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Ricerca dei bosoni Z’ a CMS

Estensioni del modello Standard Limiti attuali sui modelli di Z’ Produzione di Z’ a LHC L1 e HLT a CMS Trigger al MTCC Il canale Z’ → m + m - a CMS Effetti disallineamento Z’ → m + m - Effetti scalibrazione Z’ → m + m - Distinzione tra diversi modelli: A FB

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Ricerca dei bosoni Z’ a CMS

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Presentation Transcript

  1. Estensioni del modello Standard Limiti attuali sui modelli di Z’ Produzione di Z’ a LHC L1 e HLT a CMS Trigger al MTCC Il canale Z’→ m+ m- a CMS Effetti disallineamento Z’→ m+m- Effetti scalibrazione Z’→ m+m- Distinzione tra diversi modelli: AFB Distinzione tra diversi spin: cos q* Il canale Z’→ e+e- a CMS Il canale Z’→ t+t- a CMS Z0 H S- e e p- Z’ p m W- K + ne K0 Ricerca dei bosoni Z’ a CMS Ezio Torassa – INFN Padova

  2. Estensioni del modello Standard • Le simmetrie fondamentali: Ci sono simmetrie piu’ generali di SU(3)C SU(2)L U(1)Y? Perchè porsi il problema vista la precisione dei Modello Standard ? Ovviamente saremmo felici di poter includere anche la forza gravitazionale nella nuova teoria • Problemi del Modello Standard L’ampiezza di onda s dello scattering WLWL risulta essere nel limite di alte enrgie: si ha violazione di unitarieta’ senza la condizione MH < ~ 1 TeV - Higgs NO  nuove interazioni (estensione del modello) ; - Higgs SIproblema gerarchico: la massa dell’higgs diverge a causa dei loop fermionici, occorre inserire un cut-off superiore per i momenti. Pf <L Scelta naturale se si considera MS come una teoria effettiva inserita in una teoria a scala L Ezio Torassa – INFN Padova

  3. Estensioni del modello Standard • Origine dello Z’ Z’ è il nome generico di un nuovo bosone di gauge neutrale, puo’ derivare da diversi modelli Sequential Standard Model:Z’SSM Grand Unified Theories (GUT):Z’y ,Z’c ,Z’h ,Z’I • Left-Right symmetric models:Z’LRM , Z’ALRM • I modelli prevedono gli accoppiamenti, non la massa dello Z’ • GUT Il Gruppo E6 puo’ originare il gruppo GMS attraverso i seguenti passi di rottura di simmetria: un bosone Z’ puo’ essere una combinazione dei campi Z’y e Z’c E6 → SO(10)  U(1)y → SU(5)  U(1)c U(1)y → GMS U(1)c U(1)y Ezio Torassa – INFN Padova

  4. Indirect limit (GeV/c2)| 1500 | 680 | 350 | 619 | Limiti attuali sui modelli Z’ • Ricerca diretta al Tevatron Dati CDF II utilizzando ∫ L = 819 pb-1 CDF Note 8421 – July 25 2006 Dati CDF II utilizzando ∫ L = 448 pb-1 hep-ex 0602045 – Feb 24 2006 AFB (Mee > 200 GeV) 95% C.L. • Limiti indiretti dai dati di LEP • I limiti indiretti dai dati di LEP sono ricavati dai fit elettrodeboli di GZ e AFB • Si ricavano limiti indiretti dello stesso ordine di quelli diretti 95% C.L. Ezio Torassa – INFN Padova

  5. Produzione di Z’ a LHC L = 2 1033 cm -2 sec -1 = 2 nb -1 sec -1 L = 1032 cm -2 sec -1 = 0.1 nb -1 sec -1 Events / s 1 TeV 3 TeV 5 TeV ZSSM0.032 0.013 10-2 0.023 10-4 Zy0.006 0.002 10-2 0.004 10-4 Zh0.009 0.003 10-2 0.006 10-4 Zc0.010 0.003 10-2 0.005 10-4 ZLRM 0.027 0.010 10-2 0.017 10-4 ZALRM 0.013 0.006 10-2 0.011 10-4 Events / year 1 TeV 3 TeV 5 TeV ZSSM50 103 20 101 36 10-1 Zy9.5 103 3 101 6 10-1 Zh14 103 5 101 9 10-1 Zc16 103 5 101 8 10-1 ZLRM 42 103 16 101 27 10-1 ZALRM 20 103 9 101 17 10-1 Va poi considerato il BR che nel caso di Z’ → m+ m-varia dal 3% al 9% Ezio Torassa – INFN Padova

