Corso di Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali LM in Fisica, AA Silvia Arcelli

Transcript

1 Corso di Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali LM in Fisica, AA Silvia Arcelli Veriiche del Modello Standard A LEP I/LEP 31 Marzo 015 1

2 Sezione d urto totale per scambio di Z Sezione D urto Totale, termine dovuto allo scambio di Z 0 : La lineshape dipende da M Z e Z Sezione d urto al picco, 0 dipende dal tipo di ermione (dai suoi accoppiamenti alla Z) 4 / ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 6 ) ( Z Z Z Z A V e A e V c F M is M s sm c c c c N G e e

3 Sezione d urto totale per scambio di Z La larghezza totale della Z 0, Z, riceve un contributo da ogni specie accessibile cinematicamente pari alla rispettiva larghezza parziale: Z tot h + ee + mm + tt + N n nn = G F m Z 3 6.N c. (c V ) +(c A )

4 Sezione d urto totale per scambio di Z La sezione d urto per lo scambio di Z 0 si può anche scrivere eplicitando nella sezione d urto al picco le larghezze parziali: tot = 1 m Z. ee Z. s Z (s-m Z ) + s Z /M Z 0 =. s Z (s-m Z ) + s Z /M Z Tipica dipendenza Breit-Wigner. Per una corretta descrizione delle sezioni d urto osservate, occorre però tenere in conto l eetto di correzioni di ordine superiore, prevenienti da processi di QED, da processi deboli e orti:

5 Correzioni radiative Correzioni QED: eetti ben noti dovuti a radiazione reale o virtuale di otoni: ISR corrections FSR corrections Vertex corrections La correzione dominante viene dalla radiazione di stato iniziale (ISR): l ISR riduce l energia eettiva nel centro di massa e produce una lineshape asimmetrica, abbassando di circa 30 % la sezione d urto al picco e modiicando di diverse decine di MeV i valori osservati di Mz, Z

6 Correzioni radiative Correzioni Deboli (le più interessanti...): a livello del percento, modiicano gli accoppiamenti C A e C V. Principali contributi dovuti a loop top-antitop e Higgs nel propagatore Z: t Z 0 Z 0 Z 0 Z 0 _ t con = 3 G F 8 m t - 11 G m F Z sin w 1 ln m H m W La massa del top prevista da questo tipo di correzioni radiative, sulla base delle misure di LEP m t = GeV Esempio: misura di Z Inoltre, in stati inali adronici anche correzioni dovute all interazione Forte

7 Massa, larghezza e sezioni d urto al picco della Z 0 Per ogni stato inale, posizione del picco e larghezza della curva sono sempre M Z e Z La sezione d urto al picco: 0 1 M Z ee Z dipende dalla larghezza parziale della Z 0 in quella coppia di ermioni: = G 3 F m Z 6.N c. (c V ) +(c A ) Universalità leptonica In corrente neutra M Z Z

8 Massa e larghezza della Z 0 M Z = ± GeV Z =.495 ± GeV Pre-LEP: M Z 1 GeV, Z GeV

9 Larghezza Invisibile della Z 0 = larghezza parziale corrispondente al decadimento della Z 0 in una coppia ermione-antiermione Larghezza totale adronica : h = qt qq Larghezze leptoniche: ee, mm, tt, nn La larghezza invisibile non è misurabile direttamente e si rierisce ai decadimenti in neutrini: invis = N n nn dove N n è il numero di neutrini leggeri. Si ottiene per dierenza: inv = N n nn Z - h - ee mm tt = Z h - 3 ll universalità leptonica ee = mm = tt = ll

10 Numero di amiglie di neutrini leggeri Se osse esistita una quarta amiglia di quark e leptoni con un neutrino avente massa ineriore alla metà della massa della Z 0, si sarebbe osservato un aumento della larghezza della Z 0 e un abbassamento della sezione d urto adronica di picco La dipendenza della sezione d urto adronica dal numero N n è chiaramente visibile: l andamento è perettamente in accordo con l esistenza di 3 amiglie di neutrini leggeri. N n =.9840 ± I dati di LEP escludono l esistenza di una quarta amiglia con Mn<M Z /

11 Sezione d urto e + e - Z 0 e + e - Z 0 (=m) d d Z (c e V ) +(c e A ) (c m V ) +(c m A ) (1+cos ) + 8 c e V c e A c m V c m A cos Termini in (1 + cos ) contribuiscono a tot Termini in cos non contribuiscono a tot, ma contribuiscono all asimmetria

