LHCb Large Hadron Collider beauty - CERN Indico
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LHCb
Large Hadron Collider beauty
experiment
http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/
Nato per esplorare la fisica del quark b è diventato un esperimento ad ampio spettro che
include studi sul quark charm, fisica elettrodebole, QCD, Heavy Ions, etc.
Scopo principale di LHCb : ricerca
di fisica oltre il Modello Standard
da misure di alta precisione e
ricerca di eventi rari.
Collaborazione internazionale: 90 Università e laboratori da 19 nazioni, circa 1500 membri.
Il gruppo di LHCb Bicocca, partecipa ad LHCb dagli inizi dell’esperimento.
Sito web Bicocca: https://sites.google.com/unimib.it/lhcbbicocca
5/21/21 M. Calvi, LHCb thesis 1
Il Modello Standard
• Il Modello Standard: fornisce un’ottima descrizione di grande parte dei
fenomeni osservati fino ad ora in fisica delle particelle, ma lascia anche
tante domande aperte: asimmetria materia-antimateria, materia
oscura, esistenza 3 generazioni e gerarchia delle masse di quarks e
leptoni, ...
Per andare oltre due strade percorribili
• Test di consistenza del MS • Ricerca di violazioni rispetto le
con misure di alta precisione assunzioni del MS in termini di
dei suoi parametri simmetrie e leggi di conservazione,
osservazione di eventi rari
LHCb sta lavorando in queste direzioni.
5/21/21 M. Calvi, LHCb thesis 2
Test del MS da misure di precisione
• Triangolo di unitarietà: raccoglie in un solo piano molteplici misure dei
parametri della matrice CKM
g
Dmd, Dms
LHCb fornisce le
Vub/Vcb
misure più
aggiornate, e in
molti casi le più sin2b
Vcb
precise, di lati ed
angoli
• Spettacolare concordanza di tutte le misure: successo del MS.
• Ma ancora possibile evidenziare discrepanze, che suggeriscano contributi di
nuova fisica, con nuove misure più precise e in diversi modi di decadimento dei B.
5/21/21 M. Calvi, LHCb thesis 3
Dms
Dms = 17.7666 ± 0.0057 ps-1
Nature Physics 2021
B0sàK-µ+nµ (bàu) B0sàDs-µ+nµ (bàc)
|Vub|/|Vcb|
PRL 126(2021)081804
Prima misura di Vub
ad un collider adronico.
Dati Run1.
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Violazione della
simmetria di CP LHC
• Il MS prevede l’esistenza della
violazione di CP, ma in quantità
troppo piccola per spiegare
l’asimmetria materia-antimateria
dell’Universo. Si deve cercare ancora.
• LHCb ha osservato diverse
manifestazioni di CPV nel settore dei
quarks beauty e charm.
5
5/21/21
M. Calvi, LHCb thesis
44 M 14 M
Osservazione di CPV diretta
(5.3 s ) nel charm
PRL 122(2019)211803
D0àKK e D0à pp, rispetto
D0àKK e D0à pp
• Manca ancora all’appello l’osservazione di CPV indotta dal mixing nel charm.
• Il MS prevede asimmetrie O(10-4), O(10-5)
Promettenti i decadimenti a molti corpi, come D0àK-p+p-p+, D0àKSp+p-, D0àKSK+K-
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Universalità leptonica
e-, µ-, t-
Il MS prevede identici accoppiamenti elettrodeboli
W- ne, nµ, nt alle diverse famiglie di leptoni.
Recentemente sono state osservate alcune
deviazioni dal MS nei decadimenti bàs l+l-
nei rapporti tra i branching ratios in muoni ed
elettroni, e in variabili angolari: “b anomalies” .
B+àK+e+e- B+àK+µ+µ-
Nature Physics 2021
tensione con MS a 3.1 s RK
• Deviazioni dalla LU osservate da diversi esperimenti anche nei decadimenti
bàc l n, nei rapporti tra leptoni t e leptoni µ (vedi talk S.Meloni).
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LHCb Upgrades
• Nel 2022 LHCb ripartirà con un rivelatore completamente rinnovato.
• Supererà il limite attuale di run a luminosità livellata a 4x 1032 cm-2s-1
• Potrà sostenere una luminosità instantanea 5 volte maggiore e raccogliere
50 fb-1 di dati nel Run3+4
New silicon New optics, new
pixel detector photon detectors New electronics • Tutto il rivelatore verrà
letto a 40 MHz e gli eventi
di interesse verranno
selezionati online
ànuovo Trigger
p p • Maggior risoluzione
spaziale per diminuire
l’occupanza (più tracce)
nel rivelatore
• Nuovi rivelatori in grado
di resistere maggiormente
New silicon New scintillating
New electronics
alla radiazione
strip detector fiber detector
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LHCb Upgrades
L=4x1032cm-2s-1 L=2x1033cm-2s-1 L=1.5x1034cm-2s-1
2022-2024 2027-2030 2032-2034 2036….
