Fisica del W e della Z ad LHC a bassa luminosita

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1 Fisica del W e della Z ad LHC a bassa luminosita

2 Rate di produzione (1y LL =10 fb -1 ) σ ( pp W X lν X) 30 nb σ ( pp Z + X ll+ X) 3.5 nb eventi all anno (l = e, μ) 1 Fase iniziale calibrazione calorimetri, allineamento tracciatori (~1 fb -1 ) monitor luminosità (1 10 fb -1 ) misura PDF Misure di precisione test validita MS (>10 fb -1 ) misura M W studio rivelatori, tuning generatori Verso HL misura A FB (Z) sin 2 ϑ W misura TGC, QGC e ricerca accoppiamenti anomali Nuova Fisica VV scattering DY: Z, Necessario ottimo controllo delle sistematiche!!

3 2 Calibrazione MU: Z μ + μ allineamento (studi recenti solo con tracce isolate W μν) energy loss nei calorimetri Δ p = ε p Δp ϑ campo magnetico B = B α Massimizzazione di: N eventi k = 1 ( p) δ Δ p ( ) ( ) errori statistici 50 pb (barrel) 1.1 ( η ~2) mis mis { 1 2 } ( α,,, ) i Δ j Z prob p p p M δα 1 α k obiettivo 0.3 fb Analisi ATLAS: * (, ) misurato (, ) p = α ϕ ϑ p +Δp p ϑ 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1, energy loss of generated muon calibrated energy loss α(φ<0)=1.01 generated α(φ 0)=0.98 generated Calibration: α(φ<0)=1.0103± α(φ 0)=0.9816± η * ATL-MUON energy loss (GeV)

4 Calibrazione ECAL: correzione funzione di conversione e, γ ADC GeV η, p T clustering algo, num. cristalli ( ) ( ) Ee, ( GeV ) f G GeV / ADC C jaj ADC γ = No CALIB. Z ee + j ampiezza segnale coefficienti di intercalibrazione + ( ) 2 i E, 1 1 M e e c M E i cj j true = ε j = 1 i j 2 Z etrue, 3 η < C j ~ CMS NOTE 2006/039

5 4 Risultati calibr. ECAL (2 fb -1 ) σ = 0.6% misura coefficienti di intercalibrazione C j (barrel) Res. Miscalibraz. = (mc -1) m = miscalibrazione ipotizzata C = correzione miscalibrazione scala di energia assoluta media C j su tutto rivelatore correzione shower non containment ed effetti materiale f(η) media C j in differenti regioni di pseudorapidita δ stat = 0.05% CMS NOTE 2006/039

6 5 N Prime misure (1 10 fb -1 ) tot ε N backg monitor luminosita (nessuno studio recente pubblicato) misura PDF x 10-4 < x < 0.1 dominato da gluoni = σ pp W Z + * X PDF x x Q L ( ) ( 2 / ) 1, 2, Q 1,2 = exp( ± y) s y s = = 14 TeV 1 ln 2 E+ p E p 2 2 Q M V z z η y < 2.5 pp * hep-ph/ , hep-ph/

7 6 Distribuzioni e asimmetrie incertezza su dσ/dy ~ 8% (y centrale) considerando tutti i set PDF ZEUS-S + dati HERA W y W -W Z A W = A W + +W - Z = W + +W - W y Z y incertezza ~ 0 spread fra PDF eliminato errore da PDF gluoni differenze e rapporti di produzione dipendono dal set di PDF variabili leptoniche: incertezza su dσ/dy (lept) ~ 10-20% + - l -l A= errore ~ 4% l l + +l -

8 7 Risultati (~0.1 fb -1 ) Distribuzioni ricostruite: simulazione veloce rivelatore + tagli di analisi e y e y A e y monitor luminosita con incertezza ~ 10-20% ~ errore con cui conosciamo PDF e ricostruiamo dσ/dy PDF distinguibili con A l se sistematiche < 5% grazie a spread PDF + cancellazione incertezze gluoni CTEQ6.1 ZEUS-S MRST2001 stimato impatto dati di LHC su incertezze PDF: δλ g ridotto circa del 50% (legato a PDF gluoni a basso x: xg(x)~x λ g ) HERA-LHC Workshop proceedings (hep-ex/ )

9 8 Misura di M W W-Boson Mass [GeV] osservazione diretta: δm w ~ 30 MeV TEVATRON ± LEP ± LHC: δm w ~ 15 MeV con 10 fb -1 per restringere limiti validita MS tramite fit EW globale M W = G πα F 1 2sinϑ 1 Δr 7 δα α 10 δ sinϑ sinϑ 10 W W ; 6 δgf GF 10 ; 4 W misura di Δr = correzioni EW NLO: δm ~ logm H, m 2 t ~ 2 GeV δmh t /M H ~ 30% (oggi δm H /M H =50%) distinguere MS da MSSM Average ± m W [GeV] χ 2 /DoF: 0.9 / 1 NuTeV ± LEP1/SLD ± LEP1/SLD/m t ± m W [GeV] LEP1 and SLD LEP2 and Tevatron (prel.) 68% CL 80.3 Δα m H [GeV] m t [GeV]

10 9 Metodo di misura ( ) W l M = 2p p ν 1 cosδϕ T T T p ν = p + u precisione nella simulazione: effetti strumentali (risoluzione MET, pile-up, ) effetti di fisica (Γ W, p TW, recoil model, ) smearing edge T ( l ) T confronto distribuzione M TW osservata con distribuzioni simulate per diverse M W 2200 Atlas Red M W = T MC truth Black = MC verita full sim MC simulaz. rivelatore E (GeV)

11 10 Incertezze su M W sperimentali teoriche errore statistico ~ 2 MeV con 10 fb -1 sistematiche: W eν (ATLAS) scala E/p leptoni (0.02%) risoluzione energia e +/-, impulso μ (1.5%) risposta detector al recoil system (PU, UE, adroni soffici) e modellizzazione estrapolate dai risultati di CDF/D0 δm W ~ 15 MeV (~ 4 MeV) < 10 MeV < 10 MeV impatto su M W valutato con simulazione veloce rivelatore strategie di controllo calibraz. in situ (Z ee, E/p e +/- isolati) (ATL-PHYS-PUB ) dati TB, simulazioni detector, misure in situ (Γ(Z ll), E/p elettroni) p T recoil generato pt recoil misurato in eventi di Z (con p T Z = pt W ) spettro p T W < 10 MeV p T W = pt Z,misurato * (pt W / pt Z ) theor decadim. radiativi W lνγ ~ 7 MeV migliorare calcoli teorici e sfruttare granularita ECAL Γ(W) ~ 5 MeV #( W lν ) σ BR W ( W lν ) = #( Z ll) σ BR ( Z ll) fondi ~ 5 MeV W τν (1.3%), Z ee (0%), Z μμ (4%) misurato Z theor LEP * ELECTROWEAK PHYSICS (hep-ph/ ) *

12 11 Metodi alternativi confrontare la distribuzione M T W con dσ W MZ dσz T MZ = R T ( X) T M Z = M dmw MW dmz MW W Z ( ) = R X T dσ dσ l ; MV XV = T dxw dx Z MV + rapporto riduce sistematiche sperimentali δm W ~ 20 MeV δp/p 0.2% - #(Z ll) ~ 1/10 #(W lν) δm w stat. ~ 10 MeV (1y LL=10 fb -1 ) - sistematiche da estrapolazione scala + diversita Z e W (PDF, spettro p TV, calcolo p l,2 T, accettanze tagli, ) ancora da considerare T W M p p ϕ = 2 ( ) 1 cosδ Z l,1 l,2 T T T,2 p =,1 p + u l ( T ) metodo per HL: distribuzione p T e (senza MET)

13 12 Conclusioni su M W dati Z l + l - per controllo sistematiche: risposta rivelatore piu prevedibile per l + l - Vantaggi LHC: Difficolta LHC: Z ben conosciuta dalle misure di LEP campione di segnale W lν alta statistica campione di controllo Z ll esperienza di Tevatron dettagliati studi di simulazione e risposta (test beam) del rivelatore complessita rivelatori sistematiche sperimentali difficili da controllare necessari precisi calcoli teorici su decadimenti radiativi, spettri p T W e Z, Obiettivo dichiarato: δm W ~ 15 MeV (10 fb -1 ) diversi metodi per controllo incrociato sistematiche W μν + W eν ATLAS + CMS

14 Uso intensivo di W e Z FASE INIZIALE: finche i rivelatori non saranno calibrati non si DOVRANNO fare misure di fisica PASSO SUCCESSIVO: riscoprire il MS (M W, M top, PDF ) per preparare il campo alla nuova fisica

15 Back-up slides ATLAS: event display

16 Calibrazione MU:Z ATL-MUON μ + μ eventi processati con DICE/ATRECON utilizzate soltanto informazioni di traccia dallo spettrometro a muoni energy loss (GeV) ( p) δ Δ p energy loss of generated muon calibrated energy loss α(η<1.125)=0.995 generated α(η 1.125)=1.012 generated Calibration: α(η<1.125)=0.9951± α(η 1.125)=1.0122± fb fb (barrel) 2.0 ( η ~2) δα α η ( p) δ Δ p energy loss of generated muon calibrated energy loss α(φ<0)=1.01 generated α(φ 0)=0.98 generated Calibration: α(φ<0)=1.0103± α(φ 0)=0.9816± (barrel) 1.1 ( η ~2) δα α η energy loss (GeV)

17 Calibrazione ECAL: Z ee + 2 CMS NOTE 2006/039 L algoritmo C j = E E i jtrue, i j, misurata i i i Ee, misurata = Ee, true 1+ ε jω j j ele E E 1 C ε = = j i i j, misurata j, true j i Ej, true Cj + ( ) j = 1,,M regioni ECAL i = 1,,N eventi k = 1,,n iterazioni ω = E E i i i j j, true e, true M e e M 1+ ε ω i Z j j j ele1, ele2 ε k j + ( e e ) 2 i 1 M i = 1 ω j 2 M Z C n n k j = cj = k iteration k = 1 iteration k = 11+ ε j 1