  6. L1 e HLT a CMS Daq CMS Bunch crossing 40 MHz 80% bunches filled Rate = 32 MHz 1 evento 108 canali 1 MB RAW data Limite acquisizione ~ 100 Hz L1 trigger HLT (L2+L3 trigger) 32 M Hz ~30 kHz ~ 100 Hz Esempio: Online reconstr. (Trigger) Offline recontruct. Segmento in una camera L1 RecHIT Traccia con DT+CSC+RPC L2 StandAloneMuon Traccia con tracker L3 GlobalMuonReco L1 up to 100 kHz L1 up to 50 kHz (2008) Alta luminosità L = 1034 cm -2 sec -1 Bassa luminosità L = 2 x 1033 cm -2 sec -1 Luminosità iniziale: L = 1032 cm -2 sec -1 Ezio Torassa – INFN Padova

  7. L1 e HLT a CMS Muoni: Soglie con Pt stimato con i singoli rivelatori a muoni con criteri di qualita’ (DT: HH+HL) Elettroni: Soglie con Et in una torre di trigger (matrice 5 x 5 cristalli) Trigger L1 - Bassa luminosità ( L = 2 x 1033 cm -2 sec -1) Trigger L1 - Luminosità iniziale ( L = 1032 cm -2 sec -1) Tabella di trigger in preparazione Ezio Torassa – INFN Padova

  8. L1 e HLT a CMS Trigger HLT - Bassa luminosità ( L = 2 x 1033 cm -2 sec -1) Il trigger inclusive electron e di-electron occupa 1/3 del rate totale Il trigger inclusive muon e di-muon occupa 1/3 del rate totale Ezio Torassa – INFN Padova

  9. Trigger al MTCC DT e RPC trigger Run 4181, B=3.8 T W+1 W+2 DT Triggers (MB2*MB3, masked MB1 all wheels/sectors) RPC Triggers (4 out of 5) Ezio Torassa – INFN Padova

  10. Trigger al MTCC Ricostruzione nel Barrel Run 4181, B=3.8 T S10 S10 32,000 RPC triggers S11 S11 S10 x Il 93 % degli eventi con trigger RPC hanno delle tracce DT-MB1 utilizzabili per la ricostruzione globale Entries in MB1 Ezio Torassa – INFN Padova

  11. Z’→ m+m- a CMS • Il segnale • Il canale Z’→mm è stato considerato come riferimento per uno studio dettagliato • nel Physics TDR di CMS. • Sono stati considerati sei possibili bosoni Z’: • La generazione di PYTHIA include le possibili interferenze g* / Z0 / Z’ • Sono state studiate tre diverse masse invarianti: 1 TeV , 3 TeV , 5 TeV • Le sezioni d’urto in tabella sono mostrate all’ordine LO. Sono state moltiplicate • per un fattore k=1.35 per considerare le correzioni QCD all’ordine NNLO Z’SSMZ’y Z’c Z’h Z’LRM Z’ALRM Ezio Torassa – INFN Padova

  12. Z’→ m+m- a CMS • Il fondo • Il fondo dominante (ed irriducibile) e’ il Drell-Yan Z/g*→ m+m-. • E’ stato considerato all’ordine NNLO come il segnale • Ulteriori contributi (ZZ , ZW , WW , tt) sono risultati essere trascurabili • avendo sezioni di produzione molto piu’ basse ed essendo riducibili • con selezioni specifiche. DY → m m tt → m m + X ZZ,ZW,WW → m m + X Ezio Torassa – INFN Padova

  13. Z’→ m+m- a CMS • La selezione • L1 single muon OR L1 di-muon • HLT single muon OR HLT di-muon • Efficienza Z’ con trigger L1/HLT (Z’ con un m con |h|<2.1 ed entrambi con |h|<2.4 ): • MZ’ = 1TeV 98% MZ’ = 5TeV 95%L = 2 x 1033 cm -2 sec -1 • MZ’ = 1TeV 95% MZ’ = 5TeV 93% L = 1034 cm -2 sec -1 • non si prevedono rilevanti incrementi nel caso di L = 1032 cm -2 sec -1 • da confrontore con Eff ~99% per muoni singoli • con 10 GeV < Pt < 100 GeV • da combinare con l’accettanza: entrambi i muoni • entro l’accettanza del rivelatore (|h|<2.4 ) • MZ’ = 1TeV 80% MZ’ = 5TeV 95% Ezio Torassa – INFN Padova

