Universit degli Studi di Genova ATLAS Dottorato di

Università degli Studi di Genova ATLAS Dottorato di Ricerca in Fisica XIV Ciclo Fabrizio Ferro Reconstruction of primary and decay vertices in the ATLAS experiment at LHC and study of the A channel Tutore: Prof. ssa Bianca Osculati 14 -2 -2003 Tutore esterno: Dott. ssa Donatella Cavalli Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 1

Profilo ATLAS • LHC e l’esperimento ATLAS • Software offline: scrittura di un package di vertice • Test dello strumento introdotto e suo utilizzo nella identificazione di • Analisi del canale A (A bosone di Higgs supersimmetrico CP-odd) • Conclusioni 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 2

LHC ATLAS LHC: LHC Large Hadron Collider Attualmente in costruzione al CERN e previsto operativo per l’anno 2007. Collider protone-protone a 14 Te. V di energia nominale nel centro di massa. Luminosità prevista: 2· 1033 – 1034 cm-2 s-1 Fasci strutturati in bunches che collidono con la frequenza di 40 MHz. Magneti superconduttori da oltre 8 T. Dimensione trasversa del fascio: 22 m. 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 3

LHC 5 esperimenti previsti ATLAS ALICE: ALICE ioni pesanti ATLAS e CMS: CMS Higgs e supersimmetria (principalmente) LHCb: LHCb fisica del b TOTEM: TOTEM sezione d’urto totale ed elastica 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 4

L’esperimento ATLAS ad LHC ATLAS 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 5

L’Inner Detector ATLAS L’ID è indispensabile per un efficace tracciamento e per ottimizzare la misura del momento delle particelle e della risoluzione dei vertici primari e secondari. L’ID è costituito dal Pixel Detector, Detector dal Silicon Tracker e dal Transition Radiation Tracker 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 6

Il Pixel Detector ATLAS Fornisce un’elevata granularità in prossimità del vertice di interazione: circa 1700 moduli da 320 x 144 pixels (50 x 400 m 2) forniscono una risoluzione spaziale di 13 e 65 m nelle due direzioni ortogonali. Nota: la configurazione iniziale prevede 2 dischi e 2 cilindri 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 7

Il software di ATLAS è organizzato in packages gestiti da CVS e scritti in linguaggio Object Oriented (C++). Gli algoritmi sono creati in modo da essere eseguiti nell’ambito di un framework sviluppato dalla collaborazione: Athena. 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 8

Il package Vertexing Nell’ambito del lavoro di tesi è stato sviluppato un package per la ATLAS ricostruzione dei vertici primari e secondari che è stato inserito nel software ufficiale per la ricostruzione degli eventi in ATLAS. Gli algoritmi ricevono in ingresso le tracce ricostruite e forniscono in uscita la posizione dei vertici ricostruiti. Il package fornisce un’interfaccia Object Oriented per il fit di vertici, che viene eseguito da un programma di libreria scritto (in Fortran) dalla collaborazione CDF. Di implementazione originale è invece l’iterazione con la quale possono venire eliminate le tracce che forniscono il contributo di 2 maggiore al c 2 globale del vertice. 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 9

Il package Vertexing ATLAS 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 10

Il package Vertexing ATLAS Nel package sono contenuti algoritmi che esemplificano l’uso dell’interfaccia per • ricostruire il vertice primario • ricostruire vertici secondari con tracce individuate tramite un seed • ricostruire vertici secondari con tracce fornite dall’utente 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 11

Tests del Vertexing ATLAS Risoluzione sul vertice primario in eventi Higgs SM (H bb m. H=100 Ge. V): x= y = 24 m z = 48 m Risoluzione sui vertici secondari prodotti da B x= 3. 2 mm y = 4. 1 mm z = 5. 6 mm 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 12

Tests del Vertexing ATLAS Risoluzione in eventi A in direzione parallela e trasversa rispetto al jet adronico. Risoluzione trasversa 14 -2 -2003 Risoluzione parallela Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 13

Tests del Vertexing ATLAS Una stima approssimativa del mean path per un campione di B e per un campione di leptoni è stata eseguita come esercizio dimostrativo. Nessuna accettanza è stata stimata. gc ~ 4. 3 mm <p. B>=50 Ge. V/c 14 -2 -2003 gc ~ 20 mm <p >=400 Ge. V/c Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 14

MSSM • Il Modello Supersimmetrico Minimale è la minima estensione ATLAS supersimmetrica del Modello Standard • Il MSSM prevede l’introduzione di un partner supersimmetrico per ogni particella standard • Nel settore dell’Higgs sono presenti due doppietti che corrispondono a 5 stati fisici: h, H, A, H+ e H– (H è CPeven mentre A è CP-odd) • tanb = v 2/v 1 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 15

Higgs nel MSSM 5 bosoni di Higgs: h, H, A, H+ e H– ATLAS mh > 91. 0 Ge. V mh(SM) > 114. 4 Ge. V m. H > 78. 6 Ge. V m. A > 91. 9 Ge. V 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 16

Ricerca del bosone A ad LHC ATLAS Prodotto tramite gg fusion. Produzione associata: predomina ad alti tanb 14 -2 -2003 Produzione diretta: predomina a bassi tanb Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 17

