Studio della X(3872) all'esperimento CMS

Speaker: Alberto Vesentini

Università di Pisa, INFN sezione Pisa,

CMS (X3872 group)

28 settembre 2011

Conferenza SIF- L’Aquila

2 2

• Scoperta nel 2003 dalla Collaborazione Belle, nelle collisioni

e+ e- (il nome X deriva dalla sua natura “sconosciuta”);

• Conferme dalla Collaborazione BaBar e dagli esperimenti

adronici (CDF and D0, Tevatron);

• LHC ha visto questa particella in due esperimenti: LHCb e

CMS;

• Diverse interpretazioni sulla sua natura, numeri quantici:

JPC = 1++ or 2-+;

• Predizioni teoriche dalla NRQCD nelle collisioni pp.

La particella X(3872): motivazioni

3 3

• Possibili interpretazioni:

– Stato di quark c (charmonio);

– Molecola di particelle (mesoni D*);

– Stato di tetraquark.

• Decadimenti (visti finora):

–

–

–

Caratteristiche della X(3872)

Decadimenti del

charmonio

Spettro dei livelli

del charmonio

adroni

adroni

/)3872( JX

/)3872( JX **)3872( DDX

4 4

• Produzione diretta (prompt): direttamente dal punto

d’interazione dei fasci di protoni o dal decadimento di un

stato di charmonio più pesante;

• Produzione indiretta (non-prompt): dal decadimento di

mesoni B (contenenti un quark b), presenza di un vertice

secondario;

• Per l’analisi: simulati entrambi i casi usando il software

PYTHIA: partendo dalla particella χc1 con massa 3.872

GeV/c2 e JPC=1++.

Meccanismi di produzione

p p

μ+ μ- π+

π-

X,Ψ

J/Ψ

p p

μ+ μ- π+

π-

X,Ψ

J/Ψ

b

cτ Prompt

Non-Prompt

5 5

L’acceleratore LHC

Dati raccolti da CMS nel 2011;

Analizzati ~900fb-1.

• 4 esperimenti: ATLAS, ALICE, CMS e LHCb.

• Obiettivi: – Fisica del Modello

standard e oltre;

– Ricerca Supersimmetria;

– Ricerca materia ed energia oscura.

Parametri acceleratore Iniezione Collisione

Energia dei protoni [GeV] 450 7000

Gamma relativistico 479.6 7461

Numero di bunch 2808

Corrente circolante [A] 0.582

Dati analizzati da CMS.

~1fb-1 utilizzato nell’analisi.

6 6

• Buona identificazione e risoluzione del momento di muoni per |η| ≤ 2.5;

• Buona risoluzione dei momenti di particelle cariche nei tracciatori interni;

• Buona risoluzione elettromagnetica, per elettroni e fotoni;

• Buona risoluzione dell’energia persa e della ricostruzione della massa di dijet, con calorimetri adronici.

Il detector CMS

3.8 T

7 7

• Pioni ricostruiti nell’inner detector (Strip 9.3M canali,

Pixel 66M canali);

• Muoni ricostruiti usando anche il sistema dei muoni,

diversi tipi di muoni in base al segnale nel sistema dei

muoni;

• Definita una regione di accettanza per i muoni e per le

tracce;

• Utilizzati diversi trigger per selezionare gli eventi.

Ricostruzione di pioni e muoni

muoni pioni

Accettanza μ

CMS-PAS-BPH-10-002

8 8

Osservazioni della X(3872)

2003,Belle

CDF D0

2010, LHCb

Prima osservazione

X(3872)

)2( S

9 9

Misura del rapporto delle sezioni d’urto

• Estratto dallo spettro di massa invariante di J/ ψ π+π- il

numero di ψ(2S) e di X(3872);

• Il rapporto è definito così:

• Le accettanze ottenute da Monte Carlo e le efficienze dei

dati (diverse strategie per muoni e pioni);

• Diverse selezioni per le tracce dei muoni e dei pioni.