12 Asimmetria Forward-Backward A FB La natura della distribuzione angolare può essere espressa tramite l asimmetria avanti-indietro (asimmetria Forward- Backward ) A 0, FB = - F B F + B = N F - N B N F + N B = 3 4 A e A 1 F = (d /dcos) dcos 0 al picco 0 B = (d /dcos) dcos -1 Se la parità è conservata, il numero di ermioni osservati nell emisero Forward deve essere uguale al numero di ermioni osservati nell emisero Backward : A 0, FB = - F B F + B = 0 se la parità è conservata 0 se la parità non è conservata

13 Asimmetria Forward-Backward A FB Sezione d urto dierenziale vs cos per il m - a 3 diverse energie nel centro di massa Fuori dal picco eetto dell intererenza -Z0 A c FB e A c A Re( ( s)) l asimmetria cambia rapidamente con l energia a causa dell intererenza -Z

14 Asimmetria A FB al picco, s = m Z L asimmetria a s = m Z (dove domina l ultimo termine della sezione d urto dierenziale, e l intererenza è nulla ) è: Con: A 0, FB = - F B F + B = N F - N B N F + N B = 3 4 A e A al picco A = C V C A C V + C A che dipende da: C V, C A e (C V + C A ) (v =) c V = I W 3 (a =) c A = I W 3 - Q sin W = C L + C R = C L - C R

15 Asimmetria A FB al picco, s = m Z Asimmetrie a a s = m Z sensibili a C V e quindi all angolo di Weinberg. Quark di tipo down hanno asimmetria rilevante

16 Asimmetrie leptoniche Asimmetria per leptoni = e, m, t Per i dati registrati a s = M Z A FB = ± Asimmetria piccola ma diversa da zero, precisione 5%

17 Asimmetrie dei quark pesanti Gli adroni pesanti c, b hanno lunghe vite medie, e spesso hanno leptoni con alto p t nello stato inale Si usano i rivelatori di microvertice per misurare L e d 0 e discriminarli da altri adroni Si può determinare, attraverso il segno della carica del leptone (e con altre tecniche, ad es. jet charge ) il segno della carica del quark

18 Asimmetria del Beauty, A FB bb Asimmetria per i quark b Per i dati registrati a s = M Z : A b FB = ± circa 6 volte superiore a quella osservata per i leptoni carichi, come previsto del Modello elettrodebole. Precisione relativa maggiore rispetto ai leptoni, maggiore sensibilità su sin W

19 Misura dell angolo di Weinberg Le misure di asimmetrie possono essere convertite in una misura di sin W : sin W = ± Precisione migliore del per mille! (per conronto, le misure atte in scattering di neutrini e a Petra avevano una precisione del 10%)

20 Misura dell angolo di Weinberg a SLC

21 Sezione d urto e + e - Z 0 e + e - Z 0 (=m) d d Z (c e V ) +(c e A ) (c m V ) +(c m A ) (1+cos ) + 8 c e V c e A c m V c m A cos Termini in (1 + cos ) contribuiscono a tot Termini in cos non contribuiscono a tot, ma contribuiscono all asimmetria

22 Risultati combinati a LEP1 Parametri alla risonanza della Z 0 Obiettivi sperimentali di progetto, LEP: (M Z ) ~ 10 MeV, (N n ) ~ 0. 5 volte migliore Raggiunte precisioni migliori di quelle delle attese, grazie all eccellente unzionamento dell acceleratore e dei rivelatori. Osservabili misurati con precisioni del per mille o superiori Test del Modello Standard al livello delle correzioni radiative deboli M Z è ora il terzo parametro sperimentale insieme a EM e G F che issa le previsioni del MS a livello albero 0 volte migliore

23 Misura degli accoppiamenti della Z ai ermioni: pre e post LEP 3

24 Risultati a LEP LEP ha permesso di esplorare la regione in energia del centro di massa 130 < E CM < 09 GeV I principali risultati a LEP riguardano produzione di coppie ermione-antiermione: La prima misura del triplo vertice bosonico Z 0 W + W - La misura di precisione della massa m W del bosone W e dei suoi parametri di produzione I limiti sull esistenza di nuove particelle (Higgs, SUSY)

25 Produzione di coppie di ermioni, e + e - - Sezioni d urto: e + e - e + e -, m + m -, t + t -, adroni È da notare che a queste energie la probabilità di emissione di un otone dal positrone o dall elettrone iniziale diventa molto grande: si parla di ritorno radiativo alla Z 0 La maggioranza degli eventi non sono più collineari. Solo gli eventi non radiativi contengono inormazione sul MS alle alte energie.