Bosone A: decadimenti ATLAS • no decadimenti ZZ, WW, hh • basso tanb: tt domina oltre la soglia cinematica, Zh e a basse masse • alto tanb: bb domina (tt soppresso) e contribuisce per ~10% 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 18

Il canale A ATLAS 3 topologie possibili • leptone-leptone BR ~ 6. 3 % • leptone-adroni BR ~ 46% • adroni-adroni BR ~ 41% canale studiato 14 -2 -2003 Punto di lavoro: m. A= 800 Ge. V tanb = 40 Solo produzione associata Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 19

Produzione 1. Generazione (CERN) 25000 eventi di segnale ATLAS 150000 eventi QCD (tre diversi tagli sul p. T minimo: 50, 100, 200 Ge. V) 100000 eventi tt fondi irriducibili 100000 eventi W+jet 100000 eventi Z+jet 800 Gb 25000 ore CPU PIII 1. 4 GHz 2. Filtro particle level: | |<2. 7 e almeno un partone con p. T>17 Ge. V 3. Produzione: tracciamento degli eventi filtrati tramite geant 3 nel rivelatore): (CNAF, Genova) Eventi non sufficienti per stimare il rapporto segnale/rumore. Verrà stimata l’efficienza e un limite inferiore sulla jet-rejection. Si testerà l’algoritmo di t-tagging. 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 20

-tagging (adronico) ATLAS Due strategie per il riconoscimeto di 1 -prong (BR=48. 7%) e 3 -prong (BR=15. 2%) Ricostruzione dei jets nell’evento • Calorimetria: REM < 0. 12 (raggio del • Ricostruzione 1 -prong fallita • Calorimetria: REM < 0. 12 jet calcolato nel calorimetro elettro • Isolamento debole: 1 traccia isolata magnetico) vicina all’asse del jet con p. T>40 Ge. V, ma • Isolamento forte: 1 traccia isolata vicina all’asse del jet con p. T>40 Ge. V permesse altre 2 tracce entro DR<0. 03 • Vertice secondario ricostruito: 4 tagli 0. 03 alternativi sulle informazioni provenienti dal fit di vertice combinati con tagli cinematici 0. 4 14 -2 -2003 Risoluzione ortogonale all’asse: 51 m Risoluzione parallela all’asse: 2 mm Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 21

Tagli ATLAS • contributo delle tracce al c 2 del vertice secondario minore del contributo al c 2 del vertice al primario • 3 tracce al vertice • p. T 3 > 7 Ge. V • 3 tracce al vertice • p. T 2 > 40 Ge. V • drf 12 > 0. 4 cm (distanza sul • 3 tracce al vertice • p. T 1 > 50 Ge. V • p. T 2 > 25 Ge. V • 2 tracce al vertice • p. T 1 > 50 Ge. V • p. T 2 > 35 Ge. V piano rf tra i vertici primario e secondario) 14 -2 -2003 piano rf tra i vertici primario e secondario) Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 22

-tagging: risultati Efficienza relativa al canale 3 -prong: 44. 1% ATLAS 1 -prong: 34. 4% Efficienza complessiva 1 -prong: 26. 8% 3 -prong: 9. 8% 36. 6% Reiezione dei jet QCD (p. T>50 Ge. V): >3. 7 103 QCD (p. T>100 Ge. V): 3 103 QCD (p. T>200 Ge. V): 103 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 23

Analisi A ATLAS Selezione: 1. 2 -jets riconosciuti: contrasta (nel nostro caso elimina) i fondi QCD e W+jet 2. nessun elettrone o muone con p. T>10 Ge. V (solo eventi adronici nel segnale) 3. non più di 4 jets con p. T>20 Ge. V e | | < 3. 2 (per contrastare il fondo tt) 4. almeno 1 jet b-tagged (segnale bb. A) 5. energia mancante ETmiss>65 Ge. V 6. Df tra i candidati : 145° < Df < 172° (per contrastare i fondi QCD e Z+jet) 7. massa trasversa m. T < 50 Ge. V (per contrastare i fondi W+jet) 8. massa ricostruita del bosone A secondo e m. A-1. 5 < m. A+1. 5 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 24

Variabili notevoli (segnale) ATLAS 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 25

Risultati ATLAS Efficienza 0. 5% Nessun evento di fondo • Statistica insufficiente per trarre delle conclusioni (nonostante lo sforzo di calcolo), a causa della sezione d’urto dei fondi rispetto al segnale. • Risultati promettenti. 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 26

Conclusioni • Il lavoro di implementazione nell’ambito del software offline di ATLAS ha portato alla creazione di un package di vertice (Vertexing) Vertexing dalle buone prestazioni. • Lo strumento è stato utilizzato per realizzare un algoritmo di identificazione di a 3 -prong che ha portato un contributo (aggiuntivo rispetto all’identificazione 1 -prong già esistente) di ~10% in efficienza. • Il canale A (m. A = 800 Ge. V e tanb = 40) è stato studiato sulla base di precedenti lavori, implementando l’identificazione dei . Un’elevata quantità di dati simulati è stata prodotta. • I risultati, risultati sia pur non conclusivi a causa della statistica insufficiente, sono promettenti 14 -2 -2003 Fabrizio Ferro – Tesi di Dottorato 27