Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 1 30/03/2005 Studio preliminare...

Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHCStudio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHC 1130/03/200530/03/2005

Studio preliminare della Studio preliminare della produzione Z+b produzione Z+b

nell’esperimento ATLAS nell’esperimento ATLAS ad LHCad LHC

Sara DiglioSara Diglio


IndiceIndice• Introduzione a LHC : l’ esperimento ATLASIntroduzione a LHC : l’ esperimento ATLAS

• Motivazioni dello studio del canale Z+bMotivazioni dello studio del canale Z+b

• Risultati ottenuti al Tevatron all’esperimento D0Risultati ottenuti al Tevatron all’esperimento D0

• Aspettazioni al Tevatron e ad LHCAspettazioni al Tevatron e ad LHC

• Il software: programmi di simulazioneIl software: programmi di simulazione

• Studi preliminari Z+b ad ATLAS:Studi preliminari Z+b ad ATLAS:

- definizione degli eventi di segnale e di fondodefinizione degli eventi di segnale e di fondo

- criteri di selezione del campione di segnale- criteri di selezione del campione di segnale

- stima del numero eventi di segnale e di fondo attesi nel - stima del numero eventi di segnale e di fondo attesi nel primo anno di presa dati ad LHCprimo anno di presa dati ad LHC

- distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come - distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come provenienti da un quark bprovenienti da un quark b

• ConclusioniConclusioni

30/03/200530/03/2005Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad Studio preliminare della produzione Z+b all'esperimento ATLAS ad LHCLHC

33

L’anello di collisione LHCL’anello di collisione LHCIl Large Hadron

Collider è un collisore adronico protone-protone

(ione-ione)che verrà installato al

Cern di Ginevra nel tunnel che ha ospitato

il LEP

Protone-protone 2835 X 2835 pacchetti Protoni/pacchetto

Energia dei fasci 7 + 7 TeV = 14 TeV

Luminosità cm s

Collisioni - Hz

1110

3410 1 1

710 910

Vari rivelatori sono in costruzione per LHC per

registrare ciò che accade nelle collisioni tra particelle

Uno di questi esperimenti èATLAS

2 _4.r Km

jetjet

Particelle


Il rivelatore ATLAS

Rivelatore interno

Misura i parametri delle particelle cariche:

• segno della carica• momento della particella• direzione iniziale• vertice di interazione

Calorimetro elettromagnetico

Misura energia dielettroni, positronie fotoni prodotti dasciami elettromagnetici

Calorimetro adronico

Misura energia degli adroni prodotti dasciami adronici

Spettrometro per muoni

Misura l’ impulso dei muoni (che sono le uniche particelle cariche che non rilasciano energia nei calorimetri)

| | 2.5

A Toroidal Large Acceptance Spectrometer

Regione centraledel barrel

copertura angolare

impulso trasverso dei jet GeV 15tp

Regione degli end-caps


55

Motivazioni dello studio del Motivazioni dello studio del canale Z+bcanale Z+b

• Informazioni sulla funzione di densità partonica del quark b

• Fondo alla ricerca dell’Higgs supersimmetrico che decade negli stessi stati finali della Z

• Fondo alla ricerca dell’

Higgs del MS nel canale

pp ZH con H bb

Canale bg Canale bg Z+bZ+b

1 solojet

Nel rivelatore ci si aspetta di osservare: - 1 jet proveniente dal quark b - i prodotti di decadimento dello Z


66

Eventi di fondo al canale Eventi di fondo al canale Z+bZ+b

• Z + c

• Z + Q Q

• Z + jet

quark leggero gluone

Quark pesanti: b , c

1 solojet


77

Risultati ottenuti al Risultati ottenuti al Tevatron dall’esperimento Tevatron dall’esperimento

D0D0

1.96cmE

Il Tevatron è un collisore adronico protone-antiprotone attualmentein funzione al Fermilab all’energia nel c.m TeVD0 è l’esperimento che sta utilizzando i dati raccolti tra l’ Agosto 2002 e il Settembre 2003 per studiare il canale p p Z b

0.0050.024 0.005( ) ( )

0.004

Z bstat syst

Z j

0.018 0.004Z b

Z j

TEORIA NLO (F.Maltoni et al.)ESPERIMENTO

Algoritmo di analisi

• Selezione eventi Z+jet con o• Applicazione b-tagging• Calcolo numero eventi contenenti quark b, c o leggeri (assumendo Nc/Nb dalla teoria)

Z e e Z

( )