)()(A)()(A

)()(A)()(AC

//

//

JJ

JJ XXXX

CN

N

JSBRS

JXBR

S

X 1

)/)2(()altro)2((pp

)/)3872(()altroX(3872)(ppR

)2(

)3872(

10 10

Selezione candidato J/Ψ

Event display di una X(3872) simulata

• Per tutti i muoni (Tracker e Global):

– Nr di Pixel hits > 1;

– Nr di totat hits nel tracker (Strips+Pixel) > 11;

– Vertice χ2/NDF < 1.8;

– d0< 3cm e dz <15cm rispetto al vertice primario;

• Muoni global χ2/NDF < 20:

– Probabilità vertice J/Ψ > 0.01;

– Richiesto il matching dei muoni da J/ Ψ e quelli del trigger.

• Tagli cinematici (definita una regione di accettanza):

– pT > 3.3 GeV/c per |η|< 1.3;

– p > 2.9 GeV/c per 1.3<|η|< 2.2;

– pT > 0.8 GeV/c per 2.2<|η|<2.5.

Massa J/Ψ (GeV/c2) CMS-AN-11-010

11 11

Selezione pioni

• Scelta basata sugli studi Monte Carlo;

• Tagli di qualità: – Nr di Pixel hits > 1;

– Nr di Strips hits > 5;

– Vertice χ2/ndf <5;

• Tagli di accettanza: – π pT > 400 MeV/c;

– ΔR(J/ψ, π) <0.7 (per ridurre il fondo combinatorio, usato anche da CDF);

– pT (ππ) > 1.5 GeV/c.

• Selezione candidato: – Due muoni da una J/Ψ;

– Costrizione di J/ Ψ nel vertice a quattro tracce;

– Probabilità del vertice > 0.01;

– Massa: m< 5 GeV/c2.

• Regione di fiducia del candidato: – pT (X)>8 GeV/c;

– |y(X)|<2.2.

Dati 2010

Pione duro

Pione soffice

CMS-AN-11-010

CMS-AN-11-010

12 12

Fit senza bin, con il

metodo della massima

verosimiglianza;

Funzione fit Ψ(2S): 2

gaussiane;

Funzione fit X(3872): 1

gaussiana;

Funzione fit fondo:

polinomio di Čebyšëv, di

2°grado.

Spettro di massa: dati 2010

Parametri del fit:

NΨ(2S)=7460 ± 162

NX(3872)=542 ± 121

mΨ(2S)= 3685.9 ± 0.1 MeV/c2

σ1Ψ(2S)= 8.1 ± 0.6 MeV/c2

σ2Ψ(2S)= 3.3 ± 0.3 MeV/c2

mX(3872)= 3870.2 ± 1.9 MeV/c2

σX(3872)= 6.3 ± 1.3 MeV/c2

2010 data:~40 pb-1

X(3872)

Ψ(2S)

X(3872)

CMS-AN-11-010

CMS-AN-11-010

13 13

• Misure Prompt – non prompt (della Ψ(2S) e della X(3872),

nelle slides successive), ~20% di componente non-prompt;

• Il valore di correzione C risulta essere:

C = 0.908 ± 0.015(stat.)

e il rapporto risulta (dati 2010):

R = 0.084 ± 0.017 (stat.)

Data yield e calcolo del rapporto

)()(A)()(A

)()(A)()(AC

//

//

JJ

JJ XXXX

14 14

Errori sistematici relativi

• Parametrizzazione del segnale e del fondo: – Usate diverse funzioni per il fit della massa, i cambiamenti nel guadagno hanno

differenze fino al 5.3%.

• Variazione della frazione non-prompt della X(3872) e della ψ(2S): – Combinazione delle relative differenze nella componente non-prompt,

dell’ordine del 40%, portano a differenze del 6%;

• Incertezza dovuta all’efficienza di ricostruzione dei pioni: – Usato un metodo guidato dai dati, confrontando due decadimenti:

Ψ(2S)→J/Ψπ+ π- e Ψ(2S) → μ+ μ-: 4%;

• Mancanza di conoscenza del meccanismo di produzione della X(3872): – Studi sull’effetto al variare del pT: 3.5%;

• Incertezza dovuta alla limitata grandezza dei campioni Monte Carlo: – stimata 1.5%.

