Misura della sezione d urto σ tt dal decadimento dileptonico dei bosoni W. di Chiara Farinelli

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1 Misura della sezione d urto σ tt dal decadimento dileptonico dei bosoni W di Chiara Farinelli 1

2 Punti principali Perché è importante una misura precisa di σ t t Studio dell apparato sperimentale: CDF (collision detector at Fermilab): calorimetri, muon detectors, trigger systems Topologia: sistemi di coordinate Selezione degli eventi: scelta di elettroni e muoni Discussione sul background Calcolo della σ t t 2

3 Importanza di una misura precisa di σ t t : Si cercano verifiche del Modello Standard (SM) Essendo M top molto maggiore rispetto alle masse di altri quark o leptoni, il contributo del Top alle correzioni radiative di osservabili dello SM è dominante Conoscere con precisione M top, data M W,permette di mettere delle restrizioni su M Higgs, che è il tassello mancante dello SM Una misura precisa della sezione d urto porta ad una conoscenza maggiore delle caratteristiche del quark Top 3

4 Studio della sezione d urto per diversi processi Alcune misure della sezione d urto fatte a CDF: σ TOT ~ 17 mb σ(bb) ~ 18 μb σ(w lν) ~ 1.4 nb σ(tt) ~ 8 pb (con m top = 174GeV/c 2 ) 4

5 Descrizione processo: p p t t Tevatron s = 1.96 TeV f N L= p N p B = cm -2 s -1 4πσ 2 T con N p = N p = B = 1.4 T σ T = 30 μm q 85% 15% t g t σ = 8πα sm t 2 27s +0.9 = pb 1 4m t s ( 1 2m 2 + t s ) q t g t per m t = 175 GeV/c 2 5

6 Struttura CDF calorimeter: suddiviso in una sezione elettromagnetica Silicon Central Layer 00: Vertex Outer Tracker: strato Detector: camera silicio (SVX) resistente composto a deriva cilindrica alle radiazioni da tre cilindri di raggio 1.3m (misura posizionato ognuno muon solenoid: Intermediate e lunghezza chambers: l energia diviso magnete Silicon di a 1.35cm in m, sistema e spicchi solenoidale +, Layer: eviene -, e di γ) dal fascio in tre 4 utilizzata e assorbitori, in φ; strati superconduttore una ogni di sezione spicchio silicio misurare scintillatori, posizionati adronica supporta di diametro il p e T 5 e rispettivamente camere 3m per (shower 6 microstrip e determinare lunghezza proporzionali formate detectors ad 5m; il da segno una π fornisce di ±, silicio distanza k, delle protoni, un particelle campo radiale adroni B= di cariche con 20, 1.4 vita 22, T e media 28cm dalla linea lunga) fascio

7 p Topologia sistemi di coordinate usati a CDF: y θ φ x 1.) coordinate cilindriche: z: asse orientato lungo direzione nominale fascio con origine nel centro del rivelatore angolo azimutale φ, definito come φ= arctan (p y /p x ) z coordinata r (misurati nel piano trasverso che passa per il vertice p di interazione 2.) coordinate cartesiane: l asse x e l asse y formano con l asse z un sistema levogiro, l angolo polare θ si misura rispetto all asse z (0<θ<π). definisco la pseudorapidità come: η = -log (tan θ 2 ) 7

8 Selezione degli elettroni nel decadimento dileptonico di W cluster insieme di due torri adiacenti con E T tot > 20GeV, alla torre più energetica deve puntare una traccia con p T >10GeV/c Selezione: Trigger: regione η < 1, deposito di E di 8GeV per torre e a questa torre deve puntare una traccia con p T > 8 GeV/c ; l efficienza è stimata a (96.6 ± 0.2)% deve essere: E T (cono) < 10% di E T (cluster) perchè un evento sia considerato buono φ e - ΔR cono di isolamento con ΔR = Δη 2 + Δφ 2 = 0.4 8

9 Selezione dei muoni nel decadimento dileptonico di W Trigger: regione η < 1, eventi trovati nella CMU, CMP, e CMX formano dei segmenti con cui deve coincidere una traccia con p T >18GeV/c efficienza stimata a (92.5 ± 1.1)% Selezione: ΔR ΔR = Δη 2 + Δφ 2 = 0.4 μ - gli eventi buoni sono quelli per i quali si ha: E T (cono) < 10% di p T (traccia) 9

10 Tre modi di decadimento del bosone W (1) decadimento: t t W - b W + b Canale B.R. adronico 44% Leptoni+jets 30% E T ~ 0 >20 GeV t non si accoppia perché ha τ~10-25 s mentre per un accoppiamento forte serve t~10-22 s Dileptonico 5% >40 GeV Altro 21% W - leptoni + jets tau + jets τe/τμ ττ τe/τμ dilepton W + adronico tau + jets leptoni + jets ( E T = missing transverse energy; dovuta alla presenza di ν ) La presenza nello stato finale di neutrini porta ad una apparente non conservazione dell energia-impulso Misurando l energia mancante E T si può determinare il tipo di 10 decadimento

11 Tre modi di decadimento del bosone W (2) Branching Ratios: One of the W decays to τ Very difficult Channels with τ Di-leptons (e-μ) 5% Both W decay e or μ leptons Easy 21% Lepton (e-μ) + jets 30% Both W decay into jets Difficult All hadronic 44% One W decays to e or μ leptons and one to jets Medium 11

12 Decadimento dileptonico del bosone W t t W + b + W + b e ± + ν e μ ± + ν μ e ± + ν e μ ± + ν μ Gli stati finali possibili sono tre: e - + e + + ν e + ν e μ + + μ - + ν μ + ν μ e ± + μ + + ν e + ν μ 12

13 Decadimento del t-t in un e - e un μ + 13

14 Effetti di background 1) Produzione Drell-Yan: annichilazione di q e q in un fotone massivo che decade in due leptoni è l errore sistematico dominante 2) QCD background: eventi del tipo W l ν + jets in cui un jet viene scambiato per un leptone Stimato a partire da dati presi sui jets 3) Produzione di dibosoni: WW, WZ, ZZ Stimato da simulazioni Monte Carlo da predizioni teoriche NNLO (Next to Next Leading Order) 14

15 Calcolo della sezione d urto (1) sezione d urto sperimentale: servono due leptoni carichi con grande p T : il primo è sottoposto a restrizioni calorimetriche e tracciamento, il secondo solo a una selezione della traccia eventi con 0 o 1 jet vengono utilizzati per fare ipotesi sul background, eventi con due o più jet vengono usati per calcolare la sezione d urto. La sezione d urto sperimentale è poi confrontata con quella teorica: +0.9 σ tt = pb Per verificare la validità del Modello Standard 15

16 Calcolo della sezione d urto (2) σ exp = N L = numero totale eventi luminosità integrata quindi σ exp = N obs -N bkg A L (N bkg = 19.3 ± 4.3 eventi) (A = 0.074) A è un parametro che comprende diversi effetti tra cui quello sul trigger, quello sulla selezione, e quello sull accettanza. L dipende dal tipo di rivelatore, ma và poi calcolato nell intervallo temporale entro il quale viene fatta la misura si trova: σ tt = 8.3 ± 1.5 (stat) ± 1.0 (syst) ± 0.5 (lumi) pb 16

17 Calcolo della sezione d urto (3) Incertezze su σ t t : 1. incertezza dovuta all accettanza: (direttamente proporzionale a σ) δσ = σ δa A 2. incertezza dovuta al background: δσ = δb 4.3 eventi A L = A L = 0.8 pb 3. incercertezza sistematica; indipendente dal valore di σ 17

18 Referenze [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Proceedings of Science. R. Rossin, Measurement of Top quark pair production cross section and Search for Resonances at Tevatron (2006) D. Whiteson, Precision Measurements of the Top Quark Mass at Tevatron. (2006) The Tevatron Electroweak Working Group, and The CDF and D0 collaborations, hep-ex/ The CDF collaboration, CDF note A. Bhatti, F. Canelli, B. Heinemann, Determination of the Jet Energy Scale at the Collider Detector at Fermilab. (2005) H. Bachacou, A Measurement of the Production Cross Section of t-tbar Pairs in p-pbar Collisions at s= 1.96 TeV Using Secondary Vertex b- tagging. (2004) J.F. Arguin, Measurement of the Top Quark Mass with In Situ Jet Energy 18 Scale Calibration Using Hadronic W Boson Decays at CDF-II. (2006)

19 B1 Spettri di energia ed impulso 19

20 B2 Spettri di energia ed impulso 20

21 B3 Spettri di energia ed impulso 21