( )b

b c L

NZ b

Z j N N N


88

Predizioni teoriche ad LHC Predizioni teoriche ad LHC e al Tevatrone al Tevatron

Non consideratenello studio

effettuato perLHC

I calcoli sono stati effettuati da Maltoni et al. al NLO [arXiv:hep-ph/0312024]:

Il processo risulta più favorito ad LHC che al TEVATRONLHC: contributo Zbb ~5% del segnaleTEVATRON: contributo Zbb ~50% del segnaleLHC: il fondo supera il segnale di ~35% TEVATRON: il fondo supera il segnale di ~70% LHC: il fondo è 15 volte il segnaleTEVATRON: il fondo è 75 volte il segnale


99

Il software: generazione e Il software: generazione e ricostruzionericostruzione

“vita reale” “realtà virtuale”

Produzione di eventi

Osservazione e registrazione degli eventi

Macchina eventi Generatore di eventi

Simulatore del rivelatoreRivelatore, acquisizione dati

Ricostruzione degli eventi

Analisi fisicaI programmi di simulazione sono utilizzati per valutare la possibilità di osservare o meno un determinato segnale

I Monte Carli sono anche usati per calcolare efficienze ed accettanze che saranno usate per correggere misure reali distorte da selezioni sperimentali

Lo studio è stato interamente realizzato attraverso l’uso di programmi di simulazione


1010

Il software: generazione e Il software: generazione e ricostruzionericostruzione

1.1. generatore di eventi: generatore di eventi: PYTHIA PYTHIA

2.2. simulatore veloce del rivelatore: simulatore veloce del rivelatore: ATLFASTATLFAST

Lo studio è stato interamente realizzato attraverso l’uso di programmi di simulazione

PYTHIA

• Descrive collisioni tra particelle elementari ad alte energie

• E’ in grado di effettuare calcoli solo all’ordine leading

Cascata partonica:stato finale

Cascata partonica:stato iniziale

Adronizzazione

ATLFAST

• Simulatore veloce della risposta del rivelatore ATLAS•Solo informazioni basilari sulla geometria del rivelatore sono incluse• Ricostruzione al particle-level• Parametrizzazione basata sui risultati del simulatore completo

• particelle generate da PYTHIA• particelle isolate e non• celle calorimetriche• cluster• jet• energia mancante

Informazioni forniteGENERAZIONE

RICOSTRUZIONE


1111

Studi preliminari Z+b in ATLASStudi preliminari Z+b in ATLAS

• Generazione con Generazione con PYTHIAPYTHIA di un campione di 500000 di un campione di 500000 eventi eventi Z+jetZ+jet (di qualunque flavour) con e (di qualunque flavour) con e ricostruzione con ricostruzione con ATLFASTATLFAST

• Definizione degli eventi di segnale e di fondoDefinizione degli eventi di segnale e di fondo• Selezione del campione di segnale:Selezione del campione di segnale: - - metodo inclusivo di b-taggingmetodo inclusivo di b-tagging dei jetdei jet - - efficienza di riconoscimento degli eventi Z+befficienza di riconoscimento degli eventi Z+b• Stima della componente di fondo nel campione Stima della componente di fondo nel campione

selezionatoselezionatosperimentalmentesperimentalmente

• Numero di eventi di segnale e di fondo attesi nel primo Numero di eventi di segnale e di fondo attesi nel primo anno di presa dati dell’esperimento ATLASanno di presa dati dell’esperimento ATLAS

• Distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come Distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come provenienti da un quark bprovenienti da un quark b

E’ stato effettuato uno studio preliminare delle possibilità di studio del canale Z+b all’esperimento ATLAS

Z


1212

Definizione del segnale e del Definizione del segnale e del fondofondo

• L’evento deve L’evento deve contenere un quark contenere un quark bb prodotto in prodotto in associazione a uno associazione a uno ZZ

• Impulso trasverso Impulso trasverso del quark del quark bb: : GeV GeV

• Pseudorapidità del Pseudorapidità del quark quark bb::

15tp

Segnale (S) Fondo (B)

| | 2.5 | | 2.5

| | 2.5 15tp

15tp

1. Z+c: in associazione a uno Z l’evento deve contenere un quark c con: - GeV e

2. Z+q oppure Z+g: in associazione a uno Z l’evento deve contenere un quark leggero o un gluone con: - GeV e

3. Z+altro tutto ciò che non rientra nel segnale e nei fondi di sopra

Il segnale è pari a ~1.4% degli eventi

totali generati (7222 eventi)

Gli eventi di fondo sono quelli erroneamente identificati come

Z+b


1313

Selezione del campione di Selezione del campione di segnalesegnale

• Presenza di almeno un jet adronicoPresenza di almeno un jet adronico

• Presenza di almeno due muoni di carica oppostaPresenza di almeno due muoni di carica opposta

