Quark pesanti:misure di produzione e proprietà con i rivelatori multiscopo al Large Hadron Collider

Transcript

1 Quark pesanti:misure di produzione e proprietà con i rivelatori multiscopo al Large Hadron Collider Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica Università di Roma - La Sapienza Anno Accademico b Francesco Spanò 1

2 Perchè studiare i quark pesanti = grande massa? b & top: quarks con massa maggiore. top:massim a massa. bottom=b mb~4.2 GeV v ~246 GeV mt,b =yt,b v/ 2 mhiggs~ 2yHv mtop~170 GeV top il perchè della gerarchia delle masse è ancora un mistero yt~1 massima connessione con bosone di Higgs È l Higgs del modello standard? yt e yb sono misure cruciali Ai limiti della fisica fondamentale : più attuale che mai Se Λ è la scala energetica a cui nuova fisica appare, mhiggs ha correzioni in funzione di Λ = + δmh 2 (Λ/10 TeV) 2 + mhiggs 2 mh0 2? δmh risulta dominata da contributi di top quark mtop Λ è ignoto. Se Λ >> TeV, δmh >> mhiggs. Cosa compensi δmh è ancora un mistero. Ipotesi suggestiva: nuove particelle (top partners) con correzioni opposte a quelle del top che decadono come top o in top. Non trovati (ancora?) ricerca in misure di top 2

3 Perchè studiare i quark pesanti = grande massa? Studio di proprietà, produzione e decadimento di quarks top e b, soprattutto differenziali = in funzione di variabili cinematiche (ad es. mtt, mbb) W~mediatore debole g~mediatore forte f={t,b} f f - analisi di precisione delle interazioni forte & elettrodebole standard per calibrazione/ messa a punto di rivelatore multiscopo informazioni su composizione del protone (gluoni) Alle fondamenta di modello standard e delle tecniche di misura LHC: collisioni protone-protone a 13 TeV nel centro di massa ( s) frequenza di tt (t) (b) a regime (L= cm -2 s -1 ) s=13 TeV s=14 TeV ~8.3 (~3) al secondo ~9 (~3) (~ ) al secondo heavy quark factory s =13 TeV: produzione di top e b-quarks e ricerca di top partners in nuovo regime cinematico inesplorato! (precedenti collisioni a 8 TeV) tth e H+X bb+x : da misurare direttamente! 3

4 Cosa offre/fornisce questo corso? ~20-22 ore di lezione Analisi di misure di proprietà, produzione e decadimento di quarks top e b. Coprono (quasi) tutti i tipi di misure caratteristiche che si compiono in fisica delle particelle elementari agli acceleratori: dalle misure di precisione alle ricerche di nuova fisica Studiare i quark pesanti fornisce quindi un doppio vantaggio: permette di studiare esempi di tutte le principali tecniche di analisi della fisica delle particelle e fornisce strumenti critici e spunti per analizzare altre misure permette di avere una panoramica vasta (fatta per differenza) su (quasi) tutta la fisica delle particelle fattibile agli acceleratori 4

5 Cosa vi chiede questo corso? A lezione Presenza e partecipazione attiva: atmosfera informale, tempo per domande e discussioni/connessioni è cruciale. Apprendimento come percorso comune di scambio e riflessione. Preparare breve sommario di concetti principali e di punti non chiari: mini-lista da consegnare a fine di ogni lezione Fuori lezione Interazione con docente e/o altri colleghi discussioni con docente per approfondimenti/chiarimenti/dubbi su articoli/ materiale di lezione Possibilità (a seconda di interesse/dimensione di classe): formazione di piccoli gruppi di colleghi interessati a discussioni tematiche su articoli (stile journal club ) Colloquio/esame finale: orale analisi di (almeno) 3 articoli a scelta in una delle 5 sezioni topiche del programma (almeno uno su b-quark) discussione e connessione con le sezioni generali 5

6 Programma (I) Quark pesanti:misure di produzione e proprietà con i rivelatori multiscopo al Large Hadron Collider Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica, Università La Sapienza di Roma - A.A (22 ore di insegnamento totali) Docente: Francesco Spanò (Royal Holloway, University of London) Pre-requisiti Obiettivi formativi Programma Sezione Generale 1 : Motivazione, strumenti di misura, oggetti di stato finale Sezione Generale 2: il b -quark + oggetti per stati finali + stima di fondi Laurea in Fisica, Esami di Fisica teorica e fisica subnucleare di livello magistrale, basi di tecniche di rivelazione per le alte energie (per esempio: Laboratorio di fisica subnucleare). Conoscenze: conoscere le proprietà dei quark pesanti prodotti in collisioni adroniche, le misure che le caratterizzano e le tecniche ad esse associate e le problematiche aperte con gli ultimi dati raccolti ad LHC. Abilità: saper descrivere i passi tipici per la misura di una proprietà dei quark pesanti; saper riconoscere gli oggetti da misurare e i sotto-rivelatori in gioco per diverse misure coinvolgenti top e b-quarks; saper suggerire tecniche per le misure da effettuare scegliendo fra quelle già in uso. Competenze: essere in grado di analizzare una misura sulle proprietà dei quark pesanti in maniera critica in termini di incertezze, tecniche adottate, loro limitazioni e possibili sviluppi. 1. Introduzione ai quark pesanti ( bottom e top ) Modello Standard e questioni aperte. Top - e bottom -quarks: perchè? scoperta del b-quark scoperta del top-quark 2. Il Large Hadron Collider: produttore di top e b-quarks. ATLAS e CMS: gli osservatori Caratteristiche di base di LHC ATLAS and CMS: rivelatori multi-scopo, caratteristiche e sottorivelatori a confronto 3. Produzione di b-quarks in collisioni adroniche 4. Misure di oggetti nello stato finale (parte 1): getti ad LHC getti ad ATLAS e CMS tecniche di calibrazione e incertezze (anche specifiche per b- e top-quark) Identificazione dei b-getti in ATLAS e CMS: b-tagging 5. Produzione inclusiva di b-quark nel Run1 di LHC misure di sezioni d urto inclusive e differenziali di produzione di getti da b-quark e di coppie di getti bb tecniche di deconvoluzione di effetti di rivelatore: cenni di base. misure di sezioni d urto di produzione di Z! bb 6. Misure di oggetti nello stato finale (parte 2):leptoni ed energia trasversa mancante ad LHC leptoni in ATLAS e CMS: elettroni, muoni energia trasversa mancante in ATLAS e CMS 7. Produzione associata di b-quarks e bosoni (W,Z) nel Run1 di LHC sezioni d urto inclusive e differenziali di produzione di W+b-getti 6

