Studio della X(3872) all'esperimento CMS

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1 Studio della X(3872) all'esperimento CMS Speaker: Alberto Vesentini Università di Pisa, INFN sezione Pisa, CMS (X3872 group) 28 settembre 2011 Conferenza SIF- L Aquila

2 La particella X(3872): motivazioni Scoperta nel 2003 dalla Collaborazione Belle, nelle collisioni e + e - (il nome X deriva dalla sua natura sconosciuta ); Conferme dalla Collaborazione BaBar e dagli esperimenti adronici (CDF and D0, Tevatron); LHC ha visto questa particella in due esperimenti: LHCb e CMS; Diverse interpretazioni sulla sua natura, numeri quantici: J PC = 1 ++ or 2 -+ ; Predizioni teoriche dalla NRQCD nelle collisioni pp. 2

3 Possibili interpretazioni: Stato di quark c (charmonio); Molecola di particelle (mesoni D * ); Stato di tetraquark. Decadimenti (visti finora): X ( 3872) J / Caratteristiche della X(3872) X ( 3872) J / * * X ( 3872) D D adroni Spettro dei livelli del charmonio Decadimenti del charmonio adroni 3

4 Produzione diretta (prompt): direttamente dal punto d interazione dei fasci di protoni o dal decadimento di un stato di charmonio più pesante; Produzione indiretta (non-prompt): dal decadimento di mesoni B (contenenti un quark b), presenza di un vertice secondario; p Meccanismi di produzione μ + μ - π + J/Ψ X,Ψ p π - Prompt Per l analisi: simulati entrambi i casi usando il software PYTHIA: partendo dalla particella χ c1 con massa GeV/c 2 e J PC =1 ++. p cτ μ + μ - π + J/Ψ b p X,Ψ π - Non-Prompt 4

5 L acceleratore LHC Dati raccolti da CMS nel 2011; Analizzati ~900fb -1. Parametri acceleratore Iniezione Collisione Energia dei protoni [GeV] Gamma relativistico Numero di bunch 2808 Corrente circolante [A] esperimenti: ATLAS, ALICE, CMS e LHCb. Obiettivi: Fisica del Modello standard e oltre; Ricerca Supersimmetria; Ricerca materia ed energia oscura. Dati analizzati da CMS. ~1fb -1 utilizzato nell analisi. 5

6 Il detector CMS 3.8 T Buona identificazione e risoluzione del momento di muoni per η 2.5; Buona risoluzione dei momenti di particelle cariche nei tracciatori interni; Buona risoluzione elettromagnetica, per elettroni e fotoni; Buona risoluzione dell energia persa e della ricostruzione della massa di dijet, con calorimetri adronici. 6

7 Ricostruzione di pioni e muoni CMS-PAS-BPH pioni muoni Pioni ricostruiti nell inner detector (Strip 9.3M canali, Pixel 66M canali); Muoni ricostruiti usando anche il sistema dei muoni, diversi tipi di muoni in base al segnale nel sistema dei muoni; Definita una regione di accettanza per i muoni e per le tracce; Utilizzati diversi trigger per selezionare gli eventi. Accettanza μ 7

8 Osservazioni della X(3872) Prima osservazione ( 2S) X(3872) CDF D0 2003,Belle 2010, LHCb 8

9 Misura del rapporto delle sezioni d urto Estratto dallo spettro di massa invariante di J/ ψ π + π - il numero di ψ(2s) e di X(3872); Il rapporto è definito così: (pp X(3872) altro) BR( X (3872) J / ) R (pp (2S) altro) BR( (2S) J / ) N N X (3872) 1 (2S ) C C A A J / J / ( X ) ( ) J / J / ( X ) A ( ) A ( X ) ( ) ( X ) ( ) Le accettanze ottenute da Monte Carlo e le efficienze dei dati (diverse strategie per muoni e pioni); Diverse selezioni per le tracce dei muoni e dei pioni. 9

10 Selezione candidato J/Ψ Per tutti i muoni (Tracker e Global): Nr di Pixel hits > 1; Nr di totat hits nel tracker (Strips+Pixel) > 11; Vertice χ2/ndf < 1.8; d 0 < 3cm e d z <15cm rispetto al vertice primario; Muoni global χ 2 /NDF < 20: Probabilità vertice J/Ψ > 0.01; Richiesto il matching dei muoni da J/ Ψ e quelli del trigger. Tagli cinematici (definita una regione di accettanza): p T > 3.3 GeV/c per η < 1.3; p > 2.9 GeV/c per 1.3< η < 2.2; p T > 0.8 GeV/c per 2.2< η <2.5. Massa J/Ψ (GeV/c 2 ) CMS-AN Event display di una X(3872) simulata

