U N I V E R S I T À D E G L I S T U D I D I N A P O L I “ F E D E R I C O I I ” .
S C U O L A P O L I T E C N I C A E D E L L E S C I E N Z E D I B A S E
A R E A D I D A T T I C A D I S C I E N Z E M A T E M A T I C H E F I S I C H E E N A T U R A L I .
D I P A R T I M E N T O D I F I S I C A “ E T T O R E P A N C I N I ”
L A U R E A M A G I S T R A L E I N F I S I C A
Ricerca di fisica oltre il Modello
Standard in eventi con energia mancante e jet nell’esperimento ATLAS
ad LHC
Candidato: Marco Lavorgna N94/272
Relatori:
Prof. Leonardo Merola Dott. Francesco Alessandro Conventi
Introduzione
Marco Lavorgna - Laurea Magistrale in Fisica
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Motivazioni fisiche: modelli di fisica oltre il Modello Standard
LHC e rivelatore ATLAS
Stati finali con energia trasversa mancante e jet:
1. Analisi inclusiva
2. Analisi con jet da quark bottom
Strategia di trigger e d’analisi
Stima del fondo
Risultati e conclusioni
Il canale “mono-jet” per ricerche di nuova fisica
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Eventi contenenti un jet ad alto impulso trasverso ed uno sbilanciamento nel momento traverso nello stato finale costituiscono una chiara e distintiva segnatura per le ricerche di nuova fisica ai collider adronici.
Modelli di fisica BSM sensibili a MET+jet
Supersimmetria(decadimenti compressi): Decadimenti dello stop (sbottom), in uno scenario
Large Extra Dimensions (LED): Si ipotizza l'esistenza di n dimensioni spaziali extra, di grandezza R, e una scala fondamentale di Plank in 4+ n dimensioni:
Weakly interacting massive particles (WIMPs): WIMPs come candidati di Dark Matter. Simplified Models: Modelli adottati attualmente per le analisi al Run-II (interazioni con il settore DM mediate da particella di spin-0,1,2 in processi di canale s).
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nn
DPRMM 12
0~)~
(~
mmm
bt
Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN
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Rate di eventi per interazione Luminosità dell’acceleratore Sezione d’urto del processo
R = L ∙ σ R L σ
Raggio 4.2 km
Circonferenza ~27km
Energia 13 TeV (2015-2016) 7 TeV (2011), 8 TeV (2012)
Luminosità > 1034 cm-2 s-1
Bunch crossing rate
40 MHz (25 ns)
Protoni per bunch 1011
Rivelatore ATLAS – Dataset analizzato
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TeVs 13
1fb
• I dati utilizzati per l'analisi sono raccolti dall'esperimento ATLAS in collisioni pp a con un bunch crossing pari a 25 ns, nel periodo di presa dati 2015-2016. Il dataset analizzato corrisponde ad una luminosità integrata che varia da 3.2 a 13.3 .
Processi di fondi MET+jet
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Fondi in ordine di rilevanza: •Z(νν)+jets irriducibile (80% del fondo totale) •W(lν)+jets (15% del fondo totale, τ componente principale) •Z(ll)+jets con leptoni non identificati • top singolo e coppie top-antitop •Diboson •Multijet •NCB
Campioni Monte Carlo
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Campioni di eventi Monte Carlo simulati sono utilizzati per modellare il segnale aspettato e per aiutare nella descrizione e nella stima dei processi di fondo Standard Model
Eventi Generatore
LED PYTHIA- 8.165
SUSY MG5aMC v5.2.2.3
WIMPs (mediatore a spin-1) POWHEG- BOX v2
WIMPs (mediatore a spin-0) MadGraph5 v2.2.3
Campioni di segnale:
Eventi Generatore
Zνν + jet Sherpa2.2.0
W(lν)+jets Sherpa2.2.0
top singolo e coppie top-antitop Powheg-Box v2
Diboson Sherpa2.1.1
Campioni di fondo:
Analisi inclusiva – Selezione del segnale
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Selezione del segnale: • > 250 GeV (energia trasversa mancante in stato finale) •Numero di jet <=4 (bassa molteplicità di jet) • pT jet più energetico > 250 GeV (jet ad alto impulso trasverso in stato finale) •pT del secondo jet più energetico > 30GeV •Veto per leptoni •ΔΦ(MET,jets)>0.4
miss
TE
Analisi inclusiva – Regioni di segnale
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Dopo la selezione sono state definite diverse regioni di segnale esclusive ed inclusive al fine di trovare il miglior limite aspettato
Data 2015 Standard Model Z(νν)+jets
W(τν)+jets
W(μν)+jets
W(eν)+jets
Z(ll)+jets
Dibosons tt+single top
GeVbm )345,350()~,~
( 0 (mDM, Mmed) =(150,1000) GeV
LED, n=3 , MD =5600 GeV
Modelli sensibili a MET+bjet
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SUSY:Decadimenti compressi dello sbottom.
