Anno Accademico 2016-2017 b - Francesco Spanò Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica Università di Roma - La Sapienza - Dipartimento di Fisica
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Quark pesanti:misure di
b
produzione e proprietà con
i rivelatori multiscopo
al Large Hadron Collider
Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica
Università di Roma - La Sapienza
Anno Accademico 2016-2017
• Francesco Spanò
francesco.spano@cern.ch
1Perchè studiare i quark “pesanti” = grande massa?
v ~246 GeV
mt,b =yt,b v/√2 massima
• b & top:
quarks con yt~1 connessione
mHiggs~ 2yHv
massa con bosone di
maggiore. Higgs
top:massim
a massa. mtop~170 GeV È l’Higgs del modello standard?
yt e yb sono misure cruciali
top
bottom=b
Ai limiti della fisica
mb~4.2 GeV
fondamentale : più
il perchè della gerarchia delle masse è ancora un mistero attuale che mai
• Se Λ è la scala energetica a cui nuova fisica appare, mHiggs ha correzioni in funzione di Λ
mHiggs2 = mH0 2 + δmH2 (Λ/10 TeV)2 + ?
δmH risulta dominata da contributi di top quark mtop
Λ è ignoto. Se Λ >> TeV, δmH >> mHiggs. Cosa compensi δmH è ancora un mistero.
Ipotesi suggestiva: ∃ nuove particelle (top partners)
ricerca in
con correzioni opposte a quelle del top che
decadono come top o in top. Non trovati (ancora?) misure di top
francesco.spano@cern.ch Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHC Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017 2Perchè studiare i quark “pesanti” = grande massa?
• Studio di proprietà, produzione e decadimento di quarks top e b, soprattutto
differenziali = in funzione di variabili cinematiche (ad es. mtt, mbb)
Chapter 8. Physics of Top Quarks
W~mediatore debole g~mediatore forte standard per
f calibrazione/
analisi di precisione delle messa a punto di
interazioni forte & rivelatore multi-
- elettrodebole scopo
f
f={t,b}
informazioni su composizione Alle fondamenta di modello standard e delle
del protone (gluoni) tecniche di misura
channels of single top production.
LHC: collisioni protone-protone a 13 TeV nel centro di massa (√s)
s indicated in the Table 8.16. The hard
frequenza di tt (t) (b) a regime (L= 1034 cm-2 s-1 )
were passed to PYTHIA 6.227 [24] for show-
icles. The tt and W + jets background
on. All simulations were done with Mt = ~8.3 (~3) al secondo “heavy quark
√s =13 TeV
nsiderations of the spin correlations, and
factory”
the signal and background =14 TeV
√sprocess cross
Table 8.16. Both the full simulation chain
~9 (~3) (~4 106) al secondo
AMOS [11]) were used.
ing • 13 TeV: produzione di top e b-quarks e ricerca di “top partners” in
√sand= kinematic cuts) and genera-
ratio
nuovo regime cinematico inesplorato! (precedenti collisioni a 8 TeV)
= e, µ, ⇧ ). Different generator-level cuts
• ttH e H+X→bb+X : da misurare direttamente!
cess ⌅⇥BR, pbQuarks
francesco.spano@cern.ch generator
pesanti con rivelatori multiscopo a LHC Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017 3Cosa offre/fornisce questo corso?
~20-22 ore di lezione
• Analisi di misure di proprietà, produzione e decadimento di
quarks top e b. Coprono (quasi) tutti i tipi di misure
caratteristiche che si compiono in fisica delle particelle
elementari agli acceleratori: dalle misure di precisione alle
ricerche di nuova fisica
• Studiare i quark pesanti fornisce quindi un doppio vantaggio:
‣ permette di studiare esempi di tutte le principali tecniche di analisi
della fisica delle particelle e fornisce strumenti critici e spunti per
analizzare altre misure
‣ permette di avere una panoramica vasta (fatta per differenza) su
(quasi) tutta la fisica delle particelle fattibile agli acceleratori
francesco.spano@cern.ch Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHC Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017 4Cosa vi chiede questo corso?
A lezione
• Presenza e partecipazione attiva: atmosfera informale, tempo per
domande e discussioni/connessioni è cruciale.
‣ Apprendimento come percorso comune di scambio e
riflessione.
• Preparare
‣ breve sommario di concetti principali e di punti non chiari: mini-lista da
consegnare a fine di ogni lezione
Fuori lezione
• Interazione con docente e/o altri colleghi
❖discussioni con docente per approfondimenti/chiarimenti/dubbi su articoli/
materiale di lezione
❖Possibilità (a seconda di interesse/dimensione di classe): formazione di piccoli
gruppi di colleghi interessati a discussioni tematiche su articoli (stile “journal club”)
• Colloquio/esame finale: orale
‣ analisi di (almeno) 3 articoli a scelta in una delle 5 sezioni topiche del programma
(almeno uno su b-quark)
‣ discussione e connessione con le sezioni generali
francesco.spano@cern.ch Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHC Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017 5Quark pesanti:misure di produzione e proprietà con i rivelatori
Programma (I) multiscopo al Large Hadron Collider
Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica, Università “La Sapienza” di Roma - A.A. 2016-2017 (22 ore di insegnamento totali)
Docente: Francesco Spanò (Royal Holloway, University of London)
Pre-requisiti Laurea in Fisica, Esami di Fisica teorica e fisica subnucleare di livello magistrale, basi
di tecniche di rivelazione per le alte energie (per esempio: Laboratorio di fisica subnu-
cleare).
Obiettivi formativi
• Conoscenze: conoscere le proprietà dei quark pesanti prodotti in collisioni adroniche,
le misure che le caratterizzano e le tecniche ad esse associate e le problematiche aperte
con gli ultimi dati raccolti ad LHC.
• Abilità: saper descrivere i passi tipici per la misura di una proprietà dei quark pesanti;
saper riconoscere gli oggetti da misurare e i sotto-rivelatori in gioco per diverse mis-
ure coinvolgenti top e b-quarks; saper suggerire tecniche per le misure da effettuare
scegliendo fra quelle già in uso.
• Competenze: essere in grado di analizzare una misura sulle proprietà dei quark pe-
santi in maniera critica in termini di incertezze, tecniche adottate, loro limitazioni e
possibili sviluppi.
Programma
Sezione Generale
1 : Motivazione, 1. Introduