Relatrice Dott.ssa C.Mariotti Co-relatore Dott. A.Ballestrero

1. 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

2. EWSB e il problema della massa SU(2) × U(1) invarianza di Gauge doppietto scalare complesso di SU(2) Potenziale scalare(l>0, m<0) il cui minimo (= stato di vuoto) si ha per o SU(2) (v = valore di aspettazione del vuoto) Gauge unitario Gauge generico 1 campo scalare fisico -> Higgs 4 campi di Gauge si combinano nei bosoni vettori noti: W,Z massivi, fotone massless 1 campo scalare fisico 3 bosoni di Goldstonewi 4 campi di GaugeWim,Bm U(1)EM

3. L’Higgs e l’unitarieta’ Il processo W+LW-L->W+LW-L viola l’unitarieta’ in assenza di Higgs Processo di fusione di bosoni vettori V V VV -> VV V V V V Lo stesso andamento al crescere dell’energia si ha per (NO canale T) canale S canale T QGC (NO canale s) (NO canale s , MA canale u) Dunque studiando questo processo sara’ possibile avere informazioni sull’EWSB

4. 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 s(VV -> VV) vs M(VV) restare in ascolto per ogni possibile deviazione da tali previsioni assenza di Higgs Higgs pesante Higgs leggero risonanza nello spettro in corrispondenza di risonanza molto larga nuova fisica ad una scala  s < 1.5 TeV e l’unitarieta’ richiede M(VV) = M(H) ~ per conservare l’uniterieta’ M(H) < 1 TeV ~ 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)

5. Gli scenari considerati - Si vogliono considerare diverse masse dell’Higgs OBIETTIVO: M(H) 300 500 700 (GeV) se si considera il processo completo pp->qq->qqWV->qqWV->qqqqln (o diversi stati finali) l’andamento divergente sara’ “coperto” da diversi fattori: - PDF - bosoni entranti off-shell - bosoni non polarizzati … selezione di queste larghe risonanze sul fondo continuo G(H) (GeV) ~50 ~120 ~10 - 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 di fusione con bosoni longitudinali on-shell, OBIETTIVO: 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

6. diagrammi di tipo “bremsstrahlung” o non risonanti MC & approssimazioni (EVBA) EffectiveVectorBosonApproximation (M(VW)>>MW,~MH) (PYTHIA) sez.d’urto per scattering di bosoni vettori distribuzione di probabilita’ di emissione di bosoni vettori dai protoni bosoni ON-SHELL In tale approssimazione si trascurano segnale VV-fusion TGC Higgs QGC

7. MC & approssimazioni (VL,VT) A(WW->WW) ~ A(WLWL->H->WTWT) = - A(WTWT->H->WLWL) A(WTWT->H->WTWT) = 0 A(WLWT->H->WLWT) = 0 A(WLWL->WLWL) Wi,B mV = 0 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) EWSB: Higgs VT VL W±,Z,(A) mV≠ 0 NoHiggs M(H)=500 GeV 1 < η(d) < 5.5 -1 > η(u) > -5.5 E(u,d,c,s,μ) > 20 GeV Pt(u,d,c,s,μ) > 10 GeV 70< M(sc, μν) < 90 LL sottostima

8. MC & approssimazioni (produzione per decadimento) Si considerano tutti i diagrammi con bosoni uscenti on shell(MADEVENT) poi fatti decadere nel narrow width limit prod.per decadim. sovrastima

9. PHASE PHact Adaptive Six Fermion Event generator e’ il primo MC che calcola l’elemento di matrice esatto per il processo completo qq->qqqqln O(aEW6) (~ 250 processi) 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 fondo irriducibile un bosone uscente due bosoni uscenti tre bosoni uscenti

10. STUDI PARTONICI

11. Definizione di segnale 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’,bmn) < 190 (GeV) - taglio contro contributo di top: - richiesti due bosoni (WW o WZ) nello stato finale: si richiede il giusto flavour per i quark [ 80 < M(qq) < 100 (GeV) || 70 < M(qq’) < 90 (GeV) ] && [ 70 < M(mn) < 90 (GeV) ] in caso di ambiguita’ (es. ud->uddumn ) si sceglie la combinazione piu’ vicina alla massa nominale del bosone - taglio contro terzo bosone nello stato finale [ 80 < M(qq) < 100 (GeV) || 70 < M(qq’) < 90 (GeV) ] sui due quark rimasti