26 Sezioni d urto e + e - a LEP - Peretto accordo con il MS anche ad energie sopra al picco della Z o, per quanto riguarda la produzione di ermione-antiermione qq ~100 pb WW ~17 pb ZZ ~1 pb Nella misura sezioni d urto, sono esclusi gli eventi radiativi con la condizione s /s > 0.75 dove s è l energia eettiva nel sistema del c.m. I contributi dovuti allo scambio di otone e Z sono dello stesso ordine, come previsto dall uniicazione elettrodebole (la massa della Z non si sente più)

27 Produzione di coppie di bosoni WW e ZZ a LEP e - n e W - W + - A LEP (ase di unzionamento di LEP nella quale l energia nel c.m. è stata elevata sino a 09 GeV) si sono anche studiate le reazioni con produzione di coppie di bosoni di gauge: e + e - e + /Z W - W s M W e e W + W - e e Z 0 Z 0 e - e + e e W + W - e e Z 0 Z 0 e s M Z Z 0 Z Notare che nell interazione debole esiste il vertice Z 0 W + W -! Su() è non abeliano!

28 Produzione di coppie WW a LEP Alle energie più elevate di LEP: eventi e + e - W + W -, decadimento di due bosoni W Che tipi di eventi si producono? Puramente Leptonici Semileptonici Puramente Adronici

29 Produzione di coppie WW a LEP W + W - l 1 n 1 l n W + W - q 1 q en e W + W - q 1 q mn m W + W - q 1 q q 3 q 4

30 Sezioni d urto WW a LEP, s > m W (1) t-channel e - n e e + W - W () exchange e - e + W - W (1) (1) + () (3) Z exchange e - e + Z W - W (1) + () + (3) ~ 17pb Dati sperimentali in accordo con la presenza di entrambi i vertici Z 0 WW e WW, essenziale per assicurare la convergenza della sezione d urto. Dalla sezione d urto alla soglia di produzione, si ottiene anche una misura della massa del W

31 Sezioni d urto ZZ a LEP, s > m Z e - e Z 0 - e + Z 0 - Puro canale t, non sensibile ad accoppiamenti ra bosoni di gauge. Il MS non consente vertici ZZ, Z, ZZZ, Canale interessante anche perchè uno dei ondi principali Per la ricerca dell Higgs A LEP

32 Misura della massa del W, m W La massa della W è stata misurata usando il canale adronico e i 3 canali semileptonici, dalla massa invariante Jet-Jet: e + e - W + W - qqqq e + e - W + W - qql n l Per eventi qqln, il n non è rivelato, ma calcolato dal resto dell evento Per eventi qqqq, si assegnano jet a ciascuna W (in eventi puramente adronici 3 possibili combinazioni, di cui una sola è giusta) Per migliorare la qualità della ricostruzione e ridurre il combinatorio: Si applica un it cinematico che impone la conservazione dell energia e dell impulso (4 vincoli) Si richiede inoltre che le masse dei bosoni siano uguali m 1 = m 34 (quinto vincolo) 5-C it

33 Misura della massa del W, m W Gli spettri delle masse invarianti sono poi utilizzati per ricostruire la massa del bosone W evento per evento Gli eventi di ondo sono soprattuto presenti nel canale a 4 jet: sono in maggior parte dovuti a un assegnazione incorretta dei jet a ciascun W ( combinatorial background ) Fisica delle Particelle Elementari - Sylvie Braibant - Universita' di Bologna 33

34 Misura di m W, LEP e Tevatron m W = ± GeV (LEP) Incertezza su m W di 33 MeV m W = ± GeV (Tevatron) Incertezza su m W di 31 MeV World average: m W = ± 0.03 GeV Pre-LEP/Tevatron: M W 1 GeV

35 Misura di m W e m top, conronto con previsioni MS m W (da LEP + Tevatron) = GeV m top (da Tevatron) = ± 1.1 GeV Consistenza tra la massa del top e della W predetta dalle correzioni radiative e le misure dirette Preerita una massa leggera per il bosone di Higgs Direct Indirect Considerando tutti gli osservabili elettrodeboli misurati a LEP, i dati del Tevatron e di SLC, si ottenne unaprevisione sulla massa del bosone di Higgs: m H < 155 GeV al 95% C.L. m H = GeV Limite massa Higgs da LEP 4 Luglio 01: Annunciata la scoperta di un nuovo stato compatibile con il bosone di Higgs a LHC, M15 GeV.

36 Backup slides 36

37 Massa, larghezza e sezioni d urto al picco della Z 0 (e + e - /Z 0 ) = risonanza + EM + intererenza Alla risonanza contributo < 1% Line shape della Z 0 tot = 1 M Z. ee Z. s Z (s-m Z ) + s Z /M Z 0 =. s Z (s-m Z ) + s Z /M Z scan attorno alla massa della Z 0 Posizione del picco: M Z Larghezza della curva: Z Sezione d urto al picco: o