vektorboson-streuung im wz endzustand mit dem atlas...
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Vektorboson-Streuung im WZ Endzustand
mit dem ATLAS Detektor am LHC
Philipp Anger [email protected]
TU Dresden, Institut für Kern- und Teilchenphysik
DPG-Frühjahrstagung des Fachverbands Teilchenphysik, Mainz
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz2
ÜbersichtAuch nach der Entdeckung des Higgs Bosons sind nicht alle Prozesse im
Standardmodell experimentell bestätigt…
ein zentrales Physik-Ziel des LHCVektorboson-Streuung (VBS)
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz3
Einleitung
1. Prozess-Definition 2. Validierung von Monte Carlo Generatoren für VBS
3. Inklusive VV Produktion am Beispiel von WZ 4. Messung der Standardmodell VVjj-Prozesse 5. Limits auf Anomale Vierer-Kopplungen
Theorie
Experiment
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* elektroschwache Eichbosonen im s-Kanal nur für W+W-jj und WZjj ** Higgs im s-Kanal nur für W+W-jj and ZZjj
✤ erlaubte Vertices im Standardmodell: • Vier-Boson-Vertex: WWγγ, WWZγ, WWWW, WWZZ • Drei-Boson-Vertex: WWZ, WWγ
✤ neutrale Kopplungen sind verboten im Standardmodell: ✤ ZZZZ, ZZZγ, ZZγγ, Zγγγ, γγγγ, ZZZ, ZZγ, Zγγ, γγγ
✤ anomale Vierer-Kopplungen nur in VBS und VVV Produktion untersuchbar
*
**
1. Prozess-Definition
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
1. Prozess-Definition
VVjj-EWK
VVjj-QCD
5
�LO / ↵6w↵
0s
�LO / ↵4w↵
2s
Aufgrund von Eichinvarianz kann Vektorboson-Streuung nicht separat gemessen werden…
Eine Liste aller VVjj Prozesse auf Tree-Level:
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2. Validierung von Monte Carlo Generatoren für VBS
VBFNLO+VjjVBFNLOSherpaWhizard
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
rapidity difference between leading and subleading jet
dσ/dy
[fb]
0 2 4 6 8 10
-1
0
1
2
3
|∆y(j, j)|
Ratio
VBFNLOSherpaWhizard
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
rapidity difference between leading and subleading jet
dσ/dy
[fb]
0 2 4 6 8 10
-1
0
1
2
3
|∆y(j, j)|
Ratio
W±W±jj� EWK W±Zjj� EWK
Keine generierten Events oder validierten Generatoren für diese Prozesse waren verfügbar in ATLAS…
Details im Anhang dieses Vortrags.
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3. Inklusive VV Produktion am Beispiel von WZ
invariante Masse der dem Z Boson zugeordneten Leptonen transversale Masse des W Kandidaten
• systematische Unsicherheiten (experimentell, Theorie) sind komplett enthalten • Details im Anhang dieses Vortrags
(W) [GeV]TM
0 50 100 150 200 250
Even
ts /
5 G
eV
-110
1
10
210
310WZ-QCDZ+jetsZZγZ
ttVtt
tZjWZjj-EWKSM (stat + syst)Data 2012
ATLAS = 8 TeVs, -1L dt = 20.28 fb∫
work in progress
(W) [GeV]TM0 50 100 150 200 250
Dat
a / M
C
-0.50
0.51
1.52
2.5
) [GeV]Z2,lZ
1M(l
60 80 100 120 140 160 180 200
Even
ts /
2.5
GeV
-210
-110
1
10
210
310 WZ-QCDZ+jetsZZγZ
ttVtt
tZjWZjj-EWKSM (stat + syst)Data 2012
ATLAS = 8 TeVs, -1L dt = 20.28 fb∫
work in progress
) [GeV]Z2,lZ
1M(l
60 80 100 120 140 160 180 200
Dat
a / M
C
-0.50
0.51
1.52
2.5
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n(j)0 1 2 3 4 5 6
Even
ts-110
1
10
210
310
410 WZ-QCD
Fake DD
ZZ
Vtt
tZj
WZjj-EWK
SM (stat + syst)
ATLAS = 8 TeVs, -1L dt = 20.28 fb∫
work in progress
8
3. Inklusive VV Produktion am Beispiel von WZ
invariante Masse des WZ Paares Jet-Multiplizität
• rechts: daten-getriebene Fake-Untergrund-Abschätzung • systematische Unsicherheiten (experimentell, Theorie) sind komplett enthalten • Details im Anhang dieses Vortrags
ATLAS-CONF-2013-021
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[GeV]jjM0 500 1000 1500 2000 2500
Even
ts /
200
GeV
-110
1
10
210
Fake DD
ZZ
Vtt
tZj
WZ-QCD
WZjj-EWK
SM (stat + syst)
ATLAS = 8 TeVs, -1L dt = 20.28 fb∫
work in progress
9
4. Messung der Standardmodell VVjj-Prozesse
WZjj - Messung • bisher nie gemessen • Kontrollregion für WZjj-EWK
WZjj-EWK - Messung • bisher nie gemessen • beinhaltet VBS • Veto auf zentrale Jets (nicht im Plot) • Signal: dominant bei hohen
invarianten Jet-Massen
invariante Masse der beiden härtesten Jets
• daten-getriebene Fake-Untergrund-Abschätzung • systematische Unsicherheiten (experimentell, Theorie) sind komplett enthalten • Details im Anhang dieses Vortrags
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5. Limits auf anomale Vierer-Kopplungen
