, ricostruzione Jets, missing ETRisoluzione in energia: σ/E ~ 50%/√E ⊕ 0.03

Calorimetro EM: Pb-LAr geometria a fisarmonicae/γ trigger, IDRisoluzione in energia: σ/E ~ 10%/√E

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012 5

- rivelatore general purpose, alta risoluzione ed ermeticità- design ottimizzato per le dure condizioni imposte da LHC

Inner Detector (|η|<2.5, B=2T): Si Pixels, Si strips, TRT (straws) Risoluzione in impulso: σ/pT ~ 3.8x10-4 pT (GeV) ⊕ 0.015

Dim. : L×R ~46×12 m2

R : ~ 12 m Peso : ~ 7000 tonn.canali elettronica: ~108 Lcavi ~3000 km

Spettrometro per muoni (|η|<2.7) : air-core toroids + gas-based muon chambers Trigger muonico standalone e misura di impulso con risoluzione < 10% fino a Eµ ~ 1 TeV

Trigger a 3-livellirate 40 MHz→ < 500 Hz

ATLAS: Il “tool” sperimentale

Presa dati di ATLAS/LHC nel 2012

6

challenge principale 2012: Pileup

un evento con 25 vertici ricostruiti

μ picco

Z→μμ

2011 / 2012 (today) @ √s = 7/8 TeVL ~3.6 / ~7.73 1033 cm-2s-1

∫Ldt ~5.3 / ~14.7 fb-1

ATLAS 2010/11/12

valore progetto

- efficienza di presa dati: ~94%- soglie dei trigger inclusivi (leptone

singolo) a ~stessi livelli del 2011

nonostante ciò ...

Highlight: Misure di Precisione

7

Coupling anomali a 3 bosoni

condizioni perfette per la analisi di ricerca del bosone di Higgs e di effetti di nuova fisica ...

Misurati con precisione tutti i processi fondamentali del Modello Standard

- incertezze sperimentali a livello delle incertezze teoriche- eccellente accordo con le previsioni della teoria

Sezione d’urto ZZ

TGC in WZ

arXiv:1208.1390v2, ATLAS-CO

NF-2012-090

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

Scoperta di un nuovo Bosone

8A.Shaffer - PIC2012

Canali di ricerca utilizzati in ATLAS

H→2γ

9

Processi di fondo:irriducibile: continuo γγ riducibili: γ-Jet, Jet-Jet (Jet→π0)Richieste sperimentali: eccellente risoluzione in massa invariante (~1.6 GeV) e separazione γ/Jet

Analisi 2012:algoritmi dedicati per l’identificazione del vertice primario in condizioni di alto pileupsuddivisione in categorie multiple per aumentare la sensibilità: segnale estratto da fit simultaneo di mγγ in 10 categorie

Il canale più sensibile per la scoperta di un Higgs di massa <125 GeVAlta rate di eventi: ~20 higgs/fb-1 @ 125 GeV, ma bassissimo S/B~0.03

Phys

. Let

t. B

716

(201

2) 1

-29

H→γγ

μ =σ/σSM

H→ZZ(*)→4 leptoni (4e, 4μ, 2e2μ)

10

Canale golden plated: segnatura pulitissima: (S/B~1), ricostruzione massa invariante con alta risoluzione (~2 GeV) → misura della massarate di eventi penalizzata dal ridotto BR leptonico ~ 0.5 higgs/fb-1 @125 GeV

Processi di fondo:ZZ*→4l (~irriducibile), Zbb, Z+jets, tt:

soppressi tramite richieste di isolamento leptonico, e tagli sul parametro di impatto dei leptoni più sofficistimati utilizzando dati reali in regioni di controllo + estrapolazioni MC nella regione di segnale

Richieste sperimentali chiave:alta efficienza di ricostruzione e identificazione per leptoni fino a pT di pochi GeV/ceccellente risoluzione in massa (constraint cinematici)

Fondo aspettato 5.1±0.6

Segnale aspettato 5.3±0.8

Eventi osservati 13

120<m4l<130 GeV

Phys

. Let

t. B

716

(201

2) 1

-29

H→WW(*)→lνlνAlta sezione d’urto×BR Analisi molto complessa:- non è possibile ricostruire la massa invariante dell’Higgs- controllo preciso dei processi di fondo diventa cruciale

