Fisica dell alto pt a Tevatron (jets e top)

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1 Fisica dell alto pt a Tevatron (jets e top) 1

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3 Ad un collider adronico.. Partoni all interno di un (anti-) protone si scontrano hanno una frazione x1 ed x2 degli impulsi vertice d interazione calcolabile in QCD Q 2 = impulso scambiato grande (~ GeV) αs < 1 --> regime perturbativo conti fattorizzabili 3

4 Cosi come in QED, anche in QCD partoni dello stato finale accelerati irradiano quark emettono gluoni gluoni convertono in coppie di quark (gluon splitting) ma gluoni hanno colore (mentre fotoni non hanno carica elettrica): vertice gluone-gluone! 4

5 Cosi come in QED, anche in QCD partoni dello stato finale accelerati irradiano quark emettono gluoni gluoni convertono in coppie di quark (gluon splitting) ma gluoni hanno colore (mentre fotoni non hanno carica elettrica): vertice gluone-gluone! 5

6 Cosi come in QED, anche in QCD partoni dello stato finale accelerati irradiano quark emettono gluoni gluoni convertono in coppie di quark (gluon splitting) ma gluoni hanno colore (mentre fotoni non hanno carica elettrica): vertice gluone-gluone! Risultato: cascata (shower) di partoni con energie sempre minori, ma ancora > ~10 2 MeV limite perturbativo, calcoli analitici 6

7 Parton branching: evoluzione shower 7

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9 Nello spazio degli impulsi... Vertice g-g ~ gs q propagatore g ~ 1/q 2 A~1/q, prob= A 2 ~ αs/q 2 z=fraz energia trasferita a partoni successivi (a) Risolvendo (a) Q 2 : impulso virtuale partone iniziale (Q 2,q 2 ) = exp[- q2 Q2 dk 2 /k 2 (αs/2π) dzp(z)] 9

10 min impulso osservabile Valido a tutti gli ordini in αs Evoluzione dipende solo dall impulso iniziale trasferito al gluone (Q 2 ) dai quark di valenza del protone 10

11 Possono avvenire anche per g->qq e q->qg probabilita differenti: a fine shower (E~100 MeV) diverse molteplicita di particelle a seconda del tipo di partone che lo ha originato anche forma spaziale dello shower e diversa, data la molteplicita dei partoni alla fine dello shower (vedremo dopo...) 11

12 Gluoni soffici o a piccolo angolo

13 Soluzione al problema unresolved = cosi poco energetico o cosi vicino al partone iniziale che non e visibile da solo nelle misure sperimentali quindi ha senso tagliarlo via dai calcoli di pp->3 jets ( cut-off ) E essenziale che le osservabili che definiamo siano altrettanto indipendenti da questi partoni mosci o collineari 13

14 raggiunto impulso Q~Q0, lo shower termina sotto a queste energie αs cresce (logaritmicamente) l energia potenziale crea dal vuoto coppie quark + anti-quark che formano stati legati con i quark iniziali: adroni 14

15 Processo a basse energie Adronizzazione scambio di partoni virtuali, diagrammi non fattorizzabili il meglio che possiamo fare e sviluppare modelli fenomenologici/ simulazioni numeriche assunzione piu comune: dualita partone-adrone=adrone creato da partone i viaggia ~lungo l asse dell impulso iniziale qi ==> testarla sperimentalmente con la fisica dei jets e cruciale! 15

16 Rivelatore Getti di adroni, carichi e neutri, a questo punto sono neutri in colore viaggiano liberamente dal punto di interazione fino al calorimetro dove interagendo perdono tutta la loro energia energia totale e forma del rilascio 16

17 Underlying event+pile-up Modificano le osservabili sperimentali 17

18 Motivi per fisica jets a Tevatron/LHC Verificare predizioni QCD parton distribution function nel protone approccio probabilistico della parton shower (molteplicita, energie, gluoni vs quark) modelli di adronizzazione Misure di fisica con partoni W/Z+jets, top, Higgs: hanno tutti jets! Ricerca nuova fisica Susy, modelli con quark non elementari, ecc 18

19 Si, ma quali jet? Dalle 3 fasi evolutive elencate si possono definire 3 classi di jets: di partoni (insieme di partoni originati dallo shower dello stesso partone iniziale), di particelle (adroni), calorimetrici (gruppo di celle/torri) Mondo ideale: corrispondenza biunivoca tra uno e l altro e con i partoni iniziali dall hard scattering dove si concentrano i maggiori sviluppi di calcolo teorico e.g. delle sezioni d urto e pdf e con i quali vogliamo confrontare le misure 19

20 Algoritmi di jets Ma: parte non perturbativa dello shower, deviazioni dai modelli adronizz. o dalla dualita partone-adrone, indeterminazioni sperimentali sporcano questa corrispondenza Un algoritmo associa questi tipi di jets cosi che le proprietà cinematiche dei jet (e.g., impulsi) possano essere relazionate con le corrispondenti proprietà dei partoni energetici iniziali precisa definizione dei parametri di un algoritmo cruciale 20

21 Requisiti teorici IR safety Un partone soffice (vicino o sotto al cut-off teorico) non deve cambiare forma e cinematica misurata Collinear safety Tutti i partoni emessi collineari devono essere contenuti all interno di un singolo jet 21

22 Requisiti teorici IR safety Un partone soffice (vicino o sotto al cut-off teorico) non deve cambiare forma e cinematica misurata Non OK! Collinear safety Tutti i partoni emessi collineari devono essere contenuti all interno di un singolo jet 22

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25 Alcune misure di jets a Tevatron 25

26 Sezione d urto differenziale What La sezione d urto differenziale, confrontata con la teoria, ci da informazioni sulla accuratezza della nostra conoscenza sia del totale della produzione QCD che del suo andamento con la cinematica 26

