Misura della sezione d urto di produzione di Z 0 Z 0 nel canale di decadimento quadrileptonico all esperimento CDF

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1 Misura della sezione d urto di produzione di Z 0 Z 0 nel canale di decadimento quadrileptonico all esperimento CDF UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA LAUREA SPECIALISTICA IN FISICA Relatrice: D. Lucchesi Correlatore: S. Pagan Griso Laureando: M. Bauce 24 settembre 2009

2 Importanza della misura Il modello standard prevede che in collisioni pp a s = 1.96 TeV le sezioni d urto di produzione di coppie di bosoni W/Z siano comprese tra 1 e 10 pb La misura della sezione d urto è un test fondamentale del Modello Standard Produzione di dibosoni a Tevatron s-channel: t-channel: Accoppiamenti Trilineari di Gauge (Anomalie nuova fisica) La misura di pp WW/ZZ è un prerequisito per la ricerca del bosone di Higgs nel canale H WW/ZZ 2 / 13

3 Analisi del processo pp ZZ lll l Studio della produzione di ZZ: Per collisioni pp a s = 1.96 TeV, sezione d urto teorica σ pp ZZ = 1.4 ± 0.1 pb Caratteristiche del decadimento in quattro leptoni massivi: Rapporto di decadimento piccolo: 0.6 % Fondo proveniente da processi fisici molto basso 3 / 13

4 Apparato sperimentale Fermilab Accelerator Chain CDF II Tevatron: pp collider s = 1.96 TeV L max cm 2 s 1 4 / 13 Sistema di tracciatura, B 1.4 T (σ pt /p 2 T 0.07%, δd 0 15 µm) Calorimetri elettormagnetici ed adronici (σ ET /E T 13.5%/ p E T + 2%) Complesso sistema di camere a muoni

5 Ricostruzione dei leptoni Muoni standard: traccia con segmento nelle camere a muoni associato e Track Elettroni standard: traccia con associato un deposito di energia nel calorimetro elettromagnetico Recupero tracce in zone morte del rivelatore Dati selezionati con trigger di singolo leptone: Muone: p T > 20 GeV/c Elettrone: E T > 20 GeV CDF ha raccolto L = 5.3 fb 1 Questa analisi utilizza L = 4.8 fb 1 5 / 13

6 Regione di segnale Selezione degli eventi di ZZ: Quattro leptoni ben isolati Un leptone triggerato: p T > 20 GeV/c p T > 10 GeV/c per gli altri leptoni Due coppie di leptoni con stesso sapore e carica opposta massa invariante più vicina a M Z, M ll 1 [76,106] GeV/c 2 seconda massa invariante : M ll 2 [40,140] GeV/c 2 Simulazione MC di eventi ZZ: partendo dal numero di eventi simulati con quattro leptoni nello stato finale Efficienze Almeno un leptone 67 % triggerato Quattro leptoni 20 % completamente ricostruiti Tagli su M ll 1,2 80 % 6 / 13

7 Regione di segnale Selezione degli eventi di ZZ: Quattro leptoni ben isolati Simulazione MC di eventi ZZ: Nero: eventi che passano le selezioni, Rosso: eventi che vengono scartati. Un leptone triggerato: p T > 20 GeV/c p T > 10 GeV/c per gli altri leptoni Due coppie di leptoni con stesso sapore e carica opposta massa invariante più vicina a M Z, M ll 1 [76,106] GeV/c 2 seconda massa invariante : M ll 2 [40,140] GeV/c 2 Eventi attesi in L = 4.8 fb 1 : 4.68 ± 0.02(stat.) ± 0.76(sist.) 6 / 13

8 Fondo Atteso Non ci sono altri processi fisici con stati finali con quattro leptoni. E risultato trascurabile il contributo di processi come WZ, tt Contributo più significativo: Z+jets, jet identificati come leptoni Jet provenienti da radiazione di QCD (q, g) o EM (γ) Questo fondo è misurato nei dati Necessario determinare la probabilità (fake rate) che un jet venga erroneamente ricostruito come leptone. 7 / 13

9 Fondo Atteso Leptoni identificati tramite grandezze fisiche (ID variable 1,2,,n) Jet possono essere erroneamente identificati come leptoni 8 / 13

10 Fondo Atteso Leptoni identificati tramite grandezze fisiche (ID variable 1,2,,n) Jet possono essere erroneamente identificati come leptoni 8 / 13

11 Fondo Atteso Campione ricco di jet Calcolo il rapporto tra quanti jet vengono identificati come denominatori (B) e quanti come leptoni (A): f (p T ) N lep. = A «N den. B f (p T ) è funzione dell impulso trasverso (p T ) e del tipo di leptone TCE comb w/ sys combined (stat.) jet20 jet50 jet70 jet Fake Rate f (p T ) mediata su campioni di jet a diverse energie La massima differenza tra le misure è presa come incertezza sistematica E T [GeV] 8 / 13

