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Claudia Giuliani A.A. 2009-2010 Particelle 3

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UA2� Rivelatore� Selezione degli eventi� Misura delle masse dei bosoni W e Z e della

larghezza di decadimentolimite sul numero di famiglie di neutrini

�ALEPH� Rivelatore� Selezione degli eventi� Campioni� Determinazione dei parametri della risonanza della Z

�Bibliografia

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Calorimetro adronico e elettromagnetico 40°<θ<140°300° angolo azimutaleResto coperto dal wedge detector (spettrometro)

Regioni frontali: 12 magneti toroidali

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� L dt�142 nb�1 �s�546 GeV

� L dt�768nb�1 �s�630 GeV

W��e��e �e�

Z�e��e�Decadimenti studiati:

Identificazione degli elettroni: 0°<φ<360°, 20°<θ<160°

Il calorimetro è suddiviso in 2 regioni: una centrale e 2 frontali

Cluster di energia: unione di celle adiacenti che contengano almeno 0.4 GeV Ecl�Eem�Ehad

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Calibrazione delle celle del calorimetro su un fascio di elettroni di 10 GeV risoluzione energetica:

! Errore principale nella misura dell'energia: incertezze

sistematiche nella calibrazione del calorimetro� Scala assoluta: ±1.5% + Incertezza calibrazione cella

cella: 2.5%� Degradazione degli scintillatori

Incertezza sistematica totale stimata: 1.6%Calorimetri frontali: ±2.5% scala + 2.5% calibrazione c.-c.

e�0.14�E

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Identificazione di eventi W eν

Trigger hardware: deposito di ET>10 GeV in una matrice di 2x2

celle in coincidenza con un segnale di minimo bias a basso angolo

Candidato elettrone: cluster ricostruito di ET

e>10 GeV che soddisfi: 1)dimensioni laterali piccole e poco leakage nella parte adronica

2)Ricostruzione di una traccia carica che punti al cluster

Nelle direzioni frontali:3) il momento della traccia ricostruita deve essere consistente con i depositi energetici nel calorimetro4)Hit nei contatori presciame posti davanti ai calorimetri

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Efficienza nell'identificazione di elettroni di alto momento trasversoRegione centrale: η=0.71±0.07Regione frontale: η=0.79±0.03

Ricostruzione del momento dei neutrini:

Massa trasversa

5340 eventi che contengono almeno un candidato elettrone di p

T>11 GeV (se ci sono più elettroni è tenuto il più energetico)

pT� pT

miss�� pT

e�� pT

cl� pT

sp� , ET

cl�3 GeV

mTe��2 pT

e pT1�cos���

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Fondo adronico

W�e pTe�pt

Z�e� e�

Selezione degli elettroni con p

T>20 GeV per

diminuire fondo

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Contributi al fondo:�Adroni e getti misidentificati�Decadimenti W->τν�Decadimenti Z->e+e- in cui un elettrone esce dall'accettanza del rivelatore

Dei decadimenti W->eν 80% soddisfa le richieste cinematiche: p

Te>20GeV e

mT

eν>50GeV

Campione finale 251 eventi

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Identificazione di eventi Z e+e-

Trigger evento: 2 depositi simultanei nel calorimetro elettromagnetico di E

T >5 GeV in una matrice di celle 2x2

separate da un angolo φ>60°È sempre richiesto un segnale di minimo bias in coincidenza.

W: ET >10 GeV se applicata ai 2 cluster dello Z l'efficienza è troppo bassa =>

profili di energia consistenti con gli elettroni

posso avere criteri di selezione meno stringenti di quelli usati per il W mantenendo una buona efficienza di identificazione e di reiezione del fondo.

Elettroni ben isolati da altri depositi nel calorimetro:meno di 7 GeV in un cono di 30°

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Distribuzione di massa invariante della coppia di elettroni: visibile picco Z

54 eventi mee

>76GeV

Distribuzione finale:Un candidato e deve avere:�p

T della traccia ricostruita

consistente con i depositi energetici nel calorimetro (matching spaziale)�Hit nei contatori presciame

39 eventi mee

>76GeV

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Stima di MW: si comparano la distribuzione di massa ottenuta con

mT

eν>50GeV e quella prevista dal decadimento del W.

Generatore MC per avere la distribuzione per diversi valori di MW. ! La distribuzione di massa dipende solo debolmente dal meccanismo di produzione del W.

Best fit:(90% C.L.)

La larghezza di decadimento è fittata come ulteriore parametro liberoStat: risoluzione misura di energia e incertezze cella-cellaSys1: bias sistematici nella misura di p

Tν

Sys2: incertezza della misura sulla scala complessiva di energia di calibrazione del calorimetro

mW�80.2�0.6stat ��0.5 sys1��1.3sys2� GeV�W�7 GeV

Alternativa: stima di MW dalla distribuzione di p

Te

stima libera dall'incertezza su pTν ma più sensibile alla

distribuzione dettagliata di pT

W.Selezionando un sottocampione con p

TW<15 GeV il risultato è

compatibile con quello trovato precedentemente.

