CDF Multi-Muon Analysis: dietro le scene

1. Padova CMSPDSW meeting, 10/11/2008 CDF Multi-Muon Analysis:dietro le scene T.Dorigo

2. Due parole sugli antefatti • Gli studi del gruppo di Frascati (Giromini et al.) partono da 12 anni fa nel campione ttbar di CDF (Run I) • Isolato un campione W+jj con un numero anomalo di “superjets” • SecVtX tags con in piu’ un leptone soft • Previsti 4+-1 eventi, osservati 13 • Cinematica incompatibile con SM sources per più di 5-sigma • Analisi controversa, non “a-priori”, sotto review per >2 anni • Nel Run II questo eccesso non è più stato osservato. Però… L’analisi non è ancora del tutto conclusiva.

3. Nel frattempo gli autori cercano conferme al loro tentativo di interpretazione (quark scalare con 100% BR in leptoni) in un campione di leptone inclusivo • Scoprono un eccesso di eventi con due o tre leptoni (e,m) rispetto alle previsioni MC (bbbar, ccbar, fakes) • L’eccesso (di natura sistematica) appare in particolare regione cinematica (bassa massa in variante dei leptoni, piccolo angolo) • Questa analisi genera ulteriore controversia, barrage di CDF, review illimitata • Verrà pubblicata nel 2006 dai soli autori di Frascati • Una terza analisi cerca stati legati di questi quarks scalari in eventi raccolti da un trigger di 2 muoni • Viene osservato un intrigante picchetto a 7.2 GeV nella distribuzione di massa in variante • La significanza statistica è comunque bassa (circa 2 sigma) • Ennesima controversia, si risolverà solo nel Run II (gli stessi autori mettono un limite che esclude l’esistenza di un simile stato legato).

4. Nel Run II… • A parte cercare di portare a pubblicazione “bit by bit” le analisi boicottate da CDF nel Run I, Giromini compie una “camminata nel deserto” • Oltre all’eccesso negli inclusive leptons, ci sono due motivazioni per continuare l’investigazione: • La sezione d’urto bbbar sembra in disaccordo con QCD se si usano dec. semileptonici per misurarla, mentre è in buon accordo se si usano vertici secondari • Il parametro di B mixing integrato Xd è misurato ai colliders adronici maggiore della media mondiale • Giromini si rimisura la sigma(bb) con molta attenzione • Articolo pubblicato di recente da CDF • Precisa misura con i muoni, in accordo con QCD… Ma c’è un trucco! • I muoni sono richiesti possedere un hit nel layer più interno di silici • Rimisura anche il Xd integrato, dimostrandolo in effetti incompatibile con la media mondiale (effetto di circa 2 sigma) • Come detto prima, rifà l’analisi del dimuon bump, mettendo un limite. • E intanto produce un’analisi che tiene segreta a CDF…

5. L’analisi segreta • A gennaio 2008 Giromini chiede a una persona di grande esperienza in CDF, convener del B group, di mettere insieme un gruppo di reviewers che controlli la sua analisi segreta in piena discrezione • A giugno i reviewers dichiarano che non trovano alcun errore, che riproducono tutte le distribuzioni di Giromini, e che per loro l’analisi va pubblicata • Si tratta di uno studio degli eventi raccolti dal trigger di due muoni (CMUP, Pt>3 GeV), che cerca di interpretare delle code anomale nel parametro d’impatto dei muoni una volta tolta la richiesta di avere un hit nel layer più interno del silicio (R=1.5 cm) • L’analisi mostra che le sorgenti SM sono incapaci di spiegare queste code, la loro entità, e la loro shape • Gli eventi nelle code hanno 4 volte più muoni addizionali che gli eventi non nelle code • Nuova fisica ? Non esistono meccanismi noti nelle ipotesi più in voga di BSM per creare piogge di muoni (anche 4 e più per jet) con Lxy di diversi centimetri

6. La review interna • CDF viene a conoscenza dell’analisi a giugno 2008, dopo che viene richiesta una procedura speciale per la pubblicazione • il motivo è che l’analisi è “scoopable” • In più, Giromini ha molti nemici in CDF dal Run I, e sa che ostacolerebbero la sua pubblicazione • A CDF inizia a circolare, in forma protetta, un draft di PRD e uno di PRL • Che gli eventi anomali siano nuova fisica o meno, si forma l’opinione in CDF che essi vadano pubblicati, perché rappresentano un caveat per precedenti misure già pubblicate • Viene formata una nuova review committee, che non cava un ragno dal buco, però butta molto fumo in giro • molti in CDF ne prendono spunto per dire che vanno fatti studi più approfonditi • L’eccesso andrebbe studiato con gli elettroni, ma è un lavoro lungo • Gli spokespersons si rendono conto che Giromini questa volta se ostracizzato pubblica da solo, e che la loro carriera è at stake • Spingono per la pubblicazione, cercando di “purificare” il draft originale di Giromini togliendo una parte interpretativa fenomenologica che appare troppo spregiudicata • La convergenza è lenta, e una minoranza vocale di oppositori di Giromini cercano di bloccare il processo • Gli spokes spingono comunque alla pubblicazione, e l’articolo esce a fine ottobre, con 400 firme • Alcune richieste di togliere la firma arrivano troppo tardi  la nuova versione in arxiv conta 365 firme

7. L’interpretazione di Frascati • Giromini pubblica con i nomi dei soli autori la parte interpretativa del suo lavoro • per cercare di modellare gli eventi, che mostrano muoni compatibili con il decadimento di un oggetto di vita media 20 ps, e parametri d’impatto non correlati, usa un MC di H2h14h28h3 16 t leptons • L’osservazione è che il numero di muoni addizionali negli eventi scala come il B(t  m) moltiplicato per l’efficienza di ID • Ovviamente si tratta di un tentativo alla cieca • L’articolo si trova in http://arxiv.org/abs/0810.5730