  14. Z’→ m+m- a CMS • Ricostruzione offline di 2 m di carica opposta con specifiche correzioni • Efficienza Z’ ricostruzione nella regione |h|<2.1 • MZ’ = 1TeV 97% M Z’ = 5TeV 95% 2006 L = 2 x 1033 cm -2 sec -1 • MZ’ = 1TeV 90% M Z’ = 5TeV 75% 2004 • Efficienza Z’ complessiva (accettanza + trigger&ricostruzione) • MZ’ = 1TeV 77% M Z’ = 5TeV 85%L = 2 x 1033 cm -2 sec -1 • Lo spettro di massa ZhM = 1TeV Allineamento ideale L = 0.1 fb -1 12 g L = 1032 cm -2 sec -1 Ezio Torassa – INFN Padova

  15. Z’→ m+m- a CMS Correzione per effetti di Bremsstrahlung Candidati fotoni vengono ricercati in un cono con DR < 0.1 intorno alla traiettoria del m Il quadri-impulso del fotone con minore DR viene aggiunto a quello del m Gli hit delle camere a m (escluso quella piu’ interna) vengono rimossi dal fit della traccia se vi e’ evidenza di uno sciame elettromagnetico Ezio Torassa – INFN Padova

  16. Effetti disallineamento Z’→ m+m- • Gli scenari di disallineameneto • - “Survey” • 0 → 0.1 fb -1 • disallineamento tra i supporti: 2.5 mm 0.25 mrad • disallineamento tra camere a muoni e supporti: 1.0 mm 0.50 mrad • “First data scenario” (allineamento con laser e tracce) • 0.1 →1 fb-1 • disallineamentro tracker-muon det.: 1 mm 0.20 mrad • disallineamento muon det.: 1 mm 0.25 mrad • disallineamento tracker ~ 10 mm pixel ~100 mm silicon • “Long term scenario” • oltre 1 fb-1 • disallineamentro tracker-muon det.: 200 mm 0.05 mrad • disallineamento tracker ~ 10 mm pixel ~10 mm silicon Ezio Torassa – INFN Padova

  17. Effetti disallineamento Z’→ m+m- Esempio di spettro Zh con MZ’ = 1 TeV con luminosita’ integrata di 0.1 fb-1 PTDR V2 - CMS NOTE 2006/062 Allineamento ideale First data scenario Risoluzione massa: ~10% MZ’ = 1 TeV “first data” 4% MZ’ = 3 TeV “long term” Ezio Torassa – INFN Padova

  18. Effetti disallineamento Z’→ m+m- Il “long term scenario” rispetto al detector perfettamente allineato ha una risoluzione peggiore di circa il 25% Il “first data scenario” rispetto al detector perfettamente allineato ha una risoluzione peggiore di circa il 300% L’efficienza non presenta significative differenze 30% 10% 4% 1% First data → Long term → Allineam. perfetto → Ezio Torassa – INFN Padova

  19. Effetti disallineamento Z’→ m+m- • significativita’ Significatività 5 s First data scenario Long term scenario piu’ di 100 fb-1 1 -10 fb-1 meno di 0.1 fb-1 Ezio Torassa – INFN Padova

  20. Effetti scalibrazione Z’→ m+m- • Limiti superiori di scalibrazione delle camere Muon Barrel Drift Tubes: • t0= 2 nsec → effetti trascurabili per entrambi gli scenari di allineamento • Vdrift = ± 3% → “first data scenario” • effetti trascurabili per efficienza e risoluzione; • “long term scenario” • effetti trascurabili per l’efficienza; • incremento del 5-10% per la risoluzione di MZ’ . • Effetti trascurabili sulla significatività ottenibile Ezio Torassa – INFN Padova

  21. _ m- q q  m+ Backward Forward Distinzione tra diversi modelli: AFB • Asimmetria forward backward • Nelle interazione p-p vi sono elementi di incertezza: • 1) da quale protone e’ derivato il quark e da quale l’antiquark ? • 2) nel riferimento della Z’ i due protoni non risultano piu’ collineari, • l’angoloq*non e’ determinabile in modo preciso. • Si assume che: • la direzione sull’asse z della Z’ determini la direzione del quark, • dunque il segno di q*.La frazione dei casi in cui l’ipotesi non è corretta produce una diluizione dell’asimmetria • 2) l’angolo sia in approssimazione quello tra i leptoni ed il piano dei protoni nel • riferimento della Z’ (Collin-Soper frame). q*angolo tra m-e quark incidente nel riferimento della coppia di m Ezio Torassa – INFN Padova

  22. Distinzione tra diversi modelli: AFB • Parametri di generazione dello Z’ in PYTHIA PARU(121)-PARU(128) accoppiamenti 1a gen. di quark e leptoni (dV dA uV uA eV eAneVneA) PARJ(180)-PARJ(187) accoppiamenti 2a gen. di quark e leptoni (sV sA cV cAmV mAnmVnmA) PARJ(188)-PARJ(195) accoppiamenti 3a gen. di quark e leptoni (bV bA tV tAtV tAntVntA) PMAS(32) massa Z’ • Sequential Standard Model Gli accoppiamenti sono assunti essere uguali a quelli del bosone Z0 2(I3f – 2Qf sin2qw) Cdv = PARU(121) = Csv = PARJ(180) = Cbv = PARJ(188) = -1 + 4/3 sin2qw CdA = PARU(122) = CsA = PARJ(181) = CbA = PARJ(189) = -1 • GUT Gli accoppiamenti CV e CA sono diversi per Zy Zc Zh ZI Cdv (Zy ) = 0 Cdv (Zc ) = 2/3 √6 sin qw Cdv (Zh ) = sin qw Cdv (ZI ) = 1/3 √15 sin qw Ezio Torassa – INFN Padova

  23. Distinzione tra diversi modelli: AFB CMS NOTE 2005/022 MZ’ = 1 TeV L = 10 fb -1 MZ’ = 3 TeV L = 400 fb -1 Ezio Torassa – INFN Padova

  24. Distinzione tra diversi modelli: AFB Tabelle di significativita’ per confronto tra coppie di Z’ MZ’ = 1 TeV L = 10 fb -1 MZ’ = 3 TeV L = 400 fb -1 Ezio Torassa – INFN Padova

  25. Distinzione tra diversi spin: cos q* Gravitone con S=2 o Z’ con S=1 ? Sezioni di produzione LO in fb di GKK per diverse masse e costanti di accoppiamento (c). Ezio Torassa – INFN Padova

  26. Distinzione tra diversi spin: cos q* GKK Z’ Distribuzioni angolari per GKK e Z’ da 3 TeV In bianco la distribuzione del generatore, in colore la distribuzione dopo la simulazione del rivelatore e ricostruzione delle tracce. Limiti di massa per la distinzione di GKK da Z’ entro 2s CMS NOTE 2006/104 Ezio Torassa – INFN Padova

  27. Z’→ e+e- a CMS • Il segnale • Il canale Z’→ e+e-è stato studiato in modo analogo al canale Z’→ m+m- • con la simulazione del rivelatore per diversi Z’. • (Nota CMS AN2006/096) • Sono state considerate tre diverse masse invarianti: 0.8 TeV , 1.5 TeV , 4 TeV Z’SSMZ’y Z’c Z’h Z’IZ’LRM • Il fondo • Il fondo dominante (ed irriducibile) e’ il Drell-Yan Z/g*→ e+e-. • Ulteriori contributi (ZZ , ZW , WW , tt) sono trascurabili avendo sezioni di produzione molto piu’ basse ed essendo riducibili con selezioni specifiche. Ezio Torassa – INFN Padova

  28. Z’→ e+e- a CMS • La selezione • HLT di-electron • Ricostruzione di 2 cluster (supercluster) in ECAL con specifiche correzioni • Efficienza ricostruzione degli elettroni Efficienza ricostruzione Z’ • provenenti da Z’ nella regione | h|<2.4 nella regione | h|<2.7 • ~ 97 %92-95 % Ricostruzione cluster negli endcap : “Island Algorithm” Ricostruzione cluster nel barrel: “Hybrid Algorithm” Ezio Torassa – INFN Padova