Attività per upgrade in Bicocca:
• Studi software per la ricostruzione e il trigger al Run 3.
• Sviluppo di rivelatori di nuova generazione per Upgrade 2: rendere possibile
la presa dati ad una luminosità istantanea O(1034)
• Introduzione di coordinata temporale per rivelatori 4D
• Fotorivelatori ed elettronica associata per il RICH
• Nuovo Calorimetro Elettromagnetico
àpartecipazione a test su fascio di prototipi (Cern)
• Nuova concezione di trigger dell’evento
àDeep Machine Learning
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Proposte di Tesi
Descrizione completa e aggiornamenti
sul sito del gruppo LHCb Bicocca
https://sites.google.com/unimib.it/lhcbbicocca/
Attività con analisi dei dati
(Referenti: M. Calvi, S.Capelli, D.Fazzini, M. Martinelli, S. Meloni, J. Garcia Pardiñas, E.Shields)
• Test di universalità leptonica nei decadimenti semileptonici dei mesoni B con muoni e tauoni
(uso di nuove variabili e analisi angolare)
• Misura dell’ elemento di matrice Vub dal decadimento B⁰s→ Kμν
(dati del Run2 per misura della decay rate differenziale) Collaborazione con Sorbonne Univ., Parigi
• Misura di mixing e violazione di CP in decadimenti a molti corpi del D⁰
(dati del Run2 per nuova misura con D0 →Kppp o D0 →KSpp, D0 →Kpp0)
• Ricerca di mixing e violazione di CP nei decadimenti semileptonici D0 → Kμν
(prima misura ad LHCb)
5/21/21 M. Calvi, LHCb thesis 10Attività con sviluppo di ML avanzato
(Referenti: M. Calvi, S. Meloni, J. Garcia Pardiñas)
• Deep-learning algorithms for particle clustering at LHCb
(Uso di GNN e/o RL per la ricostruzione globale dell’evento - DFEI project)
Attività su rivelatori
(Referenti: L. Martinazzoli, M. Pizzichemi)
• Sviluppo del Calorimetro Elettromagnetico verso l’Upgrade II di LHCb
(sviluppo di moduli di SPACAL, studio della loro performance
e ottimizzazione del loro design, test su fascio presso SPS al CERN,
simulazioni Monte Carlo)
Attività in laboratorio
(Referenti: M. Calvi, P. Carniti, C.Gotti, G.Pessina)
• Studio della risoluzione temporale di fotorivelatori Multi Channel Plate e SiPM in regime di
singolo fotone per applicazioni nell’Upgrade2 di LHCb e in futuri rivelatori Cherenkov.
Per domande e informazioni contattate:
marta.calvi@unimib.it, maurizio.martinelli@unimib.it
5/21/21 M. Calvi, LHCb thesis 11Milano Bicocca University ANALISI DATI ALL’ESPERIMENTO LHCB May 21, 2021 Simone Meloni
Analisi dati ad LHCb
• L’obiettivo è analizzare la grande mole di dati
raccolti dall’esperimento, alla ricerca di deviazioni
dalle previsioni del Modello Standard
• Il MS è una delle teorie più testate ai giorni d’oggi.
Deviazioni, se presenti, sono difficili da trovare.
I Analisi di decadimenti rari
I Analisi di precisione
Analisi di precisione ad LHCb
• Vorrei darvi un’idea di cosa vuol dire
• Visione molto distorta dal mio interesse e la mia linea di ricerca: Ricerca di violazione di universalità
leptonica
• Molte altre linee di ricerca nel nostro gruppo, come già introdotto in precedenza
Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 2/8Universalità leptonica in b → c`ν
• Nel Modello Standard sono presenti tre famiglie • Tensione rispetto alle previsioni del Modello
leptoniche Standard
• Solo differenze in massa, interazioni con le altre • Necessarie nuove misure di R(D) da collisori
particelle universali adronici
• Il nostro gruppo è fortemente coinvolto in analisi
per testare universalità leptonica in decadimenti
semileptonici (corrente carica)
B(B → D (∗,+) τ ν)
R(D (∗,+) ) =
B(B → D (∗,+) µν)
Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 3/8Universalità leptonica in b → c`ν
• Nel Modello Standard sono presenti tre famiglie • Tensione rispetto alle previsioni del Modello
Ricorda qualcosa?
leptoniche Standard
• Osservabile analoga a quella che ha dominato le testate giornalistiche i mesi scorsi, R(K )
• Solo differenze in massa, interazioni con le altre • Necessarie nuove misure di R(D) da collisori
particelle universali adronici
• R(D ∗ )
Decadimento in corrente carica: W → `ν
I
Molti eventi, molti fondi, neutrini nell’evento
I
• Il nostro gruppo è fortemente
I Tensione a 3σ coinvolto in analisi
per testare universalità
• R(K ) leptonica in decadimenti
semileptonici (corrente carica)
I Decadimento in corrente neutra: Z → ``
I Molto raro (procede al secondo ordine perturbativo), ma molto pulito
I Tensione a 4.2σ (∗,+)
(∗,+) B(B → D τ ν)
R(D )=
B(B → D (∗,+) µν)
Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 3/8R(D) a LHCb
• Come si effettua l’analisi?
