WW w CMS - CERN Indico

WW w CMS
Jan Kalinowski, Jakub Kuczmarski, Stefan Pokorski, Janusz Rosiek (IFT UW)
Krzysztof Doroba (IFD UW), Michał Szleper (IPJ), Sławek Tkaczyk (Fermilab)
Zebranie analizy fizycznej CMS, Warszawa, 22.03.2011
Dlaczego to robimy?
* Oddziaływanie WW jako próbkowanie mechanizmu łamania symetrii elektrosłabej
* Czy istnieje bozon Higgsa?
- Tak
musi unitaryzować oddziaływania bozonów W i Z przy wysokich energiach –
Model Standardowy daje na to konkretne przewidywania,
- Nie
musi istnieć coś innego – rozpraszanie bozonów W i Z da nam wgląd.
* Lektura wprowadzająca:
* Chanowitz, hep-ph/0412203, Proceedings of “Physics at LHC”, Vienna, July 2004.
* Dotychczasowe prace związane z tematem:
* Dużo prac teoretycznych, na poziomie fenomenologicznym:
- Bagger et al., Phys. Rev. D 49 (1994) 1246, Phys. Rev. D 52 (1995) 3878,
- Dobado, Herrero et al., Phys. Lett. B 352 (1995) 400, Phys. Rev. D 62 (2000) 055011
- Butterworth et al., Phys. Rev. D 65 (2002) 996014
- Ballestrero et al., JHEP 05 (2009) 015, JHEP 11 (2009) 126.
* CMS: grupa z Turynu, arXiv: hep-ph/0512219v2, CMS Note 2007/005,
Riccardo Bellan, CERN-THESIS-2009-139,
* CMS Warszawa: Paweł Zych, “Observation of the strongly-coupled Higgs sector
in the CMS detector at the LHC” - praca doktorska na UW, 2007,
* ATLAS: arXiv: 0901.0512v4
* Wybór kanału w obecnej analizie:
W+W+ leptony – mało przypadków, ale niskie i kontrolowalne tło.
2
1. Proces WW WW
Całkowite przekroje czynne dla  1.5
Przypadek 1: lekki higgs – WT dominuje
Przypadek 3: brak higgsa – WL rośnie
aż do fizycznej granicy unitarności
Przypadek 2: ciężki higgs – pojawia się WL
Skrętności W w stanie początkowym
= skrętności W w stanie końcowym 3
Różniczkowy przekrój czynny:
Rozkłady pseudopospieszności względem kierunku początkowego W
Lekki higgs: W do przodu,
głównie WT
Ciężki higgs: widoczna
składowa centralna WL
Brak higgsa: dominuje
centralne WL
4
2. Proces kwarkowy qq
qqWW
* Sygnał “braku higgsa” = nadwyżka w
produkcji WL WL względem przewidywań
Modelu Standardowego z lekkim higgsem
* Tło “nieredukowalne” (cały Model Standardowy z lekkim higgsem)
głównie WT, zawiera diagramy rozproszeniowe i nierozproszeniowe, w tym QCD,
* Tło “redukowalne”: produkcja topu
* Procesy wielodżetowe QCD
całe mnóstwo, dominują w hadronowych kanałach rozpadu W, Z
5
Przykład: proces uu
dd W+ W+ przy 2 TeV
(dominujący podprocess w kanale W+W+)
CKM matrix not included
alpha_s at MZ taken
This is our signal
No-higgs limit
* MadGraph – generacja przypadków fizycznych
na podstawie rachunku elementów macierzowych
z pierwszych zasad (reguły Feynmana + parametry
Modelu Standardowego).
* WL przed cięciami jest <5%!
6
Results for uu
dd W+ W+ at 2 TeV
Backgrounds: SM WT WX, SM WL WL,
Signal = No-higgs WL WL – SM WL WL,
each distribution is normalized to 1
2 < |_j| < 5
pT_W > 100 GeV
|_W| < 1.5
_WW > 2.5 rad
|_W| < 1.5
M_WW > 350 GeV
7
3. Funkcje struktury i rozpad W
* Funkcje struktury: kinematycznie pp przy 14 TeV jest w zerowym przybliżeniu podobne
do qq przy 2 TeV, kryteria selekcji pozostają zasadniczo te same.
* Rozpad W (leptonowy z wyboru) – dwie filozofie:
1. Pełny rachunek procesu pp jj++ z pierwszych zasad bez patrzenia na W
– program Phantom (Turyn) – nie wiadomo, które pochodzą z WL,
2. Przybliżenie W na powłoce masy (“production x decay”): pp
+ rozpad W w Pythii (prywatna wersja).
jjW+W+ MadGraph
Uwaga: konieczne jest uwzględnienie poprawnych rozkładów kątowych rozpadu
dla WL i WT, standardowa Pythia 6 rozpada W izotropowo!
Diagramy nierezonansowe są zaniedbywane.
8
Przybliżenie W na powłoce masy – Phantom vs MadGraph+Pythia
Konkluzja: przybliżenie W na powłoce masy nie jest żadnym problemem
4. Selekcja sygnału
Tło “redukowalne”: produkcja tt
1. tt
2. tt
W+W-bb + błąd w wyznaczeniu znaku leptonu,
W+W-bb + rozpad b na leptony
Rozkłady kinematyczne sygnału i tła
Sygnał
Tło nieredukowalne
Tło tt
Kombinacja cięć:
2 < |_j| < 5 dla dwóch wiodących dżetów,
M_j12, M_j21 > 200 GeV, oraz
M_jj > 400 GeV lub 500 GeV,
zbija tło tt do kontrolowalnych wartości
Możliwości eksperymentu CMS
Efektywność wyznaczenia
znaku mionu
L. Scodellaro,
Physics at the LHC, DESY, 7-12 June 2010
Dla pT ~ 300 GeV: 99%
Tagowanie b
I. Tomalin,
J. Phys. Conf. Series 110 (2008) 092033
Efektywność ~50% na pojedyncze b,
<1% na zatagowanie zwykłego kwarku
Tło “nieredukowalne”: podejście konwencjonalne
Sygnał
pT_ > 40 GeV
Tło nieredukowalne
Tło tt
|GeV
Tło “nieredukowalne”: nowe, korelacyjne podejście
Badanie korelacji pomiędzy różnymi wielkościami
Jedno cięcie na
pT_1/pT_j1*pT_2/pT_j2 > 3.5
oddziela sygnał od tła lepiej niż wszystkie
konwencjonalne cięcia razem wzięte
 > 2.5
Realistyczna analiza
1. Sygnał: granica unitarności
dla WW powyżej ~1.2 TeV.
Najprostszy “model” unitaryzacji
to założenie, że przekrój czynny
WW nasyca się po osiągnięciu
granicy unitarności. Definiuje to
maksymalny sygnał, który ma
sens fizyczny.
2. Hadronizacja i dżety:
Opcja w Pythii do grupowania
cząstek w stanie końcowym w
dżety według procedury
naśladującej algorytm stożkowy
rekonstrukcji dżetów w
realistycznym eksperymencie.
Sygnał zdefiniowany matematycznie
poprzez Model Standardowy bez higgsa
Sygnał po nałożeniu warunku unitarności
Porównanie efektywności cięć
w podejściu konwencjonalnym i podejściu korelacyjnym
Sygnał = WL WL No Higgs – WL WL SM
  fb