12. t b b W W V q q’ Fondo irriducibile diagrammi di top singolo o doppio (pura EW) 72 % della sezione d’urto generata (nh) 5% della sezione d’urto generata (nh) diagrammi NON risonanti QGC e Higgsstralhung

13. Sezioni d’urto NO Higgs M(H) = 500 GeV segnale 0.18 pb 0.16 pb ENORME CONTRIBUTO top 0.49 pb (singolo o doppio) FONDO IMPORTANTE altro fondo irriducibile 0.04 pb totale 0.71 pb 0.69 pb

14. es. cb->cbcsm-n 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 udZZ udW+W- udcsm- n es. ud udW+W- multiple-counting !!! es. bb -> bbcsm-n M(H) = 500 GeV

15. es. uINdIN->uOUTdOUTcsm-n 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) > 0 ZZ -> W+W- pz(uIN) * pz(uOUT) < 0 pz(dIN) * pz(dOUT) < 0 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%)

16. PYTHIA PHASE WZ / totale 0.04 0.16 Confronto con PYTHIA M(H)=500 GeV PYTHIA: solo polarizzazione longitudinale, EVBA=> bosoni on-shell, Breit-Wigner per il decadimento sottostima dello stato finale WZ per M(H)=500 diversita’ nella topologia del segnale no Higgs

17. noHiggs/M(H)=500ad 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’ per M(VW)>1000 GeV eventi s (fb) 1y low lumi 1y high lumi 62 623 6.23 78 7.77 777 I due casi non saranno mai osservati contemporaneamente ma dobbiamo poter distinguere a quale delle due categorie appartiene lo spettro dei dati

18. VLVL vs VTVTad 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’ ... studio di alcune variabili cinematiche... VLVL e VTVT -> M(H)=500 GeV e noHiggs bassa statistica: risultano avere una cinematica molto simile ad alta M(VV) s(no Higgs) ~ 6.2 fb segnale con M(VW)>1000GeV s(M(H)=500) ~ 7.8 fb RETE NEURALE

19. basso eta grande pt M(VW)>1000GeV No Higgs M(H)=500 GeV bosoni longitudinali: - decadimento con piccoli angoli - bosoni centrali: - q “tag” con configurazione cinematica opposta

20. Rete neurale Sono state studiate le correlazioni fra le diverse variabili -> scelto set di n variabili ottimale in potere separatore: pTqtag DhWV Dhqtag cosqWl TMultiLayerPerceptron in ROOT: metodo di apprendimento BFGS con 2 layer nascosti di 2n, n neuroni La rete e’ stata esportata da ROOT nella forma di una classe c++

21. Studi partonici previsti - RETE NEURALE applicare la rete ad un set di eventi diverso da quello usato per allenamento stabilire il taglio piu’ opportuno per accrescere il rapporto s(noHiggs)/s(MH=500) ad alta M(VV) ma conservando una statistica accettabile - DIVISIONE IN CONTRIBUTI indagare piu’ a fondo l’andamento ad alta M(VV) per i diversi sottoprocessi

22. STUDI DI RICOSTRUZIONE

23. Dalla generazione alla ricostruzione adattamento al protocollo di LesHouches -> prima utente (validazione) PHASE generazione di eventi non pesati file ascii con i quadrimomenti delle particelle interfaccia diretta phase-pythia il programma di ricostruzione diventera’ un esempio ufficiale nella prossima release di FAMOS CMKIN adronizzazione con PYTHIA ntuple HEP101 software CMS simulazione del rivelatore e ricostruzione degli eventi FAMOS ROOTTree Generazione fondi riducibili con PYTHIA, ALPGEN e MADEVENT ROOT analisi

24. FAst MOntecarlo Simulation parametrizzazione del detector dal fit della simulazione completa (OSCAR+ORCA) Simulazione veloce <= FAMOS_1_2_0 : simulazioni ancora mancantiper questa analisi -interazione con materiale non ancora perfettamente parametrizzata layer per layer • tracker efficienza algoritmo di B-tagging comunque ben simulata -manca la calibrazione dei jet per l’algoritmo KT (clustering) algoritmo a cono • calorimetria -le correzioni per l’energia mancante sono ottimizzate solo per jet di bassa energia scarsa risoluzione sulle variabili cinematiche del neutrino -non simulati bremsstralhung e shower, no depositi nel calorimetro la simulazione dell’efficienza di ricostruzione e della risoluzione risultano piu’ che accettabili • tracciatore di muoni -manca l’algoritmo di isolamento possibile ottimizzazione ulteriore nella ricostruzione della topologia di segnale NO PILE-UP !!