Con un profilo di Breit-Wigner, MZ è stata valutata con un fit della

massa di un sottocampione di 25 eventi per cui era stata misurata accuratamente l'energia di entrambi gli elettroni e per cui m

ee>76 GeV

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mZ�91.5�1.2 stat ��1.7 sys � GeV

mZ�mW�11.3�1.3stat ��0.5 sys1��0.8sys2� GeV

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Misura diretta di ΓZ difficile: è necessaria una conoscenza dettagliata della forma della risoluzione di massa.L'errore medio stimato (3.1 GeV) è dello stesso ordine di grandezza della larghezza ΓZ

Si può ottenere una stima indipendente, ma dipendente dal modello usato, del rapporto delle larghezze di decadimento di W e Z:

�Z�2.7�2.0 stat ��1.0 sys � GeV�5.6 GeV 0.9C.L.�

�Z

�W

�Rexp Rtheor Rlept� W�e� Z�ee�

� Z

W

��W�e�� Z�ee�

Rexp�7.2�1.2�1.7 stat �

Rtheor e Rlept dipendono da sin2�W

Determinata dall'esperimento

Valutate da SM

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Il prodotto dei due rate calcolati teoricamente varia solo dell'1% nel range

L'incertezza più importante deriva dall'uso di diversi set di funzioni di struttura per il calcolo del rate teorico:

Il rapporto tra le larghezze è quindi:

Questo rapporto è sensibile sia al numero di famiglie di neutrini, sia alla massa del quark top

sin2�W�0.232�0.009

0.285�Rtheor�0.325 � Rtheor�0.305�0.020

�Z

�W

�0.82�0.14�0.19 stat��0.06theor �

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Variazione del rapporto ΓZ/Γ

W al

variare di mt per 3,4 e 7 famiglie

di neutrini.Le barre di errore rappresentano il range di valori al variare di sin2θ

W

È segnato anche il valore del rapporto trovato.I dati escludono più di 7 famiglie di neutrini se non si fanno richieste su m

t.

Se mt>74 GeV il limite

scende a 3 famiglie

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Misure di precisione del vertice di interazione

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ITC: 8 strati di camere a drift cilindriche13cm<r<29cm, traccie 14°<θ<166° attraversano 8 strati

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TPC: fino a 21 coord. spaziali ricostruite 47°<θ<133°4 coordinate: fino a θ=15°31cm<r<180cm, L=4.4m

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ECAL: sandwich Pb-camere a fili. Readout suddiviso in torri proiettive 1°x1°, 3 gruppi di 4,9 e 9 lunghezze di radiazione. Endcaps: 11°<θ<40° e 140°<θ<169°, barrel: 40°<θ<140°

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Campo magnetico di 1.5 T

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HCAL:23 strati di tubi streamer intervallati dal ferro del giogo di ritorno del magnete. Moduli rotati di 2° rispetto a ECAL. θ fino a 6°

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LCAL~ECAL 50mrad<θ<180mrad. Per sciami da eventi di luminositàSmall Angle Tracking Chamber: 9 piani tubi a drift 40<θ<90 mrad misure precisione tracce e di piccolo angolo

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Lo Z può decadere con probabilità comparabili in tutte le specie di fermioni cinematicamente compatibili.Il rate di decadimento in particelle leggere, neutre e penetranti come i neutrini può essere misurato attraverso un aumento della larghezza Γ

Z.

Una famiglia addizionale di neutrini porta un aumento del 6.6% di Γ

Z. Inoltre la sezione d'urto del picco diminuirebbe del 13%

Le incertezze legate alla non conoscenza di mt, agli effetti

radiativi elettrodeboli e all'incertezza nel rapporto tra le larghezze parziali leptoniche e adroniche si cancellano quasi totalmente.Correzione radiativa: grande ma ben conosciuta

�Z�N ��3� ee��had

fpeak

�12�MZ

2

� ee� fin

� Z2 1��rad�� f

01��rad �

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Misura delle sezioni d'urto: rapporto tra il numero di decadimenti selezionati della Z (eventi adronici) e il numero di eventi e+e- di basso angolo da scattering Bhabha (eventi di luminosità)

Primi dati di LEP 20 settembre-9 ottobre 1989

Selezione di eventi adronici:1)Trigger basato su ECAL: 6GeV depositati nel barrel o 3GeV in uno degli endcap o 1GeV in coincidenza negli endcap2)Coincidenza ITC-HCAL per particelle cariche penetranti: 6 piani di cavi ITC e 4-8 piani di tubi HCAL nella stessa

regione φ

� L dt�64 nb�1 picco

� L dt�88nb�1 lati picco

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Selezione di eventi di luminosità:1)Coincidenza di 15GeV in un LCAL con 10GeV nell'altro2)32GeV in uno dei due LCALRegistrati trigger con soglie a 10 e 15 GeV su ciascuno dei due bracci per una stima del fondo legato al fascio.

