Fisica con W e Z a LHC

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1 Fisica con W e Z a LHC C. Rovelli (INFN Roma1) per le collaborazioni ATLAS & CMS Incontri di Fisica delle Alte Energie, Bo, 26-28/03/08

2 Produzione di W e Z LHC e una W / Z factory σ x BR (pb) evt 10 pb -1 (con ε~20%) σ(w lν) ~ ~ σ(z ll) ~ 2000 ~ 4000 alto numero di eventi anche a bassa luminosita MISURE DI FISICA q sezioni d urto di W/Z q produzione di W/Z+jets q massa del W q PDFs q asimmetrie F/B e sin 2 Θ W q produzione di coppie di bosoni e accoppiamenti tripli di gauge COMPRENSIONE DEI RIVELATORI q calibrazione in situ calorimetri q allineamento q misura di luminosita sessione En attendant LHC (anche descrizione dei rivelatori) 2

3 Misura della sezione d urto q W/Z `standard candles` teoria nota al NNLO, correzioni piccole (~k-factors) segnatura sperimentale chiara produzione W: ud W + du W - produzione Z: uu Z dd Z selezione degli eventi e riduzione del fondo misure di efficienza direttamente dai dati determinazione dell accettanza (correzioni teoriche QED/QCD) principali incertezze sistematiche, non statistiche q luminosita : ~3-7% [10% allo start-up] q sistematiche sperimentali: ~2-3% ( arxiv:hep-ex/ , D0note 4750) 3

4 Selezione di eventi Z ll selezione: 2 leptoni isolati, carica opposta, alto p T, m(ll) ~ m(z) fondi dominanti: Z ττ, ttbar, di-jets, W+jets contaminazione finale attesa dal MC trascurabile L = 100 pb -1 stima dei fondi QCD residui: q correlazione di carica: stima del numero di eventi di carica opposta da eventi con la stessa carica q sidebands: estrapolazione alla regione di segnale da quelle ad alta/bassa m(ll) q fit fondo con template di una variabile discriminante 4

5 Selezione di eventi W lν selezione: 1 leptone isolato, alto p T, taglio su m T W o su MET + eventuale jet veto fondi principali: EWK: W τν, Z/γ ll, Z ττ, ttbar (qualche %); WW, WZ, ZZ, trascurabili QCD: di-jets, V+jets à grande incertezza stima dai dati: q matrix method : * 2 var non correlate discriminanti * es. M T, isolamento * studio di V1 verso V2 q template method : * es. MET QCD: leptoni non isolati * es. MET segnale: Z->ll + correzioni possibili bias nel modello e contaminazione di W/EWK 5

6 Efficienza & accettanza efficienze (trigger e offline) dai dati * campioni Z ee, Z µµ * metodo tag & probe: * tag: e/µ, criteri tight * probe: selezioni rilassate * m(tag, probe) ~ m Z * efficienza misurata dal probe * punti critici: * fondo residuo da sottrarre (QCD, V+jets) * dipendenze dalle selezioni applicate accettanza dal MC * sistematiche da generatore + simulazione * accuratezza di dσ/dy e dσ/dp T * PDF e scala rinormalizzazione * descrizione del materiale/geometria * scala E-p e risoluzioni es. CMS, W µν: A~60% (p T >25GeV, η <2.); ε rec xε iso ε trig ~85% 6

7 Produzione di W e Z + jets * misura della sezione d urto rispetto al numero di jets * test QCD perturbativa * importante fondo per processi SM (es.top), Higgs, SUSY selezione: * selezione dei leptoni ~ selezione W/Z inclusiva * isolamento leptoni stringente * Njets alto p T ricostruiti Z+1jet Fondi principali: * ttbar+jets * (WW, ZZ, WZ)+jets * multijets Z+4jets 7

8 Misure con W e Z + jets principali incertezze (jet) * selezione & classificazione eventi dal numero di jet * sistematiche vicino alla soglia * calibrazione/scala energia dei jet * es. CMS: ~3% su scala di energia ~8-10% su sezione d urto Start-up: * rapporti dσ/dn jets (Z +(n+1)jets / Z+n jets) * (dσ/dn jets (W))/ (dσ/dn jets (Z)) : rapporto W/Z verso molteplicita di jet 8