25. n q tag W m V p q p q V q V alta pseudorapidità 2 jet tag alte energia e massa invariante q tag q’ 2 jet dal bosone vettore massa invariante ~ mV bassa pseudorapidita’ DR limitato bassa pseudorapidita’ ET ~ mW/2 (ricostruita) muone energia mancante pT ~ mV/2 EZ calcolata imponendo M(mn)=mW Topologia di segnale TRIGGER !! I seguenti studi di ricostruzione della topologia di segnale sono stati realizzati con un campione di eventi senza Higgs.

26. Muone e neutrino: risoluzione Si sceglie il muone con massimo pT nell’evento Imponendo si ottiene una equazione di secondo grado in pnz -> si sceglie la soluzione maggiore in caso di assenza di soluzioni complesse se ne prende la parte reale

27. pWt ricostruito – pWt generato pWt generato hW ricostruito – hW generato hW generato W leptonico: risoluzione efficienza pmT > 20 GeV 81% pnT > 20 GeV 80% entrambi 73%

28. MV ricostruita – MVgenerata MV generata DR(j,q) < 1 4 jets con pjt > 30 GeV Jet: risoluzione Algoritmi di ricostruzione: massimizzazione dell’energia contenuta in un cono di dimensione fissata IterativeConeAlgorithm MiddlePointConeAlgorithm algo a “clusthering”: i singoli segnali calorimetrici sono associati ai jet a seconda del loro momento trasverso rispetto alla direzione dei jet stessi KTAlgorithm RParameter DCut NJet Calibrazione con eventi f f/g -> g/f + g -> jet + g Matching con i quark generati: per eliminare jet soffici da pile-up e rimasugli del protone

29. hj1×hj2 < 0 40 % |hj1-hj2| > 2 42 % |hj1|>1.5 || |hj2| > 1.5 58 % Ej1,Ej2 > 100 GeV 56 % jet dal bosone e jet tag(pT>30 GeV) Il bosone adronico viene ricostruito con 2 jets con 50<M(j,j)<125 (GeV) |hj1|,|hj2| < 3 (hV minimo) |hj1-hj2| < 2 (hV minimo) 1 jets con 50<M(j)<125 (GeV) hj < 3 efficienza:71%+4%=75% Per identificare i 2 jet tag sono state esaminate diverse possibilita’ si e’ inoltre verificato che identificare i 2 jet tag prima di ricostruire il bosone da’ un efficienza inferiore La scelta andra’ ottimizzata considerando la purezza ottenuta una volta inseriti tutti i fondi

30. Fondo irriducibile: top f f’ m(Wb) = mtop W b-tagging t b Fra tutti i jet rimasti dopo aver ricostruito il bosone si sceglie quello con massima variabile di b-tagging accettanza algoritmo di b-tagging (|h|<3) se P(b-tag) >1 100<M(jWl) || M(jVh)<300 (GeV) altrove 100<M(jWl) || M(jVh)<300 (GeV) per tutti i jet (pt>30 GeV) considerati tutti i tagli 90% top dal fondo irriducibile segnale 30%

31. Fondi previsti top singolo e doppio • fondo irriducibile O(aEW6) PHASE VW+qq PYTHIA O(aQCD4 aEW2) • t t -> W+bW-b -> 1m + X • VW+j j -> j j qqmn O(aQCD2aEW4) MADGRAPH (no jet pesanti) O(aQCD4 aEW2) • V+j j j j -> j j j j mn ALPGEN O(aQCD2aEW2) MADGRAPH • V+j j -> j j mn in un ambiente adronico si hanno sempre jet aggiuntivi dai resti dei protoni e dal pile-up • da precedenti studi e’ stato appurato che singolo bosone e singolo top O(aEW4) non sono fondi problematici per il canale in esame studio e ottimizzazione di tagli contro questi fondi

32. 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 ...