1 Selezione degli eventi in cui sono presenti una
coppia Dµ, con certe caratteristiche (alto pT ,
vertice displaced rispetto al PV, buona qualità del
vertice)
2 Studio e sviluppo di simulazioni MC per stimare la
forma dei fondi e del segnale
3 Confronto dei dati con un fit per determinare il
numero di eventi di segnale
• Misura molto complessa, a causa della difficile
separazione dai fondi
I Neutrini nello stato finale, spettri continui
I B dei fondi molto alti
Per effettuare un’analisi di precisione di questo tipo è fondamentale:
• Teoria: conoscere con alta precisione il processo di decadimento sotto analisi
• Esperimento: ridurre il più possibile il livello di fondo e controllare molto bene quello che rimane
Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 4/8Fattori di forma e analisi angolari
• Il nostro gruppo ha collaborato strettamente con un gruppo di
fenomenologia, responsabile del tool Hammer.
• Abbiamo sviluppato un’interfaccia di questo pacchetto con il software di
analisi di LHCb (arXiv:2007.12605)
• Adesso è possibile misurare i parametri del modello teorico di
decadimento, direttamente dai dati.
Prossimi passi
• Questa interfaccia è già utilizzata per stimare le incertezze • Esempio: Analisi angolare dei
sistematiche dovute alle interazioni adroniche nel decadimento decadimenti
debole • Misura dei coefficienti di Wilson
X
• Grazie a questa interfaccia sarà possibile effettuare analisi L= ci Oi (1)
in cui vengono misurati, direttamente dai dati, parametri i
legati a possibili effetti di nuova fisica
Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 5/8Soppressione e analisi dei fondi
• Analisi di precisione complesse come questa sono
un esercizio di stima e di controllo dei fondi
• E’ necessario sopprimere i fondi il più possibile,
cercando di mantenere una buona efficienza sul
segnale da studiare
• Studio dei fondi in modo data/driven quando
possibile
Tecniche di analisi
• L’utilizzo di tecniche statistiche e di Machine Learning classico
è molto comune per raggiungere questo scopo
I Variabili di isolamento sulle tracce dell’evento
I BDT/NN per soppressione dei fondi
I Metodi basati su MVA per correzioni alla simulazione
I [. . . ]
Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 6/8DFEI: Deep Full Event Interpretation • Siamo coinvolti anche in linee di ricerca, che sfruttano tecniche di AI di frontiera • Collaborazione con Zurigo, Amsterdam e Bristol • Utilizzo di tecniche di Machine Learning avanzati per la ricostruzione degli eventi. DFEI • Obiettivo: ricostruzione dei decadimenti avvenuti nel rivelatore, a partire dalle singole tracce • Tecniche utilizzate: Neural Networks, Graph Convolutional neural networks, Reinforcement Learning Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 7/8
DFEI: Deep Full Event Interpretation
• Siamo coinvolti anche in linee di ricerca, che sfruttano tecniche di AI di
Ricorda qualcosa?
frontiera
• Tecniche utilizzate in AI di frontiera
• Collaborazione con Zurigo, Amsterdam e Bristol
• Algoritmi che ultimamente hanno raggiunto capcità superumane in giochi complessi
• Utilizzo di tecniche di Machine Learning avanzati per la ricostruzione degli
I Scacchi
eventi. I Go
I Shogi
DFEI
• Obiettivo: ricostruzione dei decadimenti avvenuti nel rivelatore, a partire dalle singole tracce
• Tecniche utilizzate: Neural Networks, Graph Convolutional neural networks, Reinforcement Learning
Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 7/8Se siete interessati
• Non esitate a contattarmi
• s.meloni1@campus.unimib.it
• Solo un piccolo scorcio su cosa vuol dire fare analisi dati nel nostro gruppo. La mia esperienza
I Ampie possibilità di collaborazioni e scambi internazionali (Summer Student, Periodi di exchange, . . . )
I Possibilità di essere introdotti fin da subito a responsabilità d’analisi, anche attraverso corsi introduttivi al
software necessario (StarterKit, ImpactKit, . . . )
I Gruppo molto attivo su molti fronti, con diverse expertise
• Per maggiori informazioni, potete consultare anche il nostro sito web
Simone Meloni (Milano Bicocca University) LFU test at LHCb May 21, 2021 8/8Puoi anche leggere
