Post on 08-Jan-2016
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Studio della rottura spontanea di simmetria
mediante la fusione di bosoni vettori nell’ambito
dell’esperimento CMS
Relatrice Dott.ssa C.Mariotti
Co-relatore Dott. A.Ballestrero
Candidata S.Bolognesi
EWSB e il problema della massa
BBmWWmBBWWL iiiigauge
22
2
1
2
1
4
1
4
1
kjijkiii WWgWWW
BBB invarianza di Gauge
SU(2)
U(1)EM
doppietto scalare complesso di SU(2)Potenziale scalare(>0, <0) 22 V
0
v
0
2
1
02
1 vil cui minimo (= stato di vuoto) si ha per SU(2)
3 bosoni di Goldstone i
hv
e vi
ii
0
2
1 2
1 campo scalare fisico 0h
(v = valore di aspettazione del vuoto)
Gauge generico
Gauge unitario
4 campi di Gauge si combinano nei bosoni vettori noti: W,Z massivi, fotone massless
1 campo scalare fisico -> Higgs
hv
0
2
1
21
2
1 iWWW
22
3
gg
gWBgZ
4 campi di Gauge Wi,B
22
3
gg
WggBA
222
4
1vgMW
2222
4
1vggM Z
02 AM
U(1)
o
×
2
2
2
2
2
1
HH mt
t
ms
sts
v
V V
L’Higgs e l’unitarieta’Il processo W+
LW-L->W+
LW-L viola
l’unitarieta’ in assenza di Higgs
Dunque studiando questo processo sara’ possibile avere informazioni sull’EWSB
Lo stesso andamento al crescere dell’energia si ha per
(NO canale T)
(NO canale s)
(NO canale s , MA canale u)
2
2
2
1
HLLLL ms
ss
vWWZZA
2
2
2
1
HLLLL mt
tt
vWZWZA
2
2
2
2
2
1
HHLLLL mt
t
mu
utu
vWWWWA
LLLL WWWWA
2
2
2
2
2
1
HHLLLL mt
t
ms
sts
vWWWWA
canale S canale T QGC
V V
V V
VV -> VV
Processo di fusione di bosoni vettori
Fusione di bosoni vettori Studiare il processo di fusione di bosoni vettori permette dunque di analizzare il problema dell’EWSB con un approccio indipendente da qualunque modellistica:
tenere sotto controllo il processo sensibile alla violazione dell’unitarieta’ i.e. conoscere il piu’ precisamente possibile le previsioni del MS per
restare in ascolto per ogni possibile deviazione da tali previsioni
(VV -> VV) vs M(VV)
M(VV) = M(H)
Higgs leggero
risonanza nello spettro in corrispondenza di
Higgs pesante
e l’unitarieta’ richiede
M(H) < 1 TeV
assenza di Higgs
nuova fisica ad una scala s < 1.5 TeV
per conservare l’uniterieta’
Nel presente studio si vuole dunque
- studiare lo spettro previsto dal MS nei diversi scenari
- far emergere tale spettro da quello di fondo (riducibile ed irriducibile)
2
3
32
3
v
mVVH H
H
risonanza molto larga
~
~
Gli scenari considerati
se si considera il processo completopp->qq->qqWV->qqWV->qqqqln (o diversi stati finali)l’andamento divergente sara’ “coperto” da diversi fattori:- PDF- bosoni entranti off-shell- bosoni non polarizzati …
- Si vogliono considerare diverse masse dell’Higgs
- Il caso di assenza di Higgs e’ stato simulato spegnendo tutti i suoi accoppiamenti
il teorema di violazione dell’unitarieta’ e’ valido a rigore solo per i nudi processi
individuazione di strategie per far emergere le conseguenze di tale andamento divergente per alti valori di M(VV) e distinguerlo dall’andamento nel caso di presenza di Higgs con M(H)=500
selezione di queste larghe risonanze sul fondo continuo
M(H)
(H)
300 500 700
~10 ~50 ~120