9 Misura della massa del W m W = f(m top2,log(m H )) limiti indiretti su massa Higgs check di consistenza Modello Standard (combinata con misura diretta m top e m H LHC: * stesso contributo a Δm H se Δm W ~ Δm top * Δm top < 2 LHC à Δm W ~15 MeV TeVatron RunII: attesi Δm W ~25 MeV con 2fb -1 statistica non problematica a LHC: * precisione 2 MeV per canale con 10 fb -1 challenge = sistematiche * teoriche * sperimentali (es. scala di energia/momento: 10MeV/100GeV Δp/p~ 10-4 ) 9

10 M W : metodi sperimentali Fit ad una variabile sensibile a m W * es. massa trasversa del W * es. momento trasverso del leptone metodi: * tradizionale (TeVatron/ATLAS): fit con template MC a diversi valori m W - eccellente modellizzazione di fisica e rivelatore * rapporto W/Z (CMS) eventi Z riscalati come riferimento - incertezze comuni ridotte (teoriche e sperimentali) - statistica Z piu limitata massa trasversa 10

11 M W: alcune sistematiche (W->eν) es sperimentale: scala E/p leptoni * domina con metodo tradizionale * meno con W/Z: 0.25% ΔMw<10MeV * controllo con Z ee: 10-5 su scala, 10-4 su risoluzione contributo a ΔMw: ~ 15MeV à ~4MeV es teorico: modello p T W (importante per p T leptone) * grande incertezza (gluoni soffici) * ridotto a NNLO * effetto minore con W/Z L = 10 fb -1 metodo tradizionale rapporto W/Z sorgente ΔM w (MeV) ΔM w (MeV) statistica < 2 15 fondi 5 2 scala E-p leptone 15 (4) < 10 risoluzione E/p 5 (<1) 2 rinculo 5 10 PDFs < 10 < 10 larghezza 7 < 15 p T W 5 < 30 11

12 Altre misure Molte altre misure di precisione LHC con W e Z e luminosita integrate maggiori * Determinazione delle PDFs * regione in x mai esplorata prima * miglioramento limiti sulla PDF del gluone * Asimmetria Forward Backward * test di consistenza SM * determinazione θ W (A FB = b(a-sin 2 θ W ) ) * Coppie di bosoni e accoppiamenti tripli di gauge * test SM e della sua struttura non abeliana * prova di nuova fisica se σ o TGC deviano dalle predizioni * comprensione del fondo di molti processi (Higgs, SUSY...) 12

13 Conclusioni q statistica di W e Z disponibile a LHC molto alta q nella fase iniziale W e Z usate per comprendere i rivelatori q molte e diverse misure di fisica possibili: q allo startup sezioni d urto (con/senza jets associati) q determinazione di M W con L~10fb -1 q altre misure di precisione con luminosita integrate maggiori ( A FB, sin 2 θ W, nuovi limiti su TGCs ) 13

14 backup slides 14

15 High Level Trigger (l esempio di CMS) HLT paths single isolated single relaxed double isolated double relaxed elettroni 15 GeV 17 GeV 10 GeV 12 GeV muoni 11 GeV 16 GeV GeV soglia in p T efficienza L1*HLT elettroni: calcolata su eventi con 1 o 2 elettroni offline sample single isolated single relaxed double isolated double relaxed W eν NN NN Z ee efficienza L1*HLT muoni: calcolata su eventi con 1 o 2 muoni nel volume fiduciale W µν ~ 85% [single muon] Z µµ generati con M(µµ) ~ 98% [single and double muon] 15

16 Controllo fondi: metodo della matrice usata da CDF/D0 * 2 variabili con potere discriminante tra segnale/fondo * largamente scorrelate * es. isolamento leptone e MET (o M T ) * studio di var1 vs var2 * approccio piu semplice: * assumendo Ba, Bb, Bc solo fondo * numero di eventi in Bd: * R = Bb / Ba = Bc / Bd Bd = Bc / R * eventuale correzione per contaminazione (es. EWK) in Ba, Bb, Bc necessaria 16

17 Controllo fondi: metodo template MET in eventi QCD indipendente dall isolamento modellata su elettroni non isolati MET in eventi di segnale modellata su eventi Z ee + correzioni per le diverse cinematiche W/Z possibili sistematiche: * bias dovuti ai modelli scelti * bias da eventi di W o EWK nel campione di elettroni non isolati 17

18 Asimmetria FB & sin 2 θ W Z decade in modo asimmetrico, σ = σ(θ) e- q θ q GOAL: misura A FB = test consistenza SM al picco Z: determinazione di θ W * A FB = b(a-sin 2 θ W ) * a,b: calcolate NLO QED, QCD METODO: * esperimento di conteggio: A FB = (F-B)/(F+B) * selezione: leptoni alto p T, m(ll) ~ m Z, no MET * no asimmetria rispetto al fascio: * θ stimato dal boost della Z maggiore sensibilita a leptoni forward e+ tutti gli eventi direzione quark corretta 18

19 Risultati su A FB L = 100 fb -1 ΔA FB stat. Δsin 2 θ stat. A FB [%] precisione attuale: Δsin 2 θ = 1.6*10-4 cruciale controllo sistematiche: * PDF * correzioni teoriche QCD/QED * efficienza ricostruzione leptoni - regione forward (elettroni) 19

20 coppie di bosoni & accoppiamenti tripli di gauge produzione di di-bosoni: * V1, V2, V3 = Z, W, γ WW, ZW, ZZ, Wγ * solo il canale s ha vertici a 3 bosoni * MS: vertici neutri ZZZ, ZZγ vietati tripli accoppiamenti di gauge: * lagrangiana efficace, 5 parametri liberi: - λγ, λz crescono con s, Δkγ, Δg 1, Δkz con s grande LHC - tree level MS: λγ = λz = Δkγ = Δg 1 = Δkz = 0 GOALS: * misura della sezione d urto di produzione di di-bosoni e TGC * test del modello standard e della sua struttura non abeliana * prova di nuova fisica se σ o TGC deviano dalle predizioni MS - complementare alla ricerca diretta * comprensione del fondo di molti processi (Higgs, SUSY, gravitoni..) 20

21 ricerca di di-bosoni e LHC WZ ZZ WW σ(sm) 57.7pb 16.8pb 127.5pb sensibile WWZ - WWZ, WWg stato finale eee, eeµ, µµe, µµµ eeee µµµµ, eeµµ ee, µµ, eµ WZ ZZ 4e q fondi dominanti: stati finali multileptonici (anche fake), ttbar, zbbar q selezioni: N leptoni ad alto pt [ M(ll) ~ mz ] isolamento x bbar, jet veto x ttbar * ZZ, WZ, WW: scoperta con 100 pb -1 ~ 1fb -1 * luminosita piu elevate (~ 30fb -1 ) miglioramento limiti su TGC WZ 3l ~ 150 pb 21

22 Parton Distribution Functions q scattering partone-partone conoscenza delle PDF necessaria! q range accessibile a LHC molto maggiore di quello esplorato oggi q test QCD: evoluzione DGLAP a piccolo x q maggiore informazione sulla distibuzione del gluone scala EWK: sezioni d urto dominate da interazione di mare e gluone q Q 2 ~ M 2 W,Z, 10-4 < x < 10-1 : incertezza sulla PDF del gluone domina 22

23 LHC 1) impatto conoscenza attuale delle PDF sulla fisica di LHC: q sezioni d urto: ~5% - 8% q spettri di rapidita : ~ 5-8% q asimmetrie: <~1% discriminazione possibile anche dopo sim 2) possibile miglioramento q 1M `pseudodati` W->eν (CTEQ6.1 + ATLFAST) inclusi nel fit globale di ZEUS q xg(x)~x λg : prima: λ g =-0.199±0.046 dopo: λ g =-0.196±0.029 riduzione dell errore ~ 35% 23