Fondi dominanti: WW, W/Z+Jets, top → stimati con tecniche data-driven

Analisi preliminare dati 2012: solo canale eμ per controllare l’aumentato fondo da DY a causa del pileup doppio rispetto al 2011

11

0-jet: massima purezza (no top BG), uso di MET, corr. angolari≥ 1-jet: fondo da top dominante , uso di b-jet veto

Analisi esclusiva in bin di molteplicità dei jet

Njets with pT>25 GeV

Dopo preselezioneDopo tagli di analisie sottrazione fondo

Phys

. Let

t. B

716

(201

2) 1

-29

Combinazione dei differenti canali

12

Bosone di Higgs del MS escluso al 95% CL da 111 a 559 GeV tranne che in un regione ristretta intorno a ~126 GeV in cui è visibile un chiaro eccesso

Regioni di esclusione in massa

Phys

. Let

t. B

716

(201

2) 1

-29

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

Significatività dell’eccesso a ~126 GeV

13

Contributi dominante all’eccesso: H→γγ (4.5σ), H→ZZ* (3.6σ) e H→WW* (2.8σ)

Significatività globale: 5.1σ 110<mH<600 GeV

Quantificata tramite il p-value locale:

evoluzione dell’eccesso costante con l’aumentare della statistica accumulata

Phys

. Let

t. B

716

(201

2) 1

-29

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

Proprietà del nuovo bosone: signal strenght

14

μ =σ/σSM

best fit: μ =1.4 ± 0.3 @126 GeV

-canali individuali consistenti tra loro e (al momento) con il MS-H→γγ: μ=1.9±0.5 -canali con decadimenti fermionici ancora da stabilire

μ

Phys

. Let

t. B

716

(201

2) 1

-29

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

Proprietà del nuovo bosone: Massa

15

Compatibilità tra i diversi canali:stimata tramite fit simultaneo a mH e μ nei diversi canaliprobabilità che un bosone di Higgs singolo produca picchi in massa H→γγ e H→4l separati di più della quantità osservata: 8%

Misura della massa (solo H→γγ e H→ZZ*→4l) incertezza sistematica dominante: scala assoluta di energia

μ =σ/σSM

mH=126.0 ± 0.4(stat) ± 0.4(syst) GeV

Phys

. Let

t. B

716

(201

2) 1

-29

Proprietà: Accoppiamenti a Fermioni e Bosoni Vettoriali

16

A Higgs VS the SM Higgs ...

Masiero@Cracow(Barbieri@ICHEP2012)

ambiguità dovuta al segno tra kF e kv

Assunzioni:- una singola risonanza stretta a 126 GeV con JCP = 0+ - un solo scale factor comune per tutti i vettori kV e uno per tutti

i fermioni kF- no nuove particelle nei loop H→γγ e gg→H, e in ΓH

MS

ATLA

S-C

ON

F-20

12-1

27

Nel MS: ci = 1 e L(h→inv)~0

Accoppiamenti parametrizzati tramite fattori di scala ki delle sezioni d’urto di produzione e larghezze parziali di decadimento rispetto al Modello Standard (arXiv:1209.0040)Esempio:

Test ulteriori:

-accoppiamenti con W e Z (~simile per la simmetria custodiale): λWZ = kW/kZ

-possibili effetti BSM nei loop gg→H e H→γγ- coupling ai fermioni e ai vettori noti assunti avere lo

stesso valore del MS- kg e kγ interpretati come coupling effettivi

Proprietà: Accoppiamenti a Fermioni e Bosoni Vettoriali

17ATLAS-CONF-2012-127

68% CL95% CL

λWZ = kW/kZ =

al momento tutto consistente con il Modello Standard ...