• Impulso trasverso dei muoni: Impulso trasverso dei muoni: GeVGeV

• Accettanza dei muoni:Accettanza dei muoni:

• Intervallo di massa invarianteIntervallo di massa invariante

80 GeV 105 GeV80 GeV 105 GeV

( ) 20tp | ( ) | 2.5

M

A seguito di queste selezioni il campione di 500000 eventi è ridottoa ~ 66 % degli eventi totali generati ( 332534 eventi)



Metodo inclusivo di b-tagging dei jet

A seguito dei tagli sperimentali applicati per isolare il campione di eventi di segnale, è stata richiesta la presenza nell’evento di

almeno 1 jet identificato come proveniente da un quark b

Vertice primario dell’interazione

parametro di impatto

Traccia estrapolata all’indietro

Vertice secondario, l’adrone bottomato decade

• L’ adrone contenente un quark b è generato nel vertice primario dell’ interazione• il vertice primario è determinato estrapolando all’ indietro le tracce cariche nella regione di collisione tra i due fasci• Le tracce mal compatibili con il vertice primario sono rimosse dal fit in iterazioni successive

Il tempo di vita medio di un adrone contenenteun quark b ( ~ 1.5 ps) è abbastanza lungo da permettere a un adrone di energia attorno ai30 GeV di percorrere una distanza L ~ 3 mm prima di decadere


1515


Segnale Presenza di almeno

2 muoni di carica

opposta

Presenza di almeno

un jet

GeV( ) 20tp

105 GeV80 GeV M

Presenza di un jet

identificato come b

Efficienza di riconoscimento degli eventi Z+b con Z 7222

6143

4552

37063364

1022

selN in S

S


1616

Stima della componente di fondo nel Stima della componente di fondo nel campione selezionato campione selezionato

sperimentalmentesperimentalmenteSugli eventi di fondo sono stati applicati gli stessi criteri di selezione

utilizzati per gli eventi di segnale

selfondo

N in B

B

Probabilità di errore nell’identificazione degli eventi Z+b con

Z


1717

Numero di eventi attesiNumero di eventi attesiE’ stato calcolato il numero di eventi di segnale e di fondo attesi nel

primo anno di presa dati all’esperimento ATLAS

int ( )i i iN L BR Z

Luminosità integrata prevista per il primo anno di presa dati

1int 10L fb

Efficienza = frazione di eventi selezionati dai tagli sperimentali

Sezioni d’urto teoriche per i processi di segnale e di fondoProbabilità di decadimento della Z in due muoni

( ) 0.03366 0.00007BR Z

Purezza

. .

b

b c q o g altro

Np

N N N N

(42.5 2.8)%p

i : - Z+b - Z+c - Z+q o Z+g - Z+altro


1818

Distribuzioni di impulso trasverso Distribuzioni di impulso trasverso dei jet identificati come provenienti dei jet identificati come provenienti

da un quark bda un quark b

33.41 26.00

Segnale Fondo


1919

Efficienza di b-tagging e Efficienza di b-tagging e probabilità di mistagging dei probabilità di mistagging dei

jetjet33.4 32.4

27.3 23.1

Z + b Z + c

Z + q o g Z + altro

Efficienza e probabilità di errore

nell’ indentificazione di un jet

proveniente da un quark b


2020

Conclusioni Conclusioni • E’ stato effettuato uno studio preliminare del canale Z+b E’ stato effettuato uno studio preliminare del canale Z+b con ad ATLAS usando un simulatore velocecon ad ATLAS usando un simulatore veloce• E’ stato considerato il E’ stato considerato il metodo inclusivo di b-taggingmetodo inclusivo di b-tagging• Gli eventi saranno osservabili con buona statistica e Gli eventi saranno osservabili con buona statistica e

buona purezza:buona purezza: -- efficienza di selezione del segnaleefficienza di selezione del segnale - purezza del campione- purezza del campione

• La misura sarà dominata da effetti sistematici: sarà La misura sarà dominata da effetti sistematici: sarà possibile, in futuro studiare tali sistematichepossibile, in futuro studiare tali sistematiche

• Nel futuro sarà possibile effettuare gli stessi studi con Nel futuro sarà possibile effettuare gli stessi studi con l’utilizzo di un simulatore completo e un generatore al NLO l’utilizzo di un simulatore completo e un generatore al NLO includendo gli eventi di fondo trascurati in questo studio includendo gli eventi di fondo trascurati in questo studio preliminarepreliminare

Z

(14.1 0.4)% (42.5 2.8)%p


2121

Grazie a tutti !!!!

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