Produzione di coppie di WIMPs: Simplified model adottati attualmente per le analisi al Run-II (interazioni con il settore DM mediate da particella di spin-0 in processi di canale s).
b-flavoured Dark Matter (b-FDM): Modelli semplificati introdotti per spiegare l’eccesso di raggi gamma provenienti dalla via lattea, trovato dall’esperimento FERMI.
Stato finale con MET e b-jet
Segnatura sperimentale:
Eventi caratterizzati da uno o più jet b-taggati e presenza di momento trasverso mancante nello stato finale.
Proprietà dei modelli:
Mediatore scalare/pseudoscalare.
Parametri liberi (Mmed , MDM , gDM , gSM , Г )
12
Modelli di segnale analizzati sono simplified model (Modelli semplificati per descrivere il processo di produzione di coppie di particelle WIMPs) https://arxiv.org/abs/1507.00966
miss
TE
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WIMPs prodotta in associazione con coppie bb in processi di canale s.
b-tagging: identificazione dei b-jet
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Caratteristiche tipiche dei b-jet:
1. Vertice secondario di decadimento del mesone B all’interno del jet
2. Alti valori dei parametri di impatto (d0, z0) delle tracce provenienti dal vertice secondario
Algoritmi di identificazione dei b-jet:
1. Parametri di impatto delle tracce (IP3D)
2. Ricostruzione del vertice secondario (SV1)
3. Ricostruzione catena decadimenti dei mesoni B nel jet (JetFitter)
Estrarre una variabile discriminante con:
1. La migliore efficienza di b-tagging (εb)
2. Un basso rate di selezione di falsi (εl)
Il discriminante MV2c10 14
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Combinazione di 24 variabili sensibili con tecniche di analisi multivariata (MVA) per ottenere una variabile più performante
Weight cut b-jet efficiency [%] Purity[%]
0.9977155 29.99 99.95
0.9769329 50.05 99.62
0.934906 60.03 99.00
0.8244273 69.97 97.46
0.645925 76.97 95.17
0.1758475 84.95 89.66
Strategia di trigger 15
Trigger disponibili al Run-II per la data segnatura sperimentale sono trigger di energia mancante
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• Soglia nominale non prescalata più bassa è 80
GeV soglia effettiva in MET di circa 150-200 GeV (gran parte del segnale al di sotto di tale soglia).
MDM = 20 GeV Mmed = 1 GeV
Distribuzione di per il modello di segnale:
miss
TE
Preselezione degli eventi di segnale 16
Segnale caratterizzato da bassa molteplicità
Segnale non presenta leptoni
WIMPs nello stato finale
b-jet nello stato finale
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• Per la regione di segnale è stato implementato un taglio 2D tra MET e del jet più energetico (in luogo del taglio 1D MET>soglia) in modo tale da aumentate l’accettanza del trigger.
Tp
Variabile Richiesta
Trigger Funzione 2D
Njet 2-3
Nlep 0
Leading jet pT > 85 GeV
Leading b-jet pT > 50 GeV
>150 GeV
ΔΦ(MET,jets) >0.4
miss
TE
Variabili discriminanti
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•Selezione sulle variabili angolari per fornire una buona discriminazione tra il segnale ed il fondo principale Z(νν)+jet, dato che i jet di segnale sono attesi avere una separazione angolare maggiore ed una bassa molteplicità:
•Imbalance tra i dei b-jet è utilizzato per discriminare gli eventi di segnale dai b-jet provenienti dal gluon-splitting:
),(
)()(),(
),(
21
22
min
21
bb
jjR
bb
kikiki
Tp
)()(
)()(),(Im
21
21
21bpbp
bpbpbbb
TT
TT
Procedura di ottimizzazione della regione di segnale
18
Massimizzazione della figura di merito riportata
22
min)()(),(
kikikijjR
Signal Region 19
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Plot in preselezione a 10 (Segnale scalato per un fattore 20).
