W e Z a LHC. M. Malberti (INFN Milano Bicocca) per le collaborazioni ATLAS e CMS

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1 W e Z a LHC M. Malberti (INFN Milano Bicocca) per le collaborazioni ATLAS e CMS Incontri sulla Fisica delle Alte Energie IFAE 2009 Bari, Aprile 2009

2 Introduzione LHC è una W/Z factory Process s n. eventi in 10 pb 1 * 14 TeV Z ll (M>40GeV) 10 TeV ~2 nb ~5000 ~1.4 nb ~ TeV ~20 nb ~50000 W l 10 TeV ~14.3 nb * assumendo ~25% ~35000 sezione d'urto di produzione è ~ 7 volte Tevatron grande numero di eventi anche con basse luminosita' chiara segnatura sperimentale dei decadimenti leptonici (e, ): leptoni isolati e di alto momento trasverso 2

3 Motivazioni COMPRENSIONE dei RIVELATORI calibrazione/allineamento misura di efficienze di trigger e ricostruzione dei leptoni misure di luminosità MISURE DI FISICA Sezione d'urto inclusiva Distribuzioni e sezioni d'urto differenziali (es. d /dptz, d /dy, d /d ) tuning Monte Carlo (PDF, parametri non perturbativi) W, Z + jets [talk E. di Marco in questa sessione] Asimmetrie AFB, asimmetria di carica MW e W Produzione di di bosoni e accoppiamenti triplici 3

4 ATLAS e CMS ATLAS CMS sistema tracciante, < 2.5 sistema tracciante, < 2.4 calorimetri calorimetri EM (LAr), < 3.2 EM (PbW04), < 3 Adronico, < 4.9 Adronico, < 5 spettrometro per muoni, < 2.7 camere per muoni, < 2.4 campo magnetico: solenoide 2T + toroide campo magnetico: solenoide 4T 4

5 Misura della sezione d'urto teoria nota al NNLO, incertezza residua < 1% misura precisa test di QCD perturbativa Accettanza da MC correzioni teoriche QED, QCD, incertezza dalle PDF Selezione degli eventi, riduzione dei fondi e controllo dei fondi residui (dai dati, se possibile) Misure di efficienza dai dati ( Tag&Probe ) Incertezze attese a LHC: statistica: ~1% per L ~10 pb 1, trascurabile per luminosità maggiori sistematiche sperimentali: qualche %, migliorano con L accettanza (teor.): ~ 2% luminosità ~ 3 7% [~10% allo start up] 5

6 Selezione di eventi Z ℓℓ e fondi Selezioni: trigger di singolo leptone, 2 leptoni isolati di carica opposta e alto pt (> 20 GeV), M(ℓℓ) ~ MZ Identificazione dei leptoni basata su selezioni semplici ma robuste (importante allo start up) Fondi residui: Z, ttbar, di jets, W+jets. Contaminazione finale attesa dal MC trascurabile ~O(1 ) Stima fondo adronico residuo dai dati: correlazione di carica: stima del numero di eventi di carica opposta da eventi con la stessa carica sidebands: estrapolazione alla regione di segnale da quelle ad alta/bassa M(ℓℓ) fit segnale+fondo con template di una variabile discriminante L = 50 pb 1 Before isolation 6

7 Misura di efficienze dai dati Uso di Z ee (Z ) per avere campioni puri su cui misurare efficienze di trigger e offline Metodo Tag&Probe TAG: e/ selezionato con criteri tight PROBE: e/ con criteri piu' laschi Massa(TAG PROBE) ~ MZ Misura di efficienza sul PROBE Efficienza totale: ~ 2% con 50 pb 1 Tag&Probe (Z ee) W MC truth Muoni 7

8 Selezione di eventi W ℓ Selezioni: trigger di singolo leptone 1 leptone isolato di alto pt massa trasversa e/o MET (tipicamente MET > 25 GeV, MT>50GeV) Fondi di origine elettrodebole: W, Z ℓℓ, Z, ttbar (qualche %) predizione da MC affidabile Fondo QCD in gran parte rimosso da taglio su MT, MET grande incertezza, ma puo' essere stimato direttamente dai dati 8

9 Stima del fondo QCD in W ℓ Obiettivo: selezionare un campione di jet puro e con distribuzione di MET(MT) rappresentativa del fondo nel campione W ℓ QCD non isolati QCD isolati Esempi di campioni di controllo: invertendo la selezione di isolamento sul leptone (CMS) campione gamma+jets : stesse selezioni per elettrone in W e, ma non si richiede matching di traccia (ATLAS) 9

10 W ℓ e PDF A LHC accessibile range in x, Q2 più ampio di quello esplorato finora Produzione di W, Z interazioni quark valence sea e sea sea Q ~ MW,Z ~ 100 GeV 10 4<x<10 2 W, LHC Possibilita' di migiorare l'incertezza sulle PDF direttamente dai dati sensibile a PDF gluone a piccoli x 1M `pseudodati` W e (~50 pb 1, CTEQ6.1 + ATLFAST) inclusi nel fit globale di ZEUS xg(x)~x g : prima: g= 0.199±0.046 a.u. Misura dello spettro di dei leptoni before fit before fit dopo: g = 0.196±0.029 precisione sulla PDF del gluone puo' migliorare di ~35% (se errori di misura ~ 4%) e+ rapidity after fit after fit e+ rapidity hep ex/

11 W ℓ : Aℓ( ) e PDF Asimmetria di carica dei leptoni d /d ℓ+) d /d ℓ-) Aℓ( ) = d /d ℓ+) + d /d ℓ-) per leptoni entro l'accettanza, Aℓ( ) varia da +10% a +20% in funzione di misura di Aℓ( ) sensibile a quark u e d precisione (stat.) ~ 2% con L= 10 pb 1 <1% con L=100 pb 1 su ~ tutto il range in effetti sistematici (luminosità, efficienze, misallineamento...) si riducono nel rapporto sensibilità alle PDF con 100 pb 1 blue band PDF uncertainty 11

12 Misura della massa del W (I) Motivazioni a una misura di precisione: test di consistenza del Modello Standard MW = f(mtop2,log(mh)) limite sulla massa Higgs Precisione attuale ~25 MeV, goal di LHC 15 MeV combinando canali e esperimenti Osservabili sensibili a MW Momento trasverso del leptone Massa trasversa Incertezze statistica dominante solo per basse luminosità sistematiche di origine teorica (modello di produzione del W) e sperimentali (es. scala energia/momento: 15MeV/100GeV Δp/p~ 10 4) cruciale l'uso di Z ℓℓ per il controllo delle sistematiche 12

13 Misura della massa del W (II) Misura non competitiva, ma test del metodo Metodo: costruire template di pt e/o MT per diversi valori di MW e fit delle distribuzioni dai dati ATLAS MW (MeV), L=15 pb 1 ATLAS template da Monte Carlo richiesta eccellente modellizzazione scala di energia, risoluzioni, descrizione MET da eventi Z ℓℓ pt(e) mt(e) pt( ) mt( ) Stat Exp PDF CMS template costruiti da Z ℓℓ, rimuovendo un leptone + correzione per R(X)=(d /dxw)/(d /dxz), X = pt/mv, MT/MV sistematiche comuni si cancellano maggiore incertezza statistica CMS MW, L = 1 fb 1 CMS MW, L = 10 fb 1 pt(e) mt( ) pt(e) mt( ) Stat Exp <30 < 20 PDF 20 < < 10 Per confronto: CDF RunII, 200 pb 1 MW=34MeV(stat.), 34MeV(sist.) 13

14 Produzione di coppie di bosoni Produzione di dibosoni (V1,V2,V3 = W, Z, ) vertice a 3 bosoni solo in canale s Accoppiamenti (Triple Gauge Couplings) carichi WWZ,WW : permessi nel MS neutri ZZZ, ZZ : vietati nel MS Misura della produzione VV test MS deviazioni della o TGC dal MS è segnale di nuova fisica studio di fondi a altri processi (Higgs, Susy...) WZ WW ZZ W Z (SM) 51.5 pb 117 pb 18 pb 74 pb 140 pb L~300 pb 1 Osservazione con L~100 pb 1 1 fb 1 es. : WZ con ~ 300 pb 1 (S=5 ) Miglioramento sui limiti TGC richiede luminosità maggiori (~ 30 fb 1 ) 14

15 Conclusioni Ampia produzione W e Z a LHC anche con bassa luminosità Fondamentali in una fase iniziale per comprendere i rivelatori (calibrazione, misura dei efficienze di trigger e off line) Misura di sezione d'urto inclusiva con ~10 pb 1 sviluppati metodi per controllo di fondi e misura di efficienze dai dati, per rendersi il piu' possibili indipendenti dal MC Possibilità di migliorare la conoscenza delle PDF con i dati iniziali (~100 pb 1) Altre misure (anche di precisione, es. MW) con luminosità integrate maggiori 15

16 Backup slides 16

17 Controllo dei fondi template di massa trasversa per segnale e fondo QCD Segnale da Z ll QCD: inversione isolamento fit di segnale+fondo 17

18 Controllo dei fondi Metodo della matrice o ABCD 18

19 Controllo della MET con Z ee Scala e risoluzione della MET possono essere controllate usando eventi Z ll Proiezione longitudinale scala Proiezione trasversa risoluzione 250 pb 1 19

20 Accettanza Accettanza da MC Sistematiche da predizione teorica + simulazione rivelatore accuratezza delle predizioni di dσ/dy e dσ/dpt Parton Distribution Functions descrizione del materiale/geometria scala E p e risoluzioni Esempio: incertezza dalle PDF ~ 1% 20

21 Misura di MW ATLAS Incertezze su M(W) attese per 15 pb 1 * * Incertezza sulla scala di energia : ~ 0.13% con L~15pb 1 21

22 Misura di MW CMS Incertezze su M(W) attese per 10 fb 1 metodo delle osservabili scalate W/Z misura da pt(e) Incertezza della scala di energia: ~ 0.25% sufficiente per mantenere M(W) < 10 MeV L=10 fb 1 pt(e) Stat. 15 Background 2 E p scale 10 E p resolution 2 Had. Recoil 10 Exp. < 20 PDF <10 W width <15 pt(w) <30 22

23 PDF a LHC Processi fondamentali coinvolgono scattering partone partone necessaria la conoscenza delle PDF per studiare segnali e fondi range x,q accessibile a LHC es. produzione di W, Z : Q2 ~ 104, < < x < 10 1 gluone dominante W,Z 23

24 AFB e sin W 2 AFB = b(a sin2θw) con Collisioni p p sono simmetriche asimmetria rispetto alla direzione del quark dedotta rispetto alla direzione del sistema ll (assumendo x(q) > x( q)) maggiore sensibilità per alte rapidità Y(ll) >1 Cruciale controllo dei sistematici PDF Accettanza e efficienza di ricostruzione dei leptoni (in particolare nella regione forward) Correzioni toriche QCD/QED Per confronto: precisione attuale ~