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LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B

LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B. Riccardo Ranieri INFN e Università di Firenze Commissione Scientifica Nazionale 1 Laboratori Nazionali di Frascati 11-12 Novembre 2003. ATLAS & CMS btW. Gli argomenti che tratterò: t σ tt , top singolo, m t W m W e fit elettrodebole b

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  1. LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B Riccardo Ranieri INFN e Università di Firenze Commissione Scientifica Nazionale 1 Laboratori Nazionali di Frascati 11-12 Novembre 2003

  2. ATLAS & CMS btW Gli argomenti che tratterò: • t • σtt, top singolo, mt • W • mW e fit elettrodebole • b • trigger e canali di benchmark LHC: Fisica EW e Fisica del B

  3. Previsioni √s [TeV] Luminosità [cm-2s-1] ∫L [fb-1/y] TeVatron 2 <1032 0.3 LHC (bassa luminosità) 14 2x1033 20 LHC LHC (alta luminosità) 14 1034 100 TeVatron - - LHC: Fisica EW e Fisica del B

  4. Misura accurata di mt Produzione e decadimenti Vincoli su mH Eventi di top fondo dominante per ricerche di nuova fisica alla scala del TeV Perché studiare il quark top? DØ mt=174.3±3.2±4.0 GeV/c2 (CDF+DØ) • uno dei parametri fondamentali del Modello Standard LHC: Fisica EW e Fisica del B

  5. Produzione di coppie tt - - • LHC sarà una “top factory” • σ(pp→tt)NLO+∑NLL=833 pb per √s=14 TeV (100xTeVatron) • Bassa luminosità: 16M tt per anno • 10% qq’ / 90% gg • Misura di σtt e nuova fisica: • risonanze pesanti>>> picco nello spettro tt • t→H+b >>> deficit apparente in σtt [SM: Br(t→W+b)≈1] - R.Bonciani, S.Catani, M.L.Mangano, P.Nason, Nucl.Phys B529(1998) 424 - - LHC: Fisica EW e Fisica del B

  6. Dileptoni BR≈5%  0.8x106 ev/y nessun top ricostruito leptoni isolati di alto pT Leptone singolo BR≈30%  5x106 ev/y un top ricostruito b-tag fondamentale Completamente adronico BR≈45%  7x106 ev/y entrambi i top ricostruiti fondo: multi-jet QCD Modello Standard: BR(t→W+b)≈99.9% stato finale dipendente dai decadimenti del W Decadimenti W Decay Mode ln ln W- jj jj g,q b b b b b t W+ ln ln jj jj g g,q t b b b b b (2) (3) (1) LHC: Fisica EW e Fisica del B

  7. Ricerca di risonanze 830 fb sxBR richiesto per la scoperta σxBR [fb] 30 fb-1 300 fb-1 1 TeV/c2 mtt [GeV/c2] - • Molti modelli teorici prevedono l’esistenza di risonanze che decadono tt • SM Higgs (ma BR sfavorevole rispetto a decadimaneti WW e ZZ) • MSSM Higgs (H/A, se mH,mA>2mt, BR(H/A→tt)≈1 per tanβ≈1) • modelli Technicolor, strong ElectroWeak Symmetry Breaking, Topcolor, produzione di “coloroni”, […] • Studio di risonanza Χ noti σΧ, ΓΧ e BR(Χ→tt) • canale semileptonico • neutrino da Etmiss • ETmiss=Etn;mℓn=mW|pzn| • molti jet (tra 4 e 10) • Efficienza di ricostruzione • 20% mtt=400 GeV/c2 • 15% mtt=2 TeV/c2 - - LHC: Fisica EW e Fisica del B

  8. Produzione di top singolo Wt 62.2 pb A.Belyaev, E.Boos, Phys.Rev.D63, 034012 +16.6 -3. 7 • Determinazione diretta del vertice tWb(=Vtb) • σ predetta dal Modello Standard (tranne l’accoppiamento) • Discriminanti per la misura della σ dei 3 segnali: • molteplicità dei jet (più elevata per Wt) • più di un b-jet (aumenta segnale W* rispetto a Wg) • distribuzione della massa invariante jet-jet (mjj≈mW per Wt e non per gli altri) 2-2 2-3 Wg Fusion 245±27 pb S.Willenbrock et al., Phys.Rev.D56, 5919 W* 10.2±0.7 pb M.Smith et al., Phys.Rev.D54, 6696 LHC: Fisica EW e Fisica del B

