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GR I LNF – 28/11/2006 Ezio Torassa – INFN Padova 1
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’ → +a CMS• Effetti disallineamento Z’→ +- • Effetti scalibrazione Z’→ +- • Distinzione tra diversi modelli:
AFB
• Distinzione tra diversi spin: cos
• Il canale Z’ → e+e a CMS• Il canale Z’→ +- a CMS
K0
e
p
Z0
Z’
K +
eH
W-
-e
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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.
24)(
2
0HF
LLLL
MGWWWWf
Pf < Scelta naturale se si considera MS come una teoria effettiva inserita in una teoria a scala
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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’,Z’,Z’,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’e Z’
E6 → SO(10) U(1) → SU(5) U(1) U(1) → GMS U(1) U(1)
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Limiti attuali sui modelli Z’• Ricerca diretta al Tevatron
AFB (Mee > 200 GeV)
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
95% C.L.• Limiti indiretti dai dati di LEP
I limiti indiretti dai dati di LEP sono ricavati dai fit elettrodeboli di Z e AFB
Si ricavano limiti indiretti dello stesso ordine di quelli diretti
Indirect limit (GeV/c2) | 1500 | 680 | 350 | 619 |
95% C.L.
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L = 2 1033 cm -2 sec -1 = 2 nb -1 sec -1
Events / s
1 TeV 3 TeV 5 TeV
ZSSM 0.032 0.013 10-2 0.023 10-4
Z 0.006 0.002 10-2 0.004 10-4
Z 0.009 0.003 10-2 0.006 10-4
Z 0.010 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
Produzione di Z’ a LHC
L = 1032 cm -2 sec -1 = 0.1 nb -1 sec -1
Events / year
1 TeV 3 TeV 5 TeV
ZSSM 50 103 20 101 36 10-1
Z 9.5 103 3 101 6 10-1
Z 14 103 5 101 9 10-1
Z 16 103 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’ → +varia dal 3% al 9%
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L1 e HLT a CMSDaq 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
Luminosità iniziale: L = 1032 cm -2 sec -1
L1 up to 100 kHz
L1 up to 50 kHz
(2008)
Bassa luminosità L = 2 x 1033 cm -2 sec -1
Alta luminosità L = 1034 cm -2 sec -1
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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
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L1 e HLT a CMS
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
Trigger HLT - Bassa luminosità ( L = 2 x 1033 cm -2 sec -1 )
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DT Triggers(MB2*MB3, masked MB1all wheels/sectors)
RPCTriggers (4 out of 5)
W+1 W+2
DT e RPC trigger
Run 4181, B=3.8 T
Trigger al MTCC
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x
32,000RPC triggers
Entries in MB1
Il 93 % degli eventi con trigger RPC hanno delle tracce DT-MB1 utilizzabili per la ricostruzione globale
Ricostruzione nel Barrel
Trigger al MTCCRun 4181, B=3.8 T
S10 S11
S10S10S10S10
S11S11
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Z’→ +- a CMS
• Il segnale
Il canale Z’→è stato considerato come riferimento per uno studio dettagliatonel Physics TDR di CMS.Sono stati considerati sei possibili bosoni Z’:
La generazione di PYTHIA include le possibili interferenze / 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 moltiplicateper un fattore k=1.35 per considerare le correzioni QCD all’ordine NNLO
Z’SSM Z’ Z’Z’ Z’LRM
Z’ALRM
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Z’→ +- a CMS
·BR fb 0.3 · BR fb 0.3
• Il fondo
Il fondo dominante (ed irriducibile) e’ il Drell-Yan Z*→ +-.E’ stato considerato all’ordine NNLO come il segnaleUlteriori contributi (ZZ , ZW , WW , tt) sono risultati essere trascurabili avendo sezioni di produzione molto piu’ basse ed essendo riducibilicon selezioni specifiche.
DY →
ZZ,ZW,WW → Xtt → X Mass interval > 1 TeV Mass interval > 1 TeV
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Z’→ +- 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 con ||<2.1 ed entrambi con ||<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 (|| ) MZ’ = 1TeV 80% MZ’ = 5TeV 95%
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Z’→ +- a CMS
• Ricostruzione offline di 2 di carica opposta con specifiche correzioni Efficienza Z’ ricostruzione nella regione ||<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 massaZM = 1TeV
Allineamento ideale
L = 0.1 fb -1
12 g L = 1032 cm -2 sec -1
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Correzione per effetti di Bremsstrahlung
Candidati fotoni vengono ricercati in un cono con R < 0.1 intorno alla traiettoria del
Il quadri-impulso del fotone con minore R viene aggiunto a quello del
Gli hit delle camere a (escluso quella piu’ interna) vengono rimossi dal fit della
traccia se vi e’ evidenza di uno sciame elettromagnetico
Z’→ +- a CMS
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Effetti disallineamento Z’→ +- • 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 m pixel ~100 m silicon
- “Long term scenario” oltre 1 fb-1 disallineamentro tracker-muon det.: 200 m 0.05 mrad disallineamento tracker ~ 10 m pixel ~10 m silicon
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Effetti disallineamento Z’→ +-
Esempio di spettro Zcon 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”
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Effetti disallineamento Z’→ +-
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%
Allineam. perfetto →
Long term
→
First data
→
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Effetti disallineamento Z’→ +-
• significativita’
First data scenario
Long term scenario
)/ln(2 bbsL LL SSignificatività 5
meno di 0.1 fb-1
1 -10 fb-1
piu’ di 100 fb-1
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Effetti scalibrazione Z’→ +-
Limiti superiori di scalibrazione delle camere Muon Barrel Drift Tubes:
1) t0= 2 nsec → effetti trascurabili per entrambi gli scenari di allineamento
2) 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
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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’angolo non e’ determinabile in modo preciso.
Si assume che:1) la direzione sull’asse z della Z’ determini la direzione del quark, dunque il segno di La frazione dei casi in cui l’ipotesi non è corretta produce una
diluizione dell’asimmetria2) l’angolo sia in approssimazione quello tra i leptoni ed il piano dei protoni nel riferimento della Z’ (Collin-Soper frame).
ForwardBackward
_ **2 cos)cos1(2
1
FBff A
d
d
angolo tra e quark incidente nel riferimento della coppia di
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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 eA eV eA)
PARJ(180)-PARJ(187) accoppiamenti 2a gen. di quark e leptoni (sV sA cV cA V A V A)
PARJ(188)-PARJ(195) accoppiamenti 3a gen. di quark e leptoni (bV bA tV tA V A V A)
PMAS(32) massa Z’
• Sequential Standard Model
Gli accoppiamenti sono assunti essere uguali a quelli del bosone Z0
2(I3f – 2Qf sin2 w)
Cdv = PARU(121) = Csv = PARJ(180) = Cbv = PARJ(188) = -1 + 4/3 sin2 w
CdA = PARU(122) = CsA = PARJ(181) = CbA = PARJ(189) = -1
• GUT
Gli accoppiamenti CV e CA sono diversi per ZZZZI
Cdv (Z ) = 0
Cdv (Z ) = 2/3 √6 sin w
Cdv (Z ) = sin w
Cdv (ZI ) = 1/3 √15 sin w
WWZ
eggg
cos3
5sin
3
50
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Distinzione tra diversi modelli: AFB
CMS NOTE 2005/022
MZ’ = 1 TeV L = 10 fb -1
MZ’ = 3 TeV L = 400 fb -1
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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
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Distinzione tra diversi spin: cos
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).
*cosFBA
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Distinzione tra diversi spin: cos
CMS NOTE 2006/104
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 2
Z’GKK
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• Il segnale
Il canale Z’→ e+e-è stato studiato in modo analogo al canale Z’→ +-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’SSM Z’
Z’Z’Z’IZ’LRM
Z’→ e+e- a CMS
• Il fondo
Il fondo dominante (ed irriducibile) e’ il Drell-Yan Z*→ e+e.Ulteriori contributi (ZZ , ZW , WW , tt) sono trascurabili avendo sezioni di produzione molto piu’ basse ed essendo riducibili con selezioni specifiche.
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• 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 | |<2.4 nella regione | |<2.7
~ 97 % 92-95 %
Z’→ e+e- a CMS
Ricostruzione cluster nel barrel: “Hybrid Algorithm” Ricostruzione cluster negli endcap : “Island
Algorithm”
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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.
Z’→ e+e- a CMS
La Correzione dipende da E1 e (E9-E4)
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• 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
ZM = 1.5 TeV
Configurazione nominale (c = 0.5%)
L = 1 fb -1
120 g L = 1032 cm -2 sec -1
Z’→ e+e- a CMS
%5.0155%7.2
E
MeV
EEE
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Z’→ e+e- a CMSc = 0.5% c = 3% (“first data”) c = 3% No Forward ECAL
~ 2 x L
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significatività 5
CMS
Z’→ +-
Z’→ e+e- a CMS 0.8 TeV - 1 TeV “First data scenario”
da 1.5 TeV in poi “Long term scenario”
significatività 5
1 2 3 4
Z’ mass (TeV)
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• Identificazione -jet trigger, sfrutta l’isolamento
nel tracker partendo da un seed nei calorimetri
• Ricostruzione -jet
• Ricostruzione vertice L’approssimazione di collinearita’
tra -jet e neutrino-, 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’.
Z’→ +- a CMS
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T0
T1
T2
T2
AO
D
AO
D
RECO
Flusso dati , ricostruzionee analisi sperimentato in
CSA06
U.I.
U.I.
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• W, Z• Top• Higgs • SUSY• Z’, extra-dim, etc.• QCD• B phys, J/ , Y
La Rete dei Canali di Fisica
in CMS Italia
Z’→+-Z’→e+e-
Z’→+-
Z’→+-
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Evento Z’→ +- a CMS
Evento Z’ di 3 Tev (sono mostrate solo le tracce di
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Backup Slides
Backup
Backup
Backup
Backup
Backup
Backup
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Estensioni del modello StandardTabella accoppiamenti CV CA Z’ GUT
• 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)
SO(10) → SU(3)c SU(2)L SU(2)R U(1)B-L
( s = sin W )
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L1 e HLT a CMS
Efficienza di Trigger (L2) nei diversi rivelatori a muoni
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Effetti disallineamento Z’→ +-
Incertezza teorica sulla stima delle Luminosita’ integrata necessaria per ottenere
Una significativita’ di 5
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Correzione di saturazione.
La correlazione tra E1 e (E9-E4)
permette di effettuare la correzione
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%
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• Elettroni• Mu• Tau• Particle Flow (Jet)• B tagging e Tracciatura
La Rete dei Physics Objects
in CMS Italia