OBIETTIVO:
OBIETTIVO:
di fusione con bosoni longitudinali on-shell,
tsv
WWWWA LLLL 2
1
(GeV)
(GeV)
MC & approssimazioni (EVBA)
sez.d’urto per scattering di bosoni vettori
EffectiveVectorBosonApproximation (M(VW)>>MW,~MH)
distribuzione di probabilita’ di emissione di bosoni vettori dai protoni
In tale approssimazione si trascurano
diagrammi di tipo “bremsstrahlung” o non risonanti
bosoni ON-SHELL
Higgs TGC QGC
segnale VV-fusion
(PYTHIA)
MC & approssimazioni (VL,VT)
In tale approssimazione si considerano solo i bosoni polarizzati longitudinalmente poiche’ solo questi si accoppiano all’Higgs e quindi sono sensibili alla violazione dell’unitarieta’ (PYTHIA)
M(H)=500 GeVNoHiggs
W±,Z,(A) mV ≠ 0
Wi,B mV = 0
EWSB: Higgs
A(WLWL->H->WTWT) = - A(WTWT->H->WLWL)
A(WTWT->H->WTWT) = 0
A(WW->WW) ~
VT
VT VL
1 < η(d) < 5.5 -1 > η(u) > -5.5E(u,d,c,s,μ) > 20 GeV Pt(u,d,c,s,μ) > 10 GeV
70< M(sc, μν) < 90
LL sottostima
A(WLWL->WLWL)A(WLWT->H->WLWT) = 0
MC & approssimazioni (produzione per decadimento)
poi fatti decadere nel narrow width limit
Si considerano tutti i diagrammi con bosoni uscenti on shell (MADEVENT)
prod.per decadim.sovrastima
22
222220
1lim mp
mmmp
PHASEPHact Adaptive Six Fermion Event generator e’ il primo MC che calcola l’elemento di matrice esatto per il processo completo
qq->qqqqln O(EW6)
Nel calcolo completo si evidenziano enormi interferenze fra i diversi set di diagrammi i quali separatamente non risultano neppure Gauge invarianti
tutti i possibili diagrammi devono allora essere considerati, alcuni esempi:
segnale: VV -> VW
un bosone uscente
tre bosoni uscenti
due bosoni uscenti
fondo irriducibile
(~ 250 processi)
STUDI PARTONICI
Definizione di segnale
- taglio contro contributo di top:
- richiesti due bosoni (WW o WZ) nello stato finale:
in caso di ambiguita’ (es. ud->uddu) si sceglie la combinazione piu’ vicina alla massa nominale del bosone
si richiede il giusto flavour per i quark
- taglio contro terzo bosone nello stato finale
Date le interferenze tra segnale e fondo irriducibile (i.e. stesso stato iniziale e finale) -> la definizione di segnale deve essere data “a posteriori”
160 < M(bqq’,b) < 190 (GeV)
[ 80 < M(qq) < 100 (GeV) || 70 < M(qq’) < 90 (GeV) ]
&& [ 70 < M() < 90 (GeV) ]
[ 80 < M(qq) < 100 (GeV) || 70 < M(qq’) < 90 (GeV) ] sui due quark rimasti
Fondo irriducibile
b t b
WW
V
q q’
diagrammi di top singolo o doppio
72 % della sezione d’urto generata (nh)
(pura EW)
diagrammi NON risonanti
QGC e Higgsstralhung
5% della sezione d’urto generata (nh)
Sezioni d’urtoM(H) = 500 GeV
0.18 pb
top
altro fondo irriducibile
segnale 0.16 pb
0.49 pb
0.04 pb
NO Higgs
(singolo o doppio)
totale 0.71 pb 0.69 pb
ENORME CONTRIBUTO
FONDO IMPORTANTE
Divisione in sottoprocessi (1)Non si puo’ a priori separare i diversi contributi (“a’ la pythia”)
poiche’ questi possono interferire tra loro quando danno luogo allo stesso stato iniziale e finale
W+W- -> W+W-
W-W- -> W-W- & C.C.
ZZ -> W+W-
ZW->ZW
es. bb -> bbcs
es. cb->cbcs-
es. ud
multiple-counting !!!