  9. Analisi top singolo - - Wg(2-2 + 2-3) [54.2 pb] Wt [17.8 pb] W* [2.2 pb] • Fondi principali [σxBR(W→ℓn), ℓ=e,μ]: • ttσ=833 pb [246 pb] • Wbbσ=300 pb [66.7 pb] • Wjjσ=18x103 pb [4x103 pb] • Trigger di L1: leptone singolo pT>20 GeV/c • Capacità di estrarre il segnale dal fondo dipende da: • rate di leptoni “fake” (utilizzo dei sistemi di tracciatura) • b-tag (εb=60%, εc=10%, εuds=1% a bassa luminosità) • ricostruzione e veto di jet di bassa energia (2,3 jet ET>30 GeV) • identificazione jet in avanti (quark “spettatore” q’ in Wg) • Studio dei 3 processi separatamente • W’ pesante  aumento in canale-s di W*: σ(W*) σ(W*)/σ(Wg) • FCNC gu→t  diversa distribuzione angolare: σ(W*)/σ(Wg) LHC: Fisica EW e Fisica del B

  10. Risultati top singolo • Risultati per ∫L=30 fb-1 - - ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999) • CDF: 14 pb (18 pb canale-s 13 pb canale-t) • D0: 17 pb canale-s e 22 pb canale-t SM: σSM=2.43±0.32 pb * PDF+μ(scale)+δmt LHC: Fisica EW e Fisica del B

  11. Massa del quark top • La ricostruzione inizia con mW • “ricostruzione” neutrino • ETn=ETmiss • mℓn=mW • combinatorio con coppie di jet • mjj=mW • Metodi statistici per determinare mt • mjjb= mℓnb=mt BR≈30% ricostruzione trigger Efficienza di selezione: ~5-10%: • leptone isolato pT>20 GeV/c • ETmiss>20 GeV • 4 jet con ET>40 GeV • >1 b-jet (b40%, uds10-3, c10-2) Fondo: <2% W/Z+jet, WW/ZZ/WZ ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999) LHC: Fisica EW e Fisica del B

  12. Ricostruzione di mt mW • Simulazione veloce e completa sono in accordo • controllo su 60000 eventi • σ(mt)full=13.4 GeV/c2 • σ(mt)fast=11.9 GeV/c2 • lineare in mt • indipendente da top pT mt (fast sim) da evitare… j2 j1 b-jet δmtstat=0.10 GeV/c2 ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999) LHC: Fisica EW e Fisica del B

  13. Errori su mt Errori per esperimento • calibrazione in energia dei jet • obiettivo: 1% per jet leggeri e 5% per b-jet (da W→jj dell’evento e Z(→μμ)+j: difficile da raggiungere…) • funzione di frammentazione del quark b • variazione del parametro di Peterson εb=-0.0060(+0.0025) • radiazione di stato iniziale e finale (ISR e FSR) • incertezza del 10% (da as) • conoscenza del fondo • a LHC la statistica non mancherà… LHC: Fisica EW e Fisica del B

  14. Metodi alternativi - Dalla combinazione si potrà raggiungere δmt=1 GeV/c2 ? • Eventi tt ad alto pT • separazione in due emisferi • maggiore sovrapposizione tra i jet • Canale leptonico [2x(W→ℓn), ℓ=e,μ] • due leptoni carichi (ma anche due neutrini) • molto dipendente dalla descrizione del Monte Carlo • Sezione d’urto σtt • altissima statistica, sistematiche differenti • limitata da incertezza su PDF (10%δmt=4 GeV/c2) • La sfida: decadimenti b esclusivi con prodotti massivi (es.: J/y) • correlazione con mt e poco fondo • BR(tt→qqbℓn+J/y→ℓℓ)=5x10-5: alta luminosità - LHC: Fisica EW e Fisica del B

  15. Il fit elettrodebole da decadimenti n, m decadimenti dei mesoni GF (1) VCKM (4) mfermioni (9) da misure dirette SM (17 parametri) predictions mbosoni (2) (fino a 0.1%) mH [per ora niente] • Misure precise = • test di validità del Modello Standard • informazioni sul parametro mancante mH (correzioni radiative) Esempio: mW=mW(mt2, log(mH)) H  ln(mH/mW) t  mt2 LHC: Fisica EW e Fisica del B

  16. Dove siamo… EXCLUDED direct indirect mH=91 GeV/c2 +58 -37 • Le incertezze su mt e mW dominano il fit elettrodebole • Ogni “osservabile” può essere calcolato in funzione di: Δhad, s(mZ), mZ, mt, mH • Prospettive TeVatron RunII mt2.5 GeV/c2mW25 MeV/c2mH/mH35% (mH/mH  53%) mH<211 GeV/c2 @ 95% CL 35% shift in mH per shift di 5 GeV/c2 (1) in mt! Attuali input: mt=174.3 ±5.1(exp) GeV/c2 mW=80.426 ±0.035(exp) GeV/c2 mZ=91.1875 ±0.0021(exp) GeV/c2 Z=2.4952 ±0.0023(exp) GeV Per avere simile impatto su mH: ΔmW≈0.7x10-2Δmt LHC: Fisica EW e Fisica del B