10
LHC bei 7/8 TeV (mVV ~ 0.5 TeV) nicht in der Region von neuen, schweren Resonanzen
Le↵
= LSM
+X
dimension d
X
i
c(d)i
⇤d�4
i
O(d)i
Studie von Spuren dieser Resonanzen bei niedrigeren Energien via Abweichungen von Standardmodell-Kopplungen, “decoupling”, arXiv: 1307.8170 [hep-ph]
Effektive Niederenergie-Theorie / Effektive Langrangedichten
• d = 8: niedrigste ‘reine’ anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen fS,i, fT,i, fM,i Parameter, siehe Anhang • d = 6: generiert auch Dreier-Eichboson-Kopplungen • d = 4: Higgs-Terme im Standardmodell; α4, α5 beeinflussen nur QGC
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5. Limits auf anomale Vierer-Kopplungen
11
]-4 [TeV4Λ/S,0f-10000 -5000 0 5000 10000
]-4
[TeV
4Λ/
S,1
f
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
[fb]
fiduc
ial
σ
012345678910
Wirkungsquerschnitte mit Form-Faktor-Unitarisierung:
]-4 [TeV4Λ/S,0f-30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000
]-4
[TeV
4Λ/
S,1
f
-20000-15000-10000-5000
05000
100001500020000 [f
b]fid
ucia
lσ
12345678910
ΛFF = 800 GeV nicht alle Punkte unitär
dynamisches* ΛFF Prozess vollständig unitär
[*] http://www.itp.kit.edu/~vbfnloweb/wiki/doku.php?id=download:formfactor
↵ ! ↵(s) =↵
(1 + s/⇤2FF)
4
In dieser Präsentation wird der Fokus auf die dimension-acht Parameter gelegt. fS,0 und fS,1 können in dimension-vier Parameter α4, α5 umgerechnet werden
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5. Limits auf anomale Vierer-Kopplungen
12
]-4 [TeV4Λ/S,0f-20000 -10000 0 10000 20000
]-4
[TeV
4Λ/
S,1
f
-20000
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000expected 95% CLexpected 68% CL
ATLAS work in progress
= 8 TeVs, -1L dt = 20.3 fb∫
form factor unitarized
erwartete Ausschlussgrenzen für dimension-acht Parameter vollständig unitarisiert mit Form-Faktor-Unitarisierung
Details zur Bestimmung der Ausschlussgrenzen im Anhang
Getestete Skala neuer Physik: Λ ~100 GeV.
]-4 [TeV4Λx,if
-60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000
exp = [-52472,36664]T,7fexp = [-29486,20149]T,6fexp = [-11551,11323]T,5fexp = [-1580,1621]T,2fexp = [-895,873]T,1fexp = [-422,438]T,0fexp = [-565,585]M,7fexp = [-558,578]M,6fexp = [-10459,10352]M,5fexp = [-8526,8201]M,4fexp = [-9659,9464]M,3fexp = [-6155,6216]M,2fexp = [-449,426]M,1fexp = [-279,289]M,0f
expected 95% CLATLAS work in progress
= 8 TeVs, -1L dt = 20.3 fb∫
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Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
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Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
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Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
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Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
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Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
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semileptonic final states
WWjj, WZjj →lνjjjjlarger branching ratio, easier mass reconstruction, but
harder to distinguish from hadronic background
WZjj, ZZjj →lljjjj hadronic background, Z-mass window useful
photons in the final state Wɣjj, Zɣjj, ɣɣjj
often not taken into account for VVjj VBS studies, since longitudinal degrees are interesting for VBS
14
xsec [fb] VVjj-EW
xsec [fb] VVjj-QCD
fully leptonic final
states
WW like-sign jj best ratio between VVjj-EW and VVjj-QCD (due to no gluons in the initial state for VVjj-QCD) 20 19
WW opp.-sign jj huge ttbar background 91 3030
WZ clean channel due to three leptons in the final state 30 687
ZZ->llll clean channel due to four leptons in the final state 2 106
ZZ->llnn higher branching ratio but more difficult to measure 3 162
Anhang zu 1.: Mögliche Endzustände
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
Anhang zu 2.: Generator-Einstellungen
15
- Leptonen: pT > 10 GeV
- Jets: pT > 20 GeV, ∆R > 0.4
- WZ-Endzustand: M(l+,l−) > 0.1 GeV
- Gμ scheme
- PDF: CT10
- scales: μf = μr = 2mW (W±W±jj), μf = μr = mW +mZ (W±Z/γ∗jj)
- kein Parton Shower, keine Fragmention, keine Hadronisierung - keine Underlying Event - Leading Order - keine zusätzlichen Jets - alle Verteilungen sind auf den Wirkungsquerschnitt des
jeweiligen Monte Carlo Generators normiert