12 Fondo Atteso: campione di segnale Determinazione del fondo nel campione di segnale A = B f (p T ) Applico i fake rates nel campione di segnale per ottenere una stima del fondo Calcolo il numero di eventi con denominatori nel campione di segnale (B ) Moltiplicandolo per f (p T ) ottengo il numero di eventi con falsi leptoni (A ) Ipotesi che f (p T ) non dipenda dalle caratteristiche del campione (verificata) In L = 4.8 fb 1 il contributo di fondo atteso è 4.15 ± 1.62(stat.) ± 2.87(sist.) 10 2 eventi (Segnale: 5 eventi) 8 / 13

13 Determinazione della sezione d urto Calcolo degli errori sistematici Determinazione della sensitività della misura Misura della sezione d urto: σ ZZ = N oss. N bck. L ɛ Br ZZ lll l 9 / 13

14 Determinazione della sezione d urto Calcolo degli errori sistematici Determinazione della sensitività della misura Misura della sezione d urto: σ ZZ = N oss. N bck. L ɛ Br ZZ lll l Sistematica dovuta al calcolo dei fake rate: Ottenuta considerando la variazione massima del valore del fake rate nei diversi campioni di jet Errore sistematico del 67% sulla stima del fondo E l errore sistematico più rilevante nel calcolo della sensitività 9 / 13

15 Determinazione della sezione d urto Calcolo degli errori sistematici Determinazione della sensitività della misura Misura della sezione d urto: σ ZZ = N oss. N bck. L ɛ Br ZZ lll l Sistematica Parametro Errore Nota Luminosità L 6% Dati raccolti da CDF NLO ɛ 10% Accettanza per correzione simulazione al Next-to-Leading Order PDF ɛ 2.7% Incertezza su Parton Distribution Functions ID leptoni ɛ 3.6% Incertezza su efficienza di ricostruzione/identificazione Trigger ɛ 2.1% Incertezza su efficienza di trigger 9 / 13

16 Sensitività Sensitività: quantifica la probabilità che il fondo stimato fluttui fino ad ottenere un numero di eventi maggiore o uguale a quello osservato. La densità di probabilità del fondo non è analiticamente integrabile: Pseudo-esperimenti simulano i risultati sperimentali Distribuzione pseudo-poissoniana del fondo considerato l effetto degli errori sistematici In L =4.8 fb 1 : Eventi attesi: 4.68 ± 0.76 Eventi di fondo: 0.04 ± 0.03 Nei Dati: 10 / 13

17 Sensitività Sensitività: quantifica la probabilità che il fondo stimato fluttui fino ad ottenere un numero di eventi maggiore o uguale a quello osservato. La densità di probabilità del fondo non è analiticamente integrabile: Pseudo-esperimenti simulano i risultati sperimentali Distribuzione pseudo-poissoniana del fondo considerato l effetto degli errori sistematici In L =4.8 fb 1 : Eventi attesi: 4.68 ± 0.76 Eventi di fondo: 0.04 ± 0.03 Nei Dati: 5 EVENTI OSSERVATI Sensitività: 1.2 ± corrispondente a 5.7σ Prima osservazione di ZZ a CDF 10 / 13

18 Eventi osservati ] 2 Z [GeV/c T subleading P M ll CDF Run II Preliminary -1 L dt = 4.8 fb ZZ Z(γ)+jets Data Events CDF Run II Preliminary L dt = 4.8 fb MC Signal Background Data M ll leading P Z [GeV/c ] T leptons mass [GeV/c ] 11 / 13 Evento leptoni M ll 1 M ll 2 M llll 1 trkµ/µµ 90.5 GeV/c GeV/c GeV/c 2 2 trkµ/µµ 91.6 GeV/c GeV/c GeV/c 2 3 ee/µµ 93.0 GeV/c GeV/c GeV/c 2 4 ee/µµ 93.3 GeV/c GeV/c GeV/c 2 5 µµ/µµ 91.7 GeV/c GeV/c GeV/c 2

19 Determinazione della sezione d urto Calcolo degli errori sistematici Determinazione della sensitività della misura Misura della sezione d urto: σ ZZ = N oss. N bck. L ɛ Br ZZ lll l N obs 5 N bck 0.04 ± 0.03 ɛ Br ZZ lll l R % L dt 4.8 fb 1 σ(pp ZZ) = (stat.) ± 0.25(sist.) pb da confrontare con la previsione Modello Standard al Next-to-Leading Order σsm NLO (pp ZZ) = 1.4 ± 0.1 pb La misura è stata approvata dalla collaborazione CDF ed è stata presentata alle conferenze estive (Lepton-Photon 09, Particles In Collision 09) 12 / 13

20 Conclusioni Prima osservazione di ZZ a CDF Sezione d urto misurata: (stat.) ± 0.25(sist.) pb Un evento: quattro muoni interamente ricostruiti nel rivelatore Lepton 1 Central μ + p T = 105 GeV Lepton 1 Central μ + p T = 105 GeV Lepton 3 Central μ + p T = 94 GeV Lepton 2 Central μ - p T = 102 GeV Lepton 4 Central μ - p T = 21 GeV Lepton 3 Central μ + p T = 94 GeV Lepton 4 Central μ - p T = 21 GeV Lepton 2 Central μ - p T = 102 GeV 13 / 13