11 Selezione pioni Scelta basata sugli studi Monte Carlo; Tagli di qualità: Nr di Pixel hits > 1; Nr di Strips hits > 5; Vertice χ 2 /ndf <5; Tagli di accettanza: π p T > 400 MeV/c; ΔR(J/ψ, π) <0.7 (per ridurre il fondo combinatorio, usato anche da CDF); p T (ππ) > 1.5 GeV/c. Selezione candidato: Due muoni da una J/Ψ; Costrizione di J/ Ψ nel vertice a quattro tracce; Probabilità del vertice > 0.01; Massa: m< 5 GeV/c 2. Regione di fiducia del candidato: p T (X)>8 GeV/c; y(x) < CMS-AN Pione duro Dati 2010 CMS-AN Pione soffice

12 Spettro di massa: dati 2010 Fit senza bin, con il metodo della massima verosimiglianza; Funzione fit Ψ(2S): 2 gaussiane; Funzione fit X(3872): 1 gaussiana; Funzione fit fondo: polinomio di Čebyšëv, di 2 grado data:~40 pb -1 Ψ(2S) CMS-AN X(3872) X(3872) Parametri del fit: N Ψ(2S) =7460 ± 162 N X(3872) =542 ± 121 m Ψ(2S) = ± 0.1 MeV/c 2 σ1 Ψ(2S) = 8.1 ± 0.6 MeV/c 2 σ2 Ψ(2S) = 3.3 ± 0.3 MeV/c 2 m X(3872) = ± 1.9 MeV/c 2 σ X(3872) = 6.3 ± 1.3 MeV/c 2 CMS-AN

13 13 13 Misure Prompt non prompt (della Ψ(2S) e della X(3872), nelle slides successive), ~20% di componente non-prompt; Il valore di correzione C risulta essere: C = ± 0.015(stat.) e il rapporto risulta (dati 2010): R = ± (stat.) Data yield e calcolo del rapporto ) ( ) ( A ) ( ) ( A ) ( ) ( A ) ( ) ( A C / / / / J J J J X X X X

14 Errori sistematici relativi Parametrizzazione del segnale e del fondo: Usate diverse funzioni per il fit della massa, i cambiamenti nel guadagno hanno differenze fino al 5.3%. Variazione della frazione non-prompt della X(3872) e della ψ(2s): Combinazione delle relative differenze nella componente non-prompt, dell ordine del 40%, portano a differenze del 6%; Incertezza dovuta all efficienza di ricostruzione dei pioni: Usato un metodo guidato dai dati, confrontando due decadimenti: Ψ(2S) J/Ψπ + π - e Ψ(2S) μ + μ - : 4%; Mancanza di conoscenza del meccanismo di produzione della X(3872): Studi sull effetto al variare del p T : 3.5%; Incertezza dovuta alla limitata grandezza dei campioni Monte Carlo: stimata 1.5%. 14

15 Efficienza dei pioni dai dati Confrontando il numero di ψ(2s) che decadono in μ + μ - e quelle in J/Ψ π + π - ; Correzioni: Branching ratio (da PDG); Accettanza e efficienze della J/Ψ e della Ψ(2S) nel canale coi muoni. Il rapporto è: R=0.35 ± 0.04; Consistente con gli studi sul Monte Carlo. J/Ψ CMS-AN Ψ(2S) 15

16 Risultato corretto Tabella delle incertezze Efficienza delle tracce dei pioni 4.0 % Estrazione segnale 5.3 % Componente non-prompt 6.0 % Cambio p T della X(3872) 3.5 % Statistica Monte Carlo 1.5 % Errore sistematico 10.0 % R = ±0.017 (stat.) ±0.009 (sis.) Analisi pubblicata: CMS BPH

17 I primi dati del 2011 Richieste modifiche ai tagli: p T (π)>0.7gev/c; p T (X)>9 GeV/c; y(x) <1.25. Trigger diversi, dovuti all alta statistica: p T (μ)>6-7 GeV/c; μμ massa vicino a J/ Ψ (3.091 GeV/c 2 ). ~10 volte la statistica del 2010! work in progress Stesse funzioni di fit; circa 900 pb -1 di dati analizzati 17

18 Calcolo della componente non-prompt work in progress work in progress Monte Carlo cτ Prompt Non-prompt p cτ μ + μ - π + J/Ψ X,Ψ b p π - N( cuts c ) Nnon N( cuts ) N prompt B non prompt non prompt N(cuts): eventi che passano tutti i tagli; N(cuts + cτ): eventi che passano tutti i tagli + cτ>0.1mm (cτ per richiedere il decadimento da B); B e P: efficienze da Monte Carlo, del taglio in cτ>0.1mm. N N prompt prompt P prompt 18

19 Spettro di massa: dati cτ Senza taglio in cτ work in progress work in progress 2011 Data cτ work in progress 19 Con taglio cτ>0.1mm

20 Risultati 2010 (minore statistica, ~40 pb -1 ) (work in progress): N non-prompt /N cuts = 0.488±0.023(stat.) Ψ(2S) N non-prompt /N cuts = 0.41±0.18(stat.) X(3872) 2011 (~900 pb -1 ) (work in progress): N non-prompt /N cuts = 0.512±0.006(stat.) Ψ(2S) N non-prompt /N cuts = 0.163±0.033(stat.) X(3872) La differenza dei dati 2011 rispetto ai dati 2010 è di ~1.4σ; le due misure sono compatibili. 20