   fb

   fb

   fb
^
*) z nieefektywności wyznaczenia znaku mionu,
**) z rozpadów B na mion
   fb
Kanały jje+e+ i jj+e+
Efektywności rekonstrukcji elektronu w CMS:
P. Vanlaer,
First IPM Meeting on LHC Physics – Isfahan, 20-24 April 2009
black = with charge match
red = without charge match
blue = seeding efficiency
~95% w obszarze baryły i dla dużych pT
5. Wynik: spodziewany sygnał i tło po 100 /fb danych przy 14 TeV
I. Wynik przy użyciu cięć konwencjonalnych
Sam kanał jj++
Zsypane jj++, jj+e+, jje+e+, jj--, jj-e-, jje-e-: S/B = 15/10
II. Wynik przy użyciu cięcia korelacyjnego
Sam kanał jj++
Zsypane jj++, jj+e+, jje+e+, jj--, jj-e-, jje-e-: S/B = 15/3
Co dalej?
- Kanał W+W- - większa statystyka, ale tło od tt nie będzie zaniedbywalne,
- Kanały WZ i ZZ – ciekawe, ale nie wiadomo czy będzie coś widać,
- Zbadanie wpływu eksperymentalnej rozdzielczości w pomiarze pT
dżetów, mionów i elektronów na końcowy wynik – możliwe do zrobienia w Pythii,
- Zbadanie wpływu efektu nakładania się przypadków w LHC (pile-up),
- Uwaga na egzotyczne źródła tła, które mogą sprawiać dodatkowe niespodzianki,
np. błędna identyfikacja pionu jako mion, itp.,
- Hadronowe kanały rozpadu W, Z – na później.