  17. Massa del W n e W beam line (missing pT) regione di fit • Sezione d’urto WW troppo bassa • W singola: non è possibile determinaredirettamente mW • c’è il neutrino… ma anche molta statistica! • massa trasversa:mTW=[2pTℓ∙pTn∙(1-cosΔφ)]½ Efficienza di selezione: ~20% con • leptone isolato pT>25 GeV/c • ETmiss>25 GeV • No jet con ET>30 GeV • Recoil |u|<20 GeV/c 60 milioni di W/10 fb-1! (50xTeVatron RunII) δmWstat=2 MeV/c2 con 10 fb-1 ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999) LHC: Fisica EW e Fisica del B

  18. Sistematici dovuti alla teoria pTW: 5 MeV/c2 pTZ da Z→ℓℓ e si usa pTW/pTZ per modellare il Monte Carlo (accordo tra pTW e pTZ al 10% per pTW,Z<20 GeV/c) PDF: 10 MeV/c2 vincolate dai dati di W e Z? ΓW: 10 MeV/c2 da R a BR(W→ℓn) [SM, fattore limitante è σW/σZ], per ora ΓW=2.124(41) GeV Decadimenti radiativi: 10 MeV/c2 ma c’è ancora da lavorare (teoria+W→ℓng) Normalizzazione e andamento del fondo: 5 MeV/c2 conoscere il fondo: e al 30%, μ al 7% Sistematici dovuti al rivelatore Scala di E/p del leptone: 15 MeV/c2 mZ da Z→μμ (Z→ee): ma bisogna raggiungere precisione di 0.02% (improbabile perché occorrono: mappa del campo magnetico al 0.1% e material budget del sistema tracciante al 1%) Risoluzione E/p del leptone: 5 MeV/c2 ΓZ + dati dai test beam (ma occorre risoluzione di 1.5% su E e p) Modellizzazione del recoil: 5 MeV/c2 da Z→ℓℓ (scala come 1/√NZ) Errori su mW Totale: 25 MeV/c2/10 fb-1 potrebbe essere raggiunto per esperimento (15 MeV/c2/10 fb-1 dalla combinazione dei risulati di ATLAS e CMS) … sarà davvero così? Modello Standard per determinare W ! da LEP dalla teoria LHC: Fisica EW e Fisica del B

  19. Conseguenze (da δmt e δmW) Grazie a M.Grunewald e Roberto Chierici direct EXCLUDED mH=73 GeV/c2 +20 -16 • Se il fit elettrodebole viene ripetuto cambiando gli errori su mt e mW • mW=15 MeV/c2 • mt=1 GeV/c2 • valori centrali attuali (mH/mH  25%) LHC: Fisica EW e Fisica del B

  20. Fisica del B a LHC W 25 Hz 19 GeV/c b/c • Programma • Decadimenti rari • violazione di CP • mixing B0 • Produzione di b a LHC • luminosità: 2x1033 cm-2s-1 ( 1034 cm-2s-1) • s = 0.5 mb  O(105-106) bb/s • O(100) ev/s su nastro per tutti i canali di fisica interessanti • La strategia di trigger è fondamentale s Trigger muoni: solamente ~5 Hz b/c (1 Hz107 ev/y a bassa luminosità) Non è abbastanza per decadimenti con Br<10-4 e εsel<10% LHC: Fisica EW e Fisica del B

  21. High-Level Trigger • Come si può migliorare il trigger di b? • utilizzo dei sistemi di tracciatura • algoritmi che richiedano solo una frazione di dati • Region of Interest (RoI) • ricostruzione tracce • quasi offline • condizioni di stop • velocità di esecuzione • misure di timing degli algoritmi Gli algoritmi HLT si possono suddividere in 2 categorie: • Ricostruzione e identificazione di oggetti (μ,e,,jet,…) ”Trigger elements” • Validazione di topologie (tagli di fisica sugli oggetti ricostruiti) ”Hypothesis algorithm” LHC: Fisica EW e Fisica del B

  22. ATLAS & CMS startup Camere μ: Trigger L1 limitato a |η|<2.1 (< elettronica) Pixel Vertex detector: 2 layer invece di 3 Riduzione dei trigger processors Pixel Vertex detector: 2+1 layer invece di 3+2 ? TRT (straw tubes): accettanza limitata |η|<2 LHC: Fisica EW e Fisica del B