21 Conclusioni e prospettive Conclusioni: Misurato il rapporto delle sezioni d urto della Ψ(2S) e della X(3872); Analizzati i primi dati del 2011; Misurata la componente non-prompt dei dati del 2010 e del Prospettive: Misura accurata della massa della X(3872); Misurare la sezione d urto differenziale della X(3872); Capire il meccanismo di produzione della X(3872) e misurarne i suoi numeri quantici. 21

22 Fine! Grazie per l attenzione!

23 Back up slides

24 Modello a quark Leptoni e quark come particelle elementari; Adroni: composti di quark: Mesoni: quark + antiquark; Barioni: quark + quark + quark (o 3 antiquark); Dinamica descritta dalla cromodinamica quantistica (QCD); La simmetria è descrivibile con il gruppo SU(3), usando solamente fino al quark c; from Wikipedia 24

25 LHC: sistema di accelerazione 25

26 L esperimento CMS II 26

27 Caratteristiche candidato X(3872) p T pione hard CMS-AN CMS-AN p T pione soft CMS-AN Pixel e Silicon Hits dei pioni CMS-AN Probabilità vertice (dati e MC) CMS-AN p T del sistema di pioni e ΔR(J/Ψ,π) R

28 Campioni usati Datasets: tutti I dati 2010 disponibili: MuOnia/Run2010A-Dec22ReReco_v1/AOD; MuOnia/Run2010B-Dec22ReReco_v1/AOD. Selezione dei run buoni: Muon Physics JSON File; Selezione del trigger (~ 40 pb-1): Runs : HLT_DoubleMu0; Runs : HLT_DoubleMu0_Quarkonium_v1. Produzione Monte Carlo: da χ c1 con X(3872) J PC =1 ++ : 1M di X(3872) e Ψ(2S) prompt e non-prompt; CMSSW release: 3_9_7. 28

29 Regione di fiducia della X(3872) Studiata l accettanza della J/Ψ al variare del p T e della y della X(3872); La regione di fiducia dell analisi è stata scelta escludendo le zone con bassa accettanza; Regione: p T (X)>8 GeV/c; y(x) <2.2. CMS-AN

30 Fattorizzazione di C C = A J/ψ (X) ε J/ψ (X) A ππ (X) ε ππ (X) A J/ψ (ψ ) ε J/ψ (ψ ) A ππ (ψ ) ε ππ (ψ ) Dove i vari termini sono: Accettanza della J/ψ (A J/ψ ): Frazione delle J/ψ generate con i 2 muoni nella regione di accettanza. Efficienza della J/ψ (ε J/ψ ): Frazione delle J/ψ con 2 muoni nella regione di accettanza, triggerate e ricostruite. Accettanza Efficienza dei pioni (A ππ ε ππ ): Frazione delle X(3872) o delle ψ(2s), con una J/ψ triggerata e ricostruite,che passano tutte le selezioni. I componenti di C sono determinati separatamente per le X(3872) e per la ψ(2s); usate simulazioni Monte Carlo per la parte prompt e non-prompt. 30

31 Stabilità dei tagli Taglio Intervallo di variazione del valore Massima deviazione nel rapporto Singolo π p T Da -13 % a +50 % 5.7 % Sistema ππ p T Da -20 % a +20 % 7.0 % Nr Strip Hits Fino a 50 % 9.7 % Probabilità del vertice Fino a 500% 1.5 % χ 2 della traccia del pione Fino a 40 % 11.5 % ΔR(J/ψ,π) Da -20 % a +20 % 10 % p T minimo del candidato Fino a 33% 4.6 % 31

32 Metodo di sottrazione delle sidebands Utilizzando lo spettro di massa invariante, si sottrae al candidato nella zona interessata, gli eventi nelle code. Ottimo accordo tra i dati e la simulazione. CMS-AN CMS-AN J/ Ψ proveniente da Ψ(2S) e X(3872) Candidato Ψ(2S) e X(3872) CMS-AN

33 Studio per abbattimento del fondo Utilizzato il match nel Monte Carlo delle tracce con la verità Monte Carlo; Match con la richiesta: p p p traccia traccia reco MCverità traccia reco 0.01 p traccia T reco p p traccia T reco traccia T MCverità 0.01 work in progress Pione duro Pione soffice Massa invariante work in progress work in progress MC segnale prompt 33

34 Prompt - Non prompt X p T Prima Dopo il taglio in accettanza dei muoni 34

35 Polinomio di Čebyšëv T 1 ( x; c,... c ) ( T 0 ( x) c T k ( x)) 0 n k N n k0 Dove T k (x) è il polinomio di grado k-esimo; Il caso banale è: T(0)=1. 35