Ricerca di fisica oltre il Modello Standard in eventi con energia · 2016. 10. 18. · Introduzione Marco Lavorgna - Laurea Magistrale in Fisica 2 Motivazioni fisiche: modelli di

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

2

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


3

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).

4


nn

DPRMM 12

0~)~

(~

mmm

bt

Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN


5

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


6

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


7

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


8

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


9

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


10

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


11

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


WIMPs prodotta in associazione con coppie bb in processi di canale s.

b-tagging: identificazione dei b-jet


13

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


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


• 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


• 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


17

•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


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


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


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


)()(

)()(),(Im

21

21

21bpbp

bpbpbbb

TT

TT

22

min)()(),(

kikikijjR

Risultati per analisi inclusiva


23

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


24

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


25

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


26

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).


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


Object Definition 30


Definizione delle CR e delle VR 31


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