18 Calibrazione ECAL: Z ee + 3 Le differenti classi di elettroni Variabili considerate: Δφ supercluster track E/p in (p in -p out )/p in correzione f = f(n crys ) f(η) CMS NOTE 2006/040

19 Calibrazione ECAL: METODO Confronto distribuzione M Z misurata con distribuzioni M Z simulate con differenti scale di massa (α): Z ee + ATL-PHYS-PUB differenti risposte ECAL (diverse forme funzionali per σ(e)/e) supposti perfettamente noti parametri fisici: Γ Z, M Z, per ogni coppia di energie dei due leptoni ( + ) = α M ( e + e ) true M e e 4 RISULTATI σ ( E) = a E + be ( E) a bexp( E c) α =

20 5 Altri studi di calibrazione con W allineamento tracciatori: tracce singole isolate (W μν) allineamento interno allineamento relativo tracker spettrometro muoni CMS NOTE 2006/016 calibrazione ECAL: scala E/p elettroni isolati (W eν) confronto impulso misurato nel tracker con energia ECAL necessario tracciatore allineato utilizzabile solo nella zona di accettanza del tracker CMS NOTE 2006/021

21 6 Incertezze sulle PDF 5.2% 8.7% 3.6%

22 7 PDF: analisi e fondi elettrone neutrino contro fondo QCD η e < 2.4 p T e > 25 GeV isolamento e missing E T > 25 GeV NO jets con p T > 30 GeV p T recoil < 20 GeV N backg /N sign eventi (43h LL)

23 8 Luminosita Quantita importante: lumi pp lumi partone-partone calcolabile da eventi con produzione W, Z, Z*/γ* utilizzabile in eventi a circa stesso Q 2 es. multiple boson production (WW), (maggiori incertezze evoluzione a diverso Q 2 (DGLAP equation) teoriche) considerare rapporti fra xsec per eliminare sistematici sperimentali e luminosita assoluta

24 9 M W : efficienza di analisi efficienza di ricostruzione leptone 90 % efficienza di identificazione leptone 80 % ~ 20 % tagli di analisi e reiezione fondi 25 % leptone neutrino contro fondo QCD η l < 2.4 p T l > 25 GeV isolamento missing E T > 25 GeV NO jets con p T > 30 GeV p T recoil < 20 GeV

25 10 M W : Tevatron VS LHC

26 11 A FB (Z) ( ) σ ( y,m) ( ) F-B AFB y,m = σ F+B y,m σ F± B = ± ( ) dσ pp l l * d cosϑ d * cosϑ Direzione Z ~ direzione q di valenza (x maggiore) aumentando y cresce A FB cresce x 1 /x 2 i.e. cresce probabilita che q sia di valenza

27 ( sin 2 lept ϑ ( 2 )) FB eff Z sin 2 ϑ W 12 A = b a M (b,a noti al NLO QED + QCD) Risultato media mondiale: ( M Z ) 2 lept 2 sin ϑ eff = ± LHC: errori statistici con 100 fb -1 da 1 exp, 1 canale (simulazione veloce) ρ = fattore di reiezione jet non accessibili nel canale μ + μ sistematiche principali PDF (variano accettanze leptoni) accettanze e efficienze ricostr. lept. VS η correzioni NNLO su a, b misura M(ll) (A FB dipende da Q 2 scattering)

28 13 TGC e accopp. anomali Invarianza di Gauge e simmetrie C, P: WWγ/Z 5 parametri: g1 Z, k γ, k Z (=1 MS tree) W/Z λ γ,λ Z (=0 MS tree) W/Z Z/γ ZZγ/Z 12 parametri: h 1,h 2,h 3,h 4, f 4,f 5 (γ e Z) (tutti nulli nel MS i.e. NO TGC neutro) Sezione d urto differenziali di eventi Wγ,WZ (ZZ,Zγ) testano TGC anomalo M(WV), p T V sensibili al comportamento ad alta energia ϑ(wv), η V contenenti informazioni angolari (L=30 fb -1 ) LEP ±0.069 ±0.026

29 14 VV scattering Per m H >2m V canale favorito di ricerca per l Higgs Scattering VV->VV viola l unitarieta a in assenza di Higgs s 1 2 TeV esperimento di conteggio per M(VV)>800 GeV σ(vv->vw) VS M(V,W) qq qqqqμν generator level M(H) = 300 GeV M(H) = 500 GeV M(H) = 700 GeV No Higgs significanza (S/ B) integrata (100 fb -1 ) qq qqqqμν simulazione veloce M(H)=300 GeV M(H)=500 GeV M(H)=700 GeV No Higgs M(V,W) = M(H) ± 30% totale M(V,W) > 1 TeV totale Fondi: V+n jets, VVjj, ttbar Combinazione diversi canali: qqqqll + qqqqlν + qqllll + qqlνlν + qqlllν (l = e, μ)