8. Un altro sforzo “indipendente” • Tre settimane prima della pubblicazione del preprint di CDF, quattro fisici teorici (fra cui Nima Arkani-Hamed) pubblicano un preprint che parte dall’eccesso di positroni visto recentemente da Pamela, per addentrarsi in speculazioni su teorie supersimmetriche che possono spiegare l’eccesso, e finiscono con discutere una possibile segnatura a LHC di “jets di leptoni”, con vita media molto lunga, e con massa in variante dei leptoni molto bassa • Un’ora dopo la comparsa dell’articolo di CDF in arxiv, uno di questi autori è in grado di dichiarare ufficialmente, in un commento nel post in cui Peter Woit annuncia l’articolo di CDF in tempo reale, che loro “non avevano alcuna conoscenza pregressa del lavoro di CDF”. • Si scopre comunque che il draft di CDF non solo era stato distribuito a destra e a sinistra fin da luglio, ma che esso era disponibile a chiunque volesse cercare “multi muon” o “anomalous muon” in google, nelle pagine personali di diversi membri di CDF! • Ognuno può farsi l’idea che vuole, il preprinti di Arkani-Hamed è in http://arxiv.org/abs/0810.0714

9. L’analisi in 4 slides: 1 – la parte “nota” • Si usano eventi raccolti da un trigger di doppio muone, con soglia Pt>3 GeV • In questo campione, una precedente analisi misura s(bm,bm)=1.55+-0.13 nb, che rispetto a NLO QCD ha R=1.20+-0.21, in accordo con misure che usano vertici secondari ma in disaccordo con misure precedenti che usano muoni • R=3.0+-0.6 (CDF) • R=2.3+-0.7 (D0) • La distribuzione di parametri d’impatto per muoni “entro la beampipe” è in ottimo accordo con la somma del QCD (BB,CC,PP,BP,CP,BC) • Con essa si misura ct=469.7+-1.3 mm in accordo con la mistura di B al Tevatron (ct=470.1+-2.7 mm atteso)

10. 2 – ghost events • Il campione di doppi muoni prima di ogni taglio ammonta a 743,006 eventi • La richiesta “SVX” di hits nei layers interni porta a 143,743 eventi • L’efficienza di questo taglio è troppo bassa: con Y, J/Psi in volo ripesate in Pt e altri mezzi si determina che dovrebbe essere 0.244+-0.002 ma è 0.1930+-0.0004 • C’è quindi nel campione un background consistente che viene soppresso dal taglio “SVX”. Questo non è consistente con l’essere QCD generica (incluso HF). • Si stima che si tratti di 150,000 eventi, confrontabili con i 220,000 bb nel campione totale.

11. Parametri d’impatto • Si osserva che gli eventi in eccesso hanno una coda molto estesa nel parametro d’impatto dei muoni. • Un eccesso di muoni con alto d può essere dovuto a: • veri mu con vero IP • veri mu con falso IP • falsi mu con vero IP • falsi mu con falso IP • Queste classi sono studiate separatamente • Ad esempio, per studiare i veri mu con falso IP,ipotizzando vengano da B e abbiano IP sbagliato per problemi di pattern recognition, si cercano segnali di D°kp vicino ai mu • in eventi con mu SVX c’è un picco di D° nelle combinazioni RS • in eventi “ghost” non c’è nessun D° A sin.: combinazioni leptone-D° di segno giusto (istogramma in nero) e sbagliato (in rosso) nel campione “SVX”; A dx: stesso, per il campione “ghost”.

12. Background da punch-through • I muoni con alto IP potrebbero derivare da V-particle decays. Si studia così: • Si associano ai muoni tracce compatibili con fare un vertice comune, e di segno opposto • si ricostruiscono K°S e L • si trovano 5300 K°S e 700 L • L’efficienza di ricostruire le V è circa il 50% • Questo background spiega 12000 eventi, ovvero circa l’8% dei “ghosts” A sin: segnale di K° ottenuto con falsi muoni e tracce vicine nel campione “ghost” A dx: segnale di L ottenuto con falsi muoni e tracce vicine nel campione “ghost”

13. La seconda anomalia • Intorno ai muoni in eventi “ghost” si trovano due volte più tracce che in eventi “SVX”, e 4 volte più muoni addizionali • i muoni addizionali sono scelti con tagli laschi, ma l’eccesso permane se si richiedono CMUP • siccome il campione “ghost” è stimato contenere circa il 50% di background QCD, questi eventi hanno un numero sorprendente di muoni addizionali • anche i mu addizionali hanno parametri d’impatto molto maggiori degli eventi “SVX”, compatibili anch’essi con vite medie di circa 20 ps In alto: molteplicità di muoni in eventi “ghost” background-subtracted, number-coded a seconda della carica e dell’appartenenza al cono di uno o l’altro dei muoni principali In basso: in eventi “ghost” con più di un muone il parametro d’impatto è simile in mu primari e secondari

14. Bassa massa invariante • I muoni addizionali fanno coppie con bassa massa in variante, non spiegabile con le shapes di coppie di leptoni da QCD sources In alto: SVX muons, dati e simulazione a confronto; in basso: ghost muons e background (a), eccesso (b)

15. Conclusioni • Il background identificato nell’analisi di CDF è difficile da riconciliare con sorgenti note • L’eccesso ha la stessa shape in massa in variante evidenziata in coppie em nel Run I • Rimane possibile un detector effect non ancora capito, ma il segnale è certamente di grande interesse • D0 può probabilmente confermarlo o smentirlo, ma non in tempi brevissimi; uno studio di elettroni nel campione di dimuoni può anch’esso confermare il segnale, ma è difficile