  23. Fisica del b Canali di benchmark : • Di-muon Trigger L1: • Bs→μμ • Bs→J/(→μμ) (→KK) • Canali adronici (Trigger L1 di singolo muone sul secondo b→μ): • Bs→Ds(→π(→KK))π LHC: Fisica EW e Fisica del B

  24. Decadimenti rari: Bs→μμ • FCNC b→s o b→d a livello di loop nel Modello Standard • BR(Bs→μμ)=(3.5±1.0)x10-9 • correzioni MSSM (alto tanβ)nuova fisica • Br(Bs→μμ)=3x10-6(tanβ/50)6(200 GeV/mA)4 loop Occorre molta statistica: ATLAS e CMS (>luminosità) sono favoriti rispetto a LHCb LHC: Fisica EW e Fisica del B

  25. Analisi Bs→μμ Full Tracker HLT s = 46 MeV/c2 “The Trigger and Data Acquisition project, Volume II Data Acquisition & High-Level Trigger” CMS TDR 6.2 (2002) s = 74 MeV/c2 Analisi offline (SM BR=3.5x10-9) (L1 μ trigger in |h|<2.4 invece di |h|<2.1) 10 fb-1  7 eventi di segnale <1 fondo osservazione a 5σ con 30 fb-1 inoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminosità A.Nikitenko, A.Starodumov, N.Stepanov, hep-ph/9907256 LHC: Fisica EW e Fisica del B

  26. - Oscillazioni Bs/Bs - Bs-Bs mixing: Δms 14.4 ps-1@ 95% CL - B0 e B0 sono gli autostati di flavour sovrapposizione degli autostati di massa BH e BL  Oscillazioni B0B0 con frequenza ΔmsmH-mL Difficoltà all’interno del Modello standard a giustifcare valori di Δms superiori a 25 ps-1nuova fisica s s - s s LHC: Fisica EW e Fisica del B

  27. Bs→Dsπ bb μ 4) Tagli topologici fra Bs e μ 3) Minv tra i Ds ricostruiti e π 2) Minv dei π con i candidati  1) Minv delle coppie di K± 0) Ricostruzione parziale tracce  π- K+ K- BsDs π+ - LHC: Fisica EW e Fisica del B

  28. Bs→Dsπ: misura di Δms  Ds Bs s=5 MeV/c2 s=25 MeV/c2 s=95 MeV/c2 1 anno a bassa luminosità (20 fb-1): L1: 1 kHz HLT: 5 Hz 300-400 eventi di segnale Δms fino a 20 ps-1 1000 eventi necessari per test SM: Δms 26 ps-1 @ 99% CL A.Giassi, F.Palla, A.Starodumov, CMS NOTE 2002/045 LHC: Fisica EW e Fisica del B

  29. Bs→Dsπ – prospettive 80K CDF 70K 60K ATLAS 50K Numero di Eventi per osservazione a 5σ 40K 30K 20K 10K 0 xs=Δms/Γs 2 fb-1 (RunIIa) e 6.5 fb-1 (RunIIb) ~2008 • Risoluzione in tempo proprio: t = 45 fs  t  pT/pT (L00+SVX) Sensibilità fino a xs 6070 Test dello SM (xs~30) con < O(10k) eventi Bassa Luminosità 30 fb-1 ~2008 • Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs Sensibilità fino a Δms<29.5 ps-1(xs<43) LHCb: 1 anno = 2 pb-1 72k B.Epp,V.M.Ghete,A.Nairz, EPJdirect CN3, 1-23 (2002) LHC: Fisica EW e Fisica del B

  30. B Trigger e tabella HLT • La banda di trigger dedicata alla fisica del B allo startup di LHC dipenderà da: • Luminosità • Minore luminosità  maggiore banda B trigger • Rate del fondo • Il “fattore di sicurezza”… • ₤€ r¥$or$€ f¥nanz¥ar¥€ • Per acquistare trigger processors • Inoltre è allo studio la possibilità di abbassare le soglie per il trigger di B quando la luminosità sarà più bassa durante il fill di LHC LHC: Fisica EW e Fisica del B

  31. Conclusioni – Fisica tWb • Le conclusioni (a 4 anni dalla partenza di LHC): • t • calibrazioni (energia jet, leptoni isolati, b-tag) • primi risultati post-calibrazione dalla fisica del top • W • la fisica elettrodebole di precisione potrebbe essere possibile a LHC • prossimo passo: analisi più sofisticate con descrizione più dettagliata dei rivelatori • b • ATLAS e CMS competitivi anche se non progettati per la fisica del B • le condizioni iniziali di LHC saranno fondamentali: minore luminosità  maggiore fisica del B LHC: Fisica EW e Fisica del B

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