  29. Z’→ e+e- a CMS • Correzione per la Bremsstrahlung non recuperata • Il rapporto Esc/Etrue mostra che è necessaria • una correzione dipendente dal numero di • cristalli per un completo recupero • dell’energia dei fotoni di bremsstrahlung • Correzione di saturazione • Il convertitore ADC del cristallo centrale raggiunge il massimo conteggio a 1.7 TeV nel barrel • e 3 TeV negli endcap. Oltre tali energie e’ necessaria una correzione di saturazione. • Si applica un algoritmo che utilizza la risposta dei cristalli adiacenti a quello centrale. La Correzione dipende da E1e (E9-E4) Ezio Torassa – INFN Padova

  30. Z’→ e+e- a CMS • Errata assegnazione della carica: • MZ’ = 0.8 TeV M Z’ = 1.5 TeV M Z’ = 4TeV • 0.2 % 0.4% 0.6% • Non si richede che la coppia di elettroni abbia carica opposta • Lo spettro di massa ZyM = 1.5 TeV Configurazione nominale (c = 0.5%) L = 1 fb -1 120 g L = 1032 cm -2 sec -1 Ezio Torassa – INFN Padova

  31. Z’→ e+e- a CMS c = 0.5% c = 3% No Forward ECAL c = 3% (“first data”) ~ 2 x L Ezio Torassa – INFN Padova

  32. Z’→ e+e- a CMS 0.8 TeV - 1 TeV “First data scenario” da 1.5 TeV in poi “Long term scenario” CMS Z’→ m+m- significatività 5 s significatività 5 s 1 2 3 4 Ezio Torassa – INFN Padova Z’ mass (TeV)

  33. Z’→ t+t- a CMS • Identificazione t t-jet trigger, sfrutta l’isolamento nel tracker partendo da un seed nei calorimetri • Ricostruzione t-jet • Ricostruzione vertice: L’approssimazione di collinearita’ tra t-jet e neutrino-t, piu’ la misura di Missing ET, permette il calcolo della massa invariante della risonanza Verificato per Higgs in coppie di tau, previsto uno studio per Z’. Ezio Torassa – INFN Padova

  34. AOD AOD RECO T0 T2 U.I. Flusso dati , ricostruzione e analisi sperimentato in CSA06 T1 T2 U.I. Ezio Torassa – INFN Padova

  35. Z’→m+m- La Rete dei Canali di Fisica in CMS Italia Z’→m+m- • W, Z • Top • Higgs • SUSY • Z’, extra-dim, etc. • QCD • B phys, J/ y , Y Z’→e+e- Z’→m+m- Ezio Torassa – INFN Padova

  36. Evento Z’→ m+m- a CMS Evento Z’ di 3 Tev (sono mostrate solo le tracce di m ) Ezio Torassa – INFN Padova

  37. Backup Slides Backup Backup Backup Backup Backup Backup Ezio Torassa – INFN Padova

  38. Estensioni del modello Standard Tabella accoppiamenti CV CA Z’ GUT ( s = sin qW ) • Modelli Left – Right symmetric Da SO(10) si possono ricavare diverse simmetrie: SO(10) → SU(3)c SU(2)L U(1)Y  U(1)c SO(10) → SU(3)c SU(2)L SU(2)R U(1)B-L Ezio Torassa – INFN Padova

  39. L1 e HLT a CMS Efficienza di Trigger (L2) nei diversi rivelatori a muoni Ezio Torassa – INFN Padova

  40. Effetti disallineamento Z’→ m+m- Incertezza teorica sulla stima delle Luminosita’ integrata necessaria per ottenere Una significativita’ di 5 s Ezio Torassa – INFN Padova

  41. Z’→ e+e- a CMS • Correzione di contenimento • La correzione di contenimento varia con la pseudorapidita’, • per elettroni di 500 GeV a eta=0 e’ circa il 3% Correzione di saturazione. La correlazione tra E1e (E9-E4) permette di effettuare la correzione Ezio Torassa – INFN Padova

  42. La Rete dei Physics Objects in CMS Italia • Elettroni • Mu • Tau • Particle Flow (Jet) • B tagging e • Tracciatura Ezio Torassa – INFN Padova

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