27 = Spiegazione estesa: tinyurl.com/qftnbbr 27

28 Confronto teoria-misura calcolo teorico adroni (intermedi) livello di misura O si riconduce la misura a livello di calcolo teorico all indietro (ma forte estrapolazione, poca conoscenza UE, ecc) oppure ci si incontra a livello di adroni (=particelle) 28

29 Correzioni: parton shower --> adroni teoria Come ci si aspetta, adronizz conta soprattutto a basse energie 29

30 Unfolding : calorimetro --> adroni Unfolding correction: tiene conto della risoluzione non perfetta sulla energia dei jet misura Un jet di energia E0 puo essere visto con energia E1 in un altro bin oppure in un altra (contigua) zona di rapidita Piu lo spettro in energia e ripido piu la misura e sensibile a queste variazioni Bisogna correggere per misurare a livello di particelle costituenti In genere si fa estraendo correzioni all indietro dalla simulazione che sara stata verificata in campioni di calibrazione ad-hoc una delle parti piu delicate di misure di precisione con i jets! 30

31 Risultati Cono KT La QCD tiene su 8 ordini di grandezza! Diversi algoritmi entrambi con stesso successo 31

32 Jets da quark vs gluoni Abbiamo visto che jets originati dallo shower di un gluone sono diversi da quelli originati da un quark Differenza in energia......e in forma del jet (larghezza/evoluzione shower) dovuti all energia iniziale (Q 2 ) e al vertice (fattore di colore) g->qq (TF) molto piu piccolo degli altri 32

33 I gluoni hanno una probabilita maggiore di irradiare altri gluoni ad ogni passo dispersione (branching) di energia rispetto alla direzione iniziale jet iniziati da gluoni piu larghi di quelli da quark misura di Ψ(r) [jet shape] per confermare questa caratteristica della QCD 33

34 ~q ~g La frazione relativa g vs q cambia con impulso (Q 2 iniziale/diversa pdf per quark (valenza) vs gluoni (mare)) per entrambe le specie, a maggiore impulso il jet e piu collimato 34

35 ...e persino b vs light quark! Piccola differenza dovuta alla massa del b (piu pesante --> jet piu largo) 35

36 Molteplicita carichi Definire osservabili sensibili al rapporto CA/CF per verifica QCD Tracciamento e in genere piu accurato (migliore risoluzione sperimentale) di calorimetria Idea: ricostruisci jets, ma poi inferisci CA/CF da rapporto particelle cariche in jet gluoni/jet quark assunzione dualita partone-adrone: numero adroni/quark = numero adroni/gluone, con energia e direzione spaziale simili al partone genitore Ergo: numero di particelle cariche per evento in g vs q = numero di g vs q nello stesso evento! 36

37 Due tipi di eventi scelti: j+j, fotone+jet 37

38 CDF ha effettuato 3 diverse misure, in buon accordo con i calcoli piu recenti Jet da gluoni hanno piu tracce 38

39 Invito a leggere questo articolo di ATLAS: 39

40 Materiale aggiuntivo 40

41 Impatto su calorimetri La risposta del calorimetro a jet da g vs q e diversa correzioni ad-hoc alla misura di energia e risoluzione sono necessarie

42 Risposta del calorimetro per vari schemi di calibrazione (compensazione cascata adronica + altri effetti strumentali) 42

43 Produzione associata W+jets Matrix element, cioe interazione primaria calcolabile con i diagrammi di Feynman: emissione di un bosone vettore insieme ad 1, 2, 3,... partoni Questo e un fondo sperimentale molto importante per diverse analisi ad LHC (top, Higgs, Susy, ecc) Predizioni teoriche in simulazioni sono strumento primario per ridurlo e stimarlo nelle misure di precisione e ricerche nuova fisica Tevatron ha fatto un grosso esercizio di test delle simulazioni ad Ecm=1.96 TeV, poi ripetuto a 7/8 TeV ad LHC 43

44 Analisi a CDF W+jets si cerca con stato finale in leptone+neutrino fondo principale: eventi multi-jet con un jet che simula un leptone (e.g. un elettrone nel calorimetro) processi multi-jet hanno bassa MET perche no neutrino usa questa variabile in fit ai dati per discriminare segnale da fondo 44

45 Risultati W+jets confronto a livello particelle=adroni (theo: PS->adroni, exp: unfolding calo->adroni) guardare fino al 4.jet da una misura della bonta delle predizioni sullo shower: buon accordo 45

46 αs da sezione d urto jets Eventi con basso impulso longitudinale pt ~ p ==> dipendenza da Q ~ dipendenza da pt Poi si inferisce, per ogni intervallo di pt, il valore ad un impulso di riferimento (Q = massa Z) tramite fit QCD vince ancora! 46

47 Aspetti non perturbativi in parton shower parton shower prevalentemente perturbativo: conti analitici, fattorizzabilita dei processi, no bisogno di approssimazioni e calcoli numerici pero anche nel caso di alte energie (Q 2 >~200 MeV <--> αs < 1) limiti non perturbativi non possono essere trascurati 47

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49 Risultati A livello pre-rivelatore, differenze di algoritmo al di sotto del 10% 49

50 Risultati A livello pre-rivelatore, differenze di algoritmo al di sotto del 10% 50

51 Accordo con la teoria 51

52 Effetti Underlying event e Pile-up 52

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55 L esperimento concorrente, D0, ha simile rivelatore 55

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59 Diagrammi di Feynman QCD QCD perturbativa LO : 8 processi a 4 partoni 59

60 Cenni su risposta del calorimetro 60

61 Calorimetri segmentati in celle -> correzione per energia che un algoritmo di jet non include (sotto-stima energia) 61

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