udcsudZZ
udW+W-
udW+W-
M(H) = 500 GeV
Divisione in sottoprocessi (2)Tagli appositi di selezione per i diversi contributi -> multiple counting
si e’ richiesta la giusta combinazione in flavour e segno in pz fra i quarks entranti ed uscenti pz(uIN) * pz(uOUT) > 0
pz(dIN) * pz(dOUT) > 0ZZ -> W+W-
W+W- -> W+W-
In questo modo si perdono rispetto al segnale gli eventi in cui i due “quarks tag” non hanno segno opposto in pz (3%)
pz(uIN) * pz(uOUT) < 0
pz(dIN) * pz(dOUT) < 0
es. uINdIN->uOUTdOUTcs-
Confronto con PYTHIAPYTHIA: solo polarizzazione longitudinale,
Breit-Wigner per il decadimento
EVBA=> bosoni on-shell,
sottostima dello stato finale WZ per M(H)=500
diversita’ nella topologia del segnale
WZ / totale
PYTHIA PHASE
0.04 0.16
M(H)=500 GeV
no Higgs
noHiggs/M(H)=500 ad alta M(VV)La chiave dell’EWSB sta nella divergenza della sezione d’urto VV->VW in assenza di Higgs (<= violazione unitarieta’)
importante distinguere le code in presenza od assenza di Higgs secondo le previsioni dello SM per avere informazioni sul meccanismo di conservazione dell’unitarieta’
I due casi non saranno mai osservati contemporaneamente ma dobbiamo poter distinguere a quale delle due categorie appartiene lo spettro dei dati
(fb)
eventi
1y low lumi 1y high lumi
per M(VW)>1000 GeV
7.776.23 62 623
78 777
VLVL vs VTVT ad alta M(VV)Tagli che eliminino il “fondo” TT per avere uno spettro di soli LL (“a’ la pythia”)
tuttavia non e’ possibile separare LL e TT in fase di generazione in un conto esatto (bosoni off-shell)
tagli che eliminino la coda ad alta M(VV) per M(H)=500 (soli TT) conservandola pero’ nel caso di noHiggs (LL+TT) dove si vogliono preservare gli effetti di divergenza della violazione di uniterieta’
VLVL e VTVT -> M(H)=500 GeV e noHiggs bassa statistica:
RETE NEURALE
risultano avere una cinematica molto simile ad alta M(VV)
(no Higgs) ~ 6.2 fb (M(H)=500) ~ 7.8 fb
segnale con M(VW)>1000GeV
... studio di alcune variabili cinematiche...
bosoni longitudinali:
- bosoni centrali:
- q “tag” con configurazione cinematica opposta
basso eta grande pt
No Higgs
M(H)=500 GeV
M(VW)>1000GeV
- decadimento con piccoli angoli
Rete neuraleSono state studiate le correlazioni fra le diverse variabili -> scelto set di n variabili ottimale in potere separatore:
La rete e’ stata esportata da ROOT nella forma di una classe c++
TMultiLayerPerceptron in ROOT: metodo di apprendimento BFGS con 2 layer nascosti di 2n, n neuroni
WV qtag pTqtagcosWl
Studi partonici previsti
- RETE NEURALE
- DIVISIONE IN CONTRIBUTI
indagare piu’ a fondo l’andamento ad alta M(VV) per i diversi sottoprocessi
applicare la rete ad un set di eventi diverso da quello usato per allenamento
stabilire il taglio piu’ opportuno per accrescere il rapporto (noHiggs)/(MH=500) ad alta M(VV) ma conservando una statistica accettabile
STUDI DI RICOSTRUZIONE
Dalla generazione alla ricostruzione
PHASE
file ascii con i quadrimomenti delle particelle
adattamento al protocollo di LesHouches ->
CMKIN adronizzazione con PYTHIA
ntuple HEP101
FAMOS
ROOTTree
ROOT analisi
generazione di eventi non pesati
simulazione del rivelatore e ricostruzione degli eventi
interfaccia diretta phase-pythia
prima utente (validazione)
il programma di ricostruzione diventera’ un esempio ufficiale nella prossima release di FAMOS
soft
war
e C
MS
Generazione fondi riducibili con PYTHIA, ALPGEN e MADEVENT
FAst MOntecarlo Simulation
Simulazione veloce <=parametrizzazione del detector dal fit della simulazione completa (OSCAR+ORCA)
FAMOS_1_2_0 :
tracker-interazione con materiale non ancora perfettamente parametrizzata layer per layer
calorimetria
-manca la calibrazione dei jet per l’algoritmo KT (clustering)
-le correzioni per l’energia mancante sono ottimizzate solo per jet di bassa energia
efficienza algoritmo di B-tagging comunque ben simulata
algoritmo a cono
scarsa risoluzione sulle variabili cinematiche del neutrino
tracciatore di muoni
-non simulati bremsstralhung e shower, no depositi nel calorimetro
la simulazione dell’efficienza di ricostruzione e della risoluzione risultano piu’ che accettabili
simulazioni ancora mancanti per questa analisi
NO PILE-UP !!