BR(inv.)<0.68 (0.84) @68% (95%) CL

Higgs non standard: MSSM Higgs

18

Higgs carichi: H±→τ±ν

JHEP

120

6 (2

012)

039

,ATL

AS-C

ON

F-20

12-0

94

MSSM

Higgs neutri MSSM: Φ(h,H,A)→μμ,ττ - limiti stringenti nella regione di non-disaccoppiamento

(mA<150 GeV)

Settore di Higgs nel MSSM: 5 bosoni h, H, A, H+, H-, governato da 2 parameteri MA, tanβ a livello tree

il gap verrà chiuso presto ...Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

- al crescere di tanβ caratteristiche peculiari nella produzione e decadimento:- accoppiamento con bosoni vettoriali soppresso- accoppiamenti con fermioni di tipo down (up) favoriti (sfavoriti) ad alto tanβ

- limiti espressi nello scenario mhmax: ∀ tanβ,mA parametri settore t/b e masse gaugini fissati per dare mh massimo

- NOTA: se mA≫mZ → regime di disaccoppiamento: un solo higgs h tipo SM osservabile a LHC, gli altri higgs e gli scalari addizionali non osservabili

~~

SUSY: stop squark

19dettagli nella comunicazione di F.Meloni ...

ATLAS-CONF-2012-059/070/071/073/074

mH~126 GeV è pesante per la SUSY (almeno nel MSSM)- implica alte masse (non osservabili a LHC) degli squark (ma stop troppo massivo crea problemi di fine tuning)- oppure uno stop leggero (<0.5TeV) e grande mescolamento L-R (ma riduce σ(h→γγ))

Ricerca di produzione diretta di coppie di stop:- light-stop (mt ~ mt): t1 → b+ χ± , χ±→ W(*)+ χ0 → estensione delle ricerche usuali tramite uso b-tagging- heavy-stop (mt > mt): t1 → t + χ0 → ricerca tipo tt + MET

~~~

~-

Espinosa,Grojean,Sanz,Trott :arxiv:1207.7355v1

- oggi- assumendo μSM + σ(μ) = σ(μ)ICHEP/2- assumendo μICHEP + σ(μ) = σ(μ)ICHEP/2

Sommario: ricerche SUSY

20

testato un vasto intervallo di masse e parametri ... ma varie regioni ancora inesplorate e assunzioni forti nell’estrazione dei limiti → molto lavoro da fare e spazio per sorprese ...

Higgs più esotici: Hidden Valley Higgs

21

Ricerca di particelle neutre con lunga vita media predette in modelli HV

D. Ventura LLPHV Meeting10/06/2011

Process Studied

3

• Parameters:• mh = 120 GeV, 140 GeV• mπv = 20 GeV• c ! is arbitrary, chosen to give decays

throughout the detector• The pseudo-scalar πv decays to heavy flavor,

yielding ~10 low pT charged hadrons & ~5 π0’s• For this study, we select only events that have

passed the dedicated Hidden Valley triggers†

†See ATL-PHYS-PUB-2009-082 for details

pT of hadrons from πv decays

μμ

μμ

LeptonJets

Displaced decays

dettagli nelle comunicazioni di A.Gabrielli, A.Policicchio, D.Salvatore ...

Phys

.Rev

.Let

t. 10

8 (2

012)

251

801,

ATL

AS-C

ON

F-20

12-0

89

Sommario ricerche fisica esotica

22

ED

Contact Int.

V’LQ

f’

f*

altro

i run ad alta energia consentiranno di estendere notevolmente la regione esplorabile ...

Stefano Giagu - Risultati Recenti ATLAS - SIF 2012

Conclusioni e ProspettiveUltimi 12 mesi periodo di grandissimo interesse ed eccitazione per la comunità di ATLAS

scoperta (6 sigma) di una nuovo bosone di massa ~126 GeV compatibile con l’Higgs SMesplorazione dettagliata dello spazio delle fasi accessibile per individuare effetti dovuti alla SUSY o a nuova fisica in generale → al momento si è mostrata più difficile da trovare di quanto aspettato ...moltissimi test di precisione del Modello Standardin questo breve summary ho mostrato solo una minima frazione dei risultati disponibili!

... e tutto ciò con meno di 11 fb-1 di luminosità integrata!

LHC e ATLAS non si sono fermati, per fine Settembre avremo su disco ~20 fb-1 e ~30 per fine 2012 + dati collisioni PbPb

nuovi interessanti risultati da ATLAS per molti mesi a venireprossimi step cruciali per confermare (o smentire) la natura di SM Higgs del nuovo bosone:con 30 fb-1 (campione completo 2012):

osservazione e misura degli accoppiamenti con fermioni (Hbb, Hττ)misura spin/parità

run post-2013 ad alta statistica ed energia nel centro di massa:aiuteranno a derimere la questione in modo definitivo ...

... il meglio deve ancora venire!23