7 Programma (II) Sezione topica 1: produzione di top quark e stime di fondi 8. Produzione di top quarks a LHC produzione di coppie di top quarks (tt) produzione di top quark singolo connessioni con predizioni di precisione (NNLO/NLO) e nuovi sviluppi teorici (WbWb, matching and merging ) Decadimenti del top quark: stati finali per coppie di top e top singoli 9. Fondi alla produzione di top quarks: tecniche di stima e incertezze associate W/Z+getti falsi leptoni multi-getti Z+getti e coppie di bosoni tt e top singolo: fondo l uno all altro Richiami su fondamenti di incertezze sistematiche Sezione topica 2: misure di sezione d urto di produzione di top quark Sezione topica 3: misura della massa del top quark 10. Misure di precisione della produzione di top quarks a LHC produzione di tt produzione di top singolo misure di V tb risultati combinati 11. Produzione di Top quarks: misure differenziali sezioni d urto di produzione tt differenziali in variabili cinematiche, molteplicità dei getti, attività adronica sezioni d urto di produzione di top singolo differenziali in variabili cinematiche il futuro è boosted (parte 1): l emergenza dei top quarks ad altissimo impulso trasverso riconoscimento di getti da top quark: tecniche basate su sottostruttura dei getti misure di sezioni d urto differenziali tt ad altissimi impulsi trasversi richiami su deconvoluzione di effeti di rivelatore: unfolding confronto con lo stato dell arte delle predizioni (generatori di eventi NLO e calcoli a NNLO) 12. La massa del top quark il significato della massa del top: ambiguità e incertezze intrinseche. massa del top quark e stabilità del vuoto tecniche per la misura della massa del top quark 13. Misura massa del top quark a LHC (e Tevatron) misure standard di massa del top quark a ATLAS e CMS risultati combinati LHC-Tevatron misure alternative di massa del top quark a ATLAS e CMS Sezione topica 4: misura delle altre proprietà del top quark Sezione topica 5: Top quark e bosone di Higgs 14. Misure di altre proprietà del top quark (oltre alla massa) carica elettrica spin del top quark: elicità del bosone W in decadimenti di top quarks correlazioni fra spin nella produzione di tt accoppiamenti top+x (W/Z) asimmetria di carica nella produzione di tt 15. Il top quark e il bosone di Higgs importanze dell accoppiamento di Yukawa tra il top quark e l Higgs ricerca della produzione associata a ATLAS e CMS: tth 7

8 Programma (III) Sezione topica 6: top quark e nuova fisica; prospettive per il Run2 di LHC 16. Il top quark come finestra su fisica oltre il modello standard: nuova fisica in produzione del top quark (top partners ) 17. Il futuro è boosted (parte 2): top quarks ad altissimi impulsi trasversi riconoscimento avanzato di getti da top quark: i top taggers ricerche di top quarks ad altissimi impulsi trasversi : vector-like top partners e risonanze tt 18. Nuove direzioni di ricerca in eventi con top quarks: fit di teorie effettive, nuove particelle leggere, materia oscura 19. Prospettive per il Run2 di LHC Prospettive per LHC Prospettive per il rivelatori Prospettive sulle misure degli oggeti di stato finale Prospettive sulle misure di sezioni d urto di produzione di top quark Prospettive per la misura della mass del top quark Prospettive per l osservazione di tt+ Higgs Prospettive per ricerche di nuova fisica con i top quarks Con- Bibliografia sigliata Testo con strumenti di base: QCD & Collider Physics (Cambridge Monographs on Particle Physics, Nuclear Physics and Cosmology) Paperback, Cambridge University Press - Chapter 10. Heavy quarks; Articoli di Revisione/Riferimento di base: 1. S. Frixione, M. L. Mangano, P. Nason and G. Ridolfi, Heavy quark production, Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 15, 609 (1998) [hep-ph/ ]. 2. M. L. Mangano, Two lectures on heavy quark production in hadronic collisions, In *Varenna 1997, Heavy flavour physics* [hep-ph/ ]. 3. A. Quadt, Top quark physics at hadron colliders, Eur. Phys. J. C 48, (2006) DOI /epjc/s J. H. Kuhn, Theory of top quark production and decay, In *Stanford 1995, The top quark and the electroweak interaction* 1-64 [hep-ph/ ]. 5. S. Willenbrock, The Standard model and the top quark, NATO Sci. Ser. II 123 (2003) 1 [hep-ph/ ]. 6. Chris Quigg, Top-ophilia, FERMILAB-FN-0818-T Articoli con risultati aggiornati saranno indicati a lezione sulle singole slides per ogni argomento. 8