15 15

• Correzioni:

– Branching ratio (da

PDG);

– Accettanza e

efficienze della J/Ψ e

della Ψ(2S) nel canale

coi muoni.

• Il rapporto è:

R=0.35 ± 0.04;

• Consistente con gli studi

sul Monte Carlo.

Efficienza dei pioni dai dati

Ψ(2S)

J/Ψ

Confrontando il numero di ψ(2S) che decadono in μ+ μ- e quelle

in J/Ψ π+ π-;

CMS-AN-11-010

16 16

Tabella delle incertezze

Efficienza delle tracce dei pioni 4.0 %

Estrazione segnale 5.3 %

Componente non-prompt 6.0 %

Cambio pT della X(3872) 3.5 %

Statistica Monte Carlo 1.5 %

Errore sistematico 10.0 %

Risultato corretto

R = 0.084 ±0.017 (stat.) ±0.009 (sis.)

Analisi pubblicata: CMS BPH-10-018

http://cms-physics.web.cern.ch/cms-physics/public/BPH-10-018-pas.pdf

17 17

• Richieste

modifiche ai tagli:

– pT (π)>0.7GeV/c;

– pT(X)>9 GeV/c;

– |y(X)|<1.25.

• Trigger diversi,

dovuti all’alta

statistica:

– pT(μ)>6-7 GeV/c;

– μμ massa vicino

a J/ Ψ (3.091

GeV/c2).

I primi dati del 2011

Stesse funzioni di fit; circa 900 pb-1 di dati analizzati

~10 volte la statistica del 2010!

work in progress

18 18

• N(cuts): eventi che passano tutti i tagli;

• N(cuts + cτ): eventi che passano tutti i tagli + cτ>0.1mm

(cτ per richiedere il decadimento da B);

• B e P: efficienze da Monte Carlo, del taglio in cτ>0.1mm.

Calcolo della componente non-prompt

Non-prompt

Prompt Monte Carlo cτ

promptpromptnon

promptpromptpromptnonpromptnon

NNcutsN

PNBNccutsN

)(

)(

p p

μ+ μ- π+

π-

X,Ψ

J/Ψ

b

cτ

work in progress work in progress

19 19

Spettro di massa: dati 2011 + cτ

Senza taglio in cτ

Con taglio cτ>0.1mm

work in progress

work in progress

work in progress

2011 Data cτ

20 20

2010 (minore statistica, ~40 pb-1) (work in progress):

• Nnon-prompt/Ncuts= 0.488±0.023(stat.) Ψ(2S)

• Nnon-prompt/Ncuts= 0.41±0.18(stat.) X(3872)

2011 (~900 pb-1) (work in progress):

• Nnon-prompt/Ncuts= 0.512±0.006(stat.) Ψ(2S)

• Nnon-prompt/Ncuts= 0.163±0.033(stat.) X(3872)

• La differenza dei dati 2011 rispetto ai dati 2010 è di ~1.4σ;

le due misure sono compatibili.

Risultati

21 21

• Conclusioni:

– Misurato il rapporto delle sezioni d’urto della Ψ(2S) e della X(3872);

– Analizzati i primi dati del 2011;

– Misurata la componente non-prompt dei dati del 2010 e del 2011.

• Prospettive:

– Misura accurata della massa della X(3872);

– Misurare la sezione d’urto differenziale della X(3872);

– Capire il meccanismo di produzione della X(3872) e misurarne i

suoi numeri quantici.

Conclusioni e prospettive

Fine!

Grazie per l’attenzione!

Back up slides

24 24

• Leptoni e quark come particelle

elementari;

• Adroni: composti di quark:

– Mesoni: quark + antiquark;

– Barioni: quark + quark + quark (o 3 antiquark);

• Dinamica descritta dalla cromodinamica

quantistica (QCD);

• La simmetria è descrivibile con il gruppo

SU(3), usando solamente fino al quark c;

Modello a quark

from Wikipedia

25 25

LHC: sistema di accelerazione

26 26

L’esperimento CMS II

27 27

Caratteristiche candidato X(3872)

pT pione hard pT pione soft

Probabilità vertice (dati e MC) Pixel e Silicon Hits dei pioni

pT del sistema di pioni e ΔR(J/Ψ,π)

22 R

CMS-AN-11-010 CMS-AN-11-010

CMS-AN-11-010

CMS-AN-11-010

CMS-AN-11-010

28 28

Campioni usati

• Datasets: tutti I dati 2010 disponibili: – MuOnia/Run2010A-Dec22ReReco_v1/AOD;

– MuOnia/Run2010B-Dec22ReReco_v1/AOD.

• Selezione dei run buoni: Muon Physics JSON File;

• Selezione del trigger (~ 40 pb-1): – Runs 136033–147195: HLT_DoubleMu0;

– Runs 147196–149442: HLT_DoubleMu0_Quarkonium_v1.

• Produzione Monte Carlo: da χc1 con X(3872) JPC=1++:

– 1M di X(3872) e Ψ(2S) prompt e non-prompt;

• CMSSW release: 3_9_7.

29 29

• Studiata

l’accettanza della

J/Ψ al variare del

pT e della |y| della

X(3872);

• La regione di

fiducia dell’analisi è

stata scelta

escludendo le zone

con bassa

accettanza;

• Regione:

– pT (X)>8 GeV/c;

– |y(X)|<2.2.

Regione di fiducia della X(3872)

CMS-AN-11-010

30 30

Fattorizzazione di C

• Dove i vari termini sono:

– Accettanza della J/ψ (AJ/ψ): Frazione delle J/ψ generate con i 2 muoni nella regione di accettanza.

– Efficienza della J/ψ (εJ/ψ): Frazione delle J/ψ con 2 muoni nella regione di accettanza, triggerate e

ricostruite.

– Accettanza × Efficienza dei pioni (Aππ · εππ):

Frazione delle X(3872) o delle ψ(2S), con una J/ψ triggerata e ricostruite,che

passano tutte le selezioni.

• I componenti di C sono determinati separatamente per le X(3872) e per la

ψ(2S); usate simulazioni Monte Carlo per la parte prompt e non-prompt.

AJ/ψ(X) · εJ/ψ(X) · Aππ(X) ·εππ(X)

AJ/ψ(ψ’) · εJ/ψ(ψ’) · Aππ(ψ’) ·εππ(ψ’)

C =

31 31

Taglio Intervallo di variazione

del valore

Massima deviazione nel

rapporto

Singolo π pT Da -13 % a +50 % 5.7 %

Sistema ππ pT Da -20 % a +20 % 7.0 %

Nr Strip Hits Fino a 50 % 9.7 %

Probabilità del vertice Fino a 500% 1.5 %

χ2 della traccia del pione Fino a 40 % 11.5 %

ΔR(J/ψ,π) Da -20 % a +20 % 10 %

pT minimo del candidato Fino a 33% 4.6 %

Stabilità dei tagli

32 32

Metodo di sottrazione delle sidebands

• Utilizzando lo spettro di massa

invariante, si sottrae al

candidato nella zona

interessata, gli eventi nelle

code.

• Ottimo accordo tra i dati e la

simulazione.

Candidato Ψ(2S) e X(3872)

J/ Ψ proveniente da Ψ(2S) e X(3872)

CMS-AN-11-010

CMS-AN-11-010

CMS-AN-11-010

33 33

• Utilizzato il match nel

Monte Carlo delle tracce

con la verità Monte Carlo;

• Match con la richiesta:

Studio per abbattimento del fondo

Massa invariante

Pione duro Pione soffice

MC segnale prompt

01.0||

traccia

reco

traccia

MCverità

traccia

reco

p

pp01.0

||

traccia

recoT

traccia

MCveritàT

traccia

recoT

p

pp

work in progress work in

progress

work in progress

34 34

Prompt - Non prompt X pT

Prima Dopo il taglio in accettanza

dei muoni

35 35

Polinomio di Čebyšëv

n

k

k

kn xTcxTN

ccxT0

0

0 ))()((1

),...;(

• Dove Tk(x) è il

polinomio di

grado k-esimo;

• Il caso banale

è: T(0)=1.