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Anhang zu 3. und 4.: Objekt- und Event-Rekonstruktion
16
Histogramme auf Folie 7 an dieser Stelle
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]-4 [TeV4Λ/S,0f-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800
]-4
[TeV
4Λ/
S,1
f
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800 [fb]
fiduc
ial
σ
-110
1
10
210
Anhang zu 5.: Un-unitarisierter Wirkungsquerschnitt
17
In dieser Präsentation wird der Fokus auf die dimension-acht Parameter gelegt. fS,0 und fS,1 können in dimension-vier Parameter α4, α5 umgerechnet werden
Wirkungsquerschnitt - keine Unitarisierung
Phasenraum: WZ VBS fiducial Phasenraum. Generator: VBFNLO. Details: siehe Anhang
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Anhang zu 5.: WZ VBS Fiducial Phasespace
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz19
Anhang zu 5.: Confidence Region Extraction
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz20
linear realization of symmetry breaking arXiv:hep-ph/0606118v2, Eboli et. al
✤ three possibilities to get dimension-8 operators lead to 20 different parameters: ✤ operators with just covariant derivative of Higgs doublet: parameter fS,i with i ∈ {0,1} ✤ operators with covariant derivative of Higgs doublet and field strength: fM,j with j ∈ {0,...,7} ✤ operators with just field strength tensor: fT,k with k ∈ {0,...,9}
✤ all of them implemented in VBFNLO arXiv:0811.4559
Anhang zu 5.: Dimension-8 Operatoren
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz21
linear realization of symmetry breaking arXiv:hep-ph/0606118v2, Eboli et. al
Anhang zu 5.: Dimension-8 Operatoren
![Page 26: Vektorboson-Streuung im WZ Endzustand mit dem ATLAS ...iktp.tu-dresden.de/IKTP/pub/14/Anger_DPG2014.pdf · Vektorboson-Streuung (VBS) Philipp Anger 25. März 2014 DPG Tagung Mainz](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022090605/605adbe38099be36bc73f1f4/html5/thumbnails/26.jpg)
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz22
✤ chiral Lagrangian ✤ symmetries enforced without light Higgs ✤ add higher-order dimension-4 operators (NLO in E/Lambda): ß1, αi with i = {1,...,19}
αi CP custodial sym. dimension
1 conserving conserving aTGC 4 S parameter (LEP)
2,3 conserving conserving just aTGC 4 constrained at LEP / aTGC
4,5 conserving conserving just aQGC 4
6,7 conserving violating 4
8 conserving violating aTGC 4 U parameter (LEP)
9 conserving violating aTGC 4
10 conserving violating 4
11 conserving (violates C and P) aTGC 4
12-19 violating 4
ß1 conserving violating aTGC 2 T parameter (LEP)
non-linear realization of symmetry breaking [arXiv: hep-ph/9304240]
Anhang zu 5.: Dimension-4 Operatoren
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz23
adding aQGC can lead to violation of unitarity → loss of physical meaning
K-matrix
projection of (eigen)amplitudes at Argand circle (optical theorem ensures unitarity) + physics interpretation (infinitely heavy and wide resonance) + experience from pion physics + includes other unitarization schemes - ‘difficult’ to implement - up to now just in Whizard
form-factor
!+ heavily used in aTGC studies - kind of arbitrary scale and exponent - implemented in VBFNLO / Sherpa
↵ ! ↵(s) =↵
(1 + s⇤2 )n
Anhang zu 5.: Unitarisierung
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz24
✤ MadGraph, linear realization, cutoff unitarization ✤ expected sensitivity for 14 TeV in terms of 5σ-discovery values:
VBS WZjj → lνlljj analysis ATL-PHYS-PUB-2013-006
[TeV]i3lm0.6 0.7 0.8 0.9 1
Entri
es
50100150200250300350400450 VBS WZ (SM)
-4 = 1.0 TeVT1 fSM VBS WZ +
VBS WZ (SM)
SM WZ QCD
Simulation PreliminaryATLAS-1 L = 3000 fb0
Anhang zu 5.: Resonanzen
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Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz25
Generator aQGC parametrization unitarization VVjj-EW channels VVjj-QCD
channels order QCD
VBFNLO non-linear form-factor, clipping
all (not all diagrams)
WWss, WZjj work ongoing
NLO no events
Whizard linear K-matrix, clipping all
all (via VVjj-EWQCD minus VVjj-EW)
LO
PowhegBox linear clipping WWss (not all diagrams) WWss NLO
Sherpa non-linear form-factor clipping all all LO
Madgraph (and any other
generator reading FeynRules)
linear http://
feynrules.irmp.ucl.ac.be/wiki/AnomalousGaugeCoupling
(non-linear)
clipping all all LO
Phantom
Anhang zu 5.: Generatoren