-manca l’algoritmo di isolamento
possibile ottimizzazione ulteriore nella ricostruzione della topologia di segnale
p
p
q tag
q
q
q’
q
q tag
W
V
V
V
Topologia di segnale
2 jet tagalta pseudorapidità
alte energia e massa invariante
2 jet dal bosone vettore
bassa pseudorapidita’
massa invariante ~ mV
R limitato muonebassa pseudorapidita’
pT ~ mV/2
energia mancanteET ~ mW/2 (ricostruita)EZ calcolata imponendo M()=mW
TRIGGER !!
I seguenti studi di ricostruzione della topologia di segnale sono stati realizzati con un campione di eventi senza Higgs.
Muone e neutrino: risoluzioneSi sceglie il muone con massimo pT nell’evento
Imponendo
si ottiene una equazione di secondo grado in p
z -> si sceglie la soluzione maggiore
in caso di assenza di soluzioni complesse se ne prende la parte reale
22Wmpp
W leptonico: risoluzione
pT > 20 GeV
pT > 20 GeV
efficienza
entrambi
81%
80%
73%
pWt ricostruito – pW
t generatopW
t generato
W ricostruito – W generatoW generato
Jet: risoluzione
Matching con i quark generati:
4 jets conpj
t > 30 GeV
R(j,q) < 1
per eliminare jet soffici da pile-up e rimasugli del protone
IterativeConeAlgorithm
MiddlePointConeAlgorithm
KTAlgorithm RParameterDCutNJet
massimizzazione dell’energia contenuta in un cono di dimensione fissata
algo a “clusthering”: i singoli segnali calorimetrici sono associati ai jet a seconda del loro momento trasverso rispetto alla direzione dei jet stessi
Calibrazione con eventi f f/g -> g/f + -> jet +
22 R
Algoritmi di ricostruzione:
MV ricostruita – MV generata
MV generata
jet dal bosone e jet tag (pT>30 GeV)
2 jets con 50<M(j,j)<125 (GeV)
j1|, |j2| < 3 V minimo)
efficienza: 71% + 4% = 75%
Per identificare i 2 jet tag sono state esaminate diverse possibilita’
La scelta andra’ ottimizzata considerando la purezza ottenuta una volta inseriti tutti i fondi
si e’ inoltre verificato che identificare i 2 jet tag prima di ricostruire il bosone da’ un efficienza inferiore
Il bosone adronico viene ricostruito con
j1- j2| < 2
1 jets con 50<M(j)<125 (GeV)j < 3
V minimo)
Ej1,Ej2 > 100 GeV
40 %42 %58 %56 %
j1 × j2 < 0
j1- j2| > 2
j1|>1.5 || |j2| > 1.5
Fondo irriducibile: top
Fra tutti i jet rimasti dopo aver ricostruito il bosone
se P(b-tag) >1 100<M(jWl) || M(jVh)<300 (GeV)
si sceglie quello con massima variabile di b-tagging
per tutti i jet (pt>30 GeV) 100<M(jWl) || M(jVh)<300 (GeV)
accettanza algoritmo di b-tagging (||<3)
altrove
90% top dal fondo irriducibile
t b
f
f’W
m(Wb) = mtop
b-tagging
segnale 30%
considerati tutti i tagli
Fondi previsti
fondo irriducibile top singolo e doppio
VW+qq PHASE
PYTHIA O(QCD4 EW
2)
VW+j j -> j j qqmn O(QCD2 EW
4)
MADGRAPH V+j j -> j j mnin un ambiente adronico si hanno sempre jet aggiuntivi dai resti dei protoni e dal pile-up
MADGRAPH
da precedenti studi e’ stato appurato che singolo bosone e singolo top O(EW4)
non sono fondi problematici per il canale in esame
studio e ottimizzazione di tagli contro questi fondi
V+j j j j -> j j j j mn ALPGENO(QCD4 EW
2)
(no jet pesanti)
t t -> W+bW-b -> 1 + X
O(EW6)
O(QCD2 EW
2)
Progetti
STUDI PARTONICI
Ottimizzazione della rete neurale per la distinzione di M(H)=500 GeV e noHiggs ad alta M(VW)
Studio della coda dello spettro ad alta M(VW) separatamente per i diversi contributi
STUDI DI RICOSTRUZIONE
Generazione dei fondi non irriducibili ancora mancanti
Studio di tagli di selezione del segnale contro questi fondi
... grazie dell’attenzione ...