Eventi processati simultaneamente con lo stesso sistema di trigger e programmi di acquisizione e ricostruzione.Ogni evento è stato registrato con lo stato dei trigger e dei rivelatori.

Gli eventi sono accettati solo se tutti i trigger e i rivelatori sono funzionanti.

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Eventi adroniciDue selezioni indipendenti di eventi per permettere un controllo:

1)Selezione con le tracce TPC: 3112 eventidecadimenti adronici selezionati solo sulla base di almeno 5

tracce cariche.

φ>18° per poter essere ricostruite da almeno 4 coordinate TPC La performance è in completo accordo con le aspettative.

Stima dell'accetanza: simulazione completa del processo e+e-->adroni.

Efficienza: 0.975±0.006 (picco)

� E�0.10��s

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Proprietà usate per il calcolo dell'accettanza:

�energia totale delle particelle cariche� molteplicità delle tracce� distribuzione di sfericità� distribuzione angolare

tutte in buon accordo con la simulazione

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Contaminazione del campione� coppie di τ da decadimenti Z: (5.1±1.5) eventi

3 eventi compatibili coll'ipotesi nel campione.

�1evento dato da interazioni del fascio con il gas residuo (eventi che passano le selezioni salvo per la posizione longitudinale del vertice)�eventi e+e-->e+e-+adroni: contaminazione 0.5x10-3 alla sezione d'urto del picco.

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2)Selezione coi calorimetri: 3320 eventiselezione di eventi adronici e τ.

di cui almeno 6GeV nel barrel o 1.5GeV in ciascun endcap dell'ECAL, così si riducono gli eventi γγ e µµ ad un livello trascurabile.

Eventi e+e- ad alto angolo: rigettati sulla base della forma stretta nei cluster del calorimetro.

Per eliminare fondo di eventi senza traccia: raggi cosmici: taglio sul tempo e sul numero minimo di cluster (2) di almeno 3GeV nel calorimetro

�calE�20 GeV

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Efficienza: 0.994±0.005 (eventi adronici) 0.60±0.05 (eventi τ)

Efficienza totale: 0.974±0.006

Contaminazione < 0.4%

Efficienza di Trigger: contando gli eventi in cui sacattavano i trigger di ECAL(100%) e/o ITC-HCAL(87%)

efficienza complessiva 100%

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Eventi di luminosità

depositi di energia nelle torri LCAL ricostruite in entrambi i lati.Cluster di torri E>50MeV

Selezione asimmetrica per ridurre la dipendenza dai parametri del fascio: su un lato più del 50% di E in un volume fiduciale e E

lato>55%

dell'energia del fascioSull'altro lato E

lato>44% dell'energia del fascio

Δφ>170°

Bhabha�31.12�0.45exp�0.31theor� nb � s�91 GeV , MZ�91 GeV

σ calcolata con un generatore al 1° ordine, con simulazione del detector

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Contaminazione �da fondo legato al fascio: stimata da trigger su un solo lato combinati in eventi a doppio lato, normalizzati alle coincidenze reali con Δφ<90° ~1% �da fonti fisiche e+e-->γγ o e+e-->e+e-ff : <2x10-3

Efficienza di trigger: 0.997±0.002

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Eventi selezionati:

Fit 1:M

Z, Γ

Z e σ

f0 estratti con

poca dipendenza dal modello

Fit 2:M

Z e N

ν trovati con le

restrizioni del MS

Risonanza Breit-Wigner con larghezza dipendente da s

�Z�N ��3�ee��had

0�12�MZ

2

�ee� fin

�Z2

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MZ�91.174�0.055exp�0.045LEP� GeV

LEP: incertezza nella misura dell'energia media delle collisioni e+e-

MZ in accordo con le due migliori

misure precedenti, incertezza minore di un fattore 2

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Nel MS Γee

,Γhad

e Γν

calcolabili con incertezza ~1%:�Effetti radiativi elettrodeboli dovuti a particelle sconosciute�Valore della costante di accoppiamento forte

Predizioni del MS per 2,3,4 famiglie di neutrini

Da un fit con MZ e N

ν come

parametri liberi si ottiene:

N�3.27�0.30

���*��#����

“The demonstration that there is a third neutrino confirms that the τ neutrino is distinct from the e and µ

neutrinos. The absence of a fourth light neutrino indicates that the quark-lepton families are closed with

the three which are already known, except for the possibility that higher order families have neutrinos with

masses in excess of ~30 GeV”

+�,���"��-��

UA2 Collaboration, “Measurement of the Standard Model parameters from a study of W and Z bosons”, Phys. Lett., 186B, 440 (1987)

ALEPH, “The number of light neutrino species”, Phys. Lett., B231, 519 (1989)

R.Cahn and G.Goldhaber, The experimental Foundations of Particle Physics, Cambridge University Press

D.Perkins, Introduction to high energy physics, Addison Wesley