1fb
Regione di segnale:
Regioni di controllo per i processi di fondo 20
Definite 3 Validation Region (VR) per testare i fattori di normalizzazione estratti da ciascuna CR
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Composizione fondo dopo la selezione
Zνν+jet tt Wjet+top singolo
Variabile Richiesta Richiesta Richiesta
Nlep 2 1 1
Njet 2-3 2-3 2-3
Nbjet 1 2 1
mll [75, 105] GeV - -
mt - >30 GeV [30, 100] GeV
ΔΦ(MET,jets) >0.4 >0.4 >0.4
ΔRmin >2.8 >2.8 >2.5
ΔΦ(b,b) >2.2 >2.2 [1, 2.2]
Δη(b,b) - - -
Imb(b,b) - - -
Stima dei fondi 21
Dai dati a 13.3 , applicando una procedura di fit combinato alle tre CR definite, sono stati estratti 3 fattori (transfer factor) correttivi al MC, successivamente applicati alla SR e alle VR.
1fb
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Transfer factor:
10.081.0 ttbar
20.012.1
19.097.0
Z
W
Contributo ttbar
Contributo Z+jets
Contributo W + singletop
Distribuzioni in SR 22
plot dopo l'applicazione del fit combinato
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)()(
)()(),(Im
21
21
21bpbp
bpbpbbb
TT
TT
22
min)()(),(
kikikijjR
Risultati per analisi inclusiva
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I risultati ottenuti sono compatibili con le previsioni del Modello Standard e pertanto sono stati interpretati come limiti di esclusione al 95% del Confidence Level (CL) per i tre principali modelli di fisica oltre il Modello Standard considerati
Risultati per i modelli WIMPs
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Dati compatibili con il fondo Standard Model atteso: • Risultati tradotti in termini di limiti di esclusione per produzione di coppie di WIMPs, assumendo lo scambio di un mediatore assiale in processi di canale s.
• mediatore assiale •Quark coupling gq= 0.25 •WIMP coupling gχ = 1
Risultati per modello LED
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Limite sulla scala fondamentale di Plank in 4+n dimensioni. Valori di MD inferiori a 6.58 TeV per n = 2 ed inferiori a 4.31 TeV per n = 6 sono esclusi al 95% CL. Tali risultati migliorano i precedenti limiti di esclusione ottenuti dai dati a 8TeV.
Risultati per SUSY
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Limiti calcolati separatamente per la produzione di coppie di stop, con , e per produzione di coppie di sbottom, con , in funzione della massa degli squark per differenti ipotesi di massa del neutralino.
oct ~~
obb ~~
Limite di esclusione per il canale b-taggato 27
I dati osservati sono consistenti con il fondo SM atteso. I risultati sono stati interpretati in termini di limite al 95% C.L di esclusione della sezione d’urto di
produzione di un mediatore a spin-0 associato con b-quarks, in funzione della massa del mediatore (massa DM assunta pari ad 1 GeV).
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Massa della DM pari ad 1 GeV
Conclusioni e sviluppi futuri
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I risultati ottenuti sono compatibili con le previsioni del Modello Standard e pertanto sono stati interpretati come limiti di esclusione al 95% del Confidence Level (CL) per i tre principali modelli di fisica oltre il Modello Standard considerati in questo lavoro, SUSY, LED, produzione di WIMPs.
Tutti i risultati ottenuti migliorano i precedenti limiti di esclusione ottenuti nella prima fase di presa dati a = 7, 8 TeV dalla collaborazione ATLAS.
https://arxiv.org/pdf/1604.07773v2.pdf
I risultati di ricerca di WIMPs prodotta in associazione con quark b-taggati sono i primi ottenuti per modelli simplified model nell’esperimento ATLAS.
https://cds.cern.ch/record/2206279
Sviluppi (risultati pianificati per le conferenze invernali del 2017): Analisi di tutto il dataset 2016 (30-40 attesi) . Miglioramento strategia di trigger e selezione degli eventi.
1fb
s
29
Backup
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Object Definition 30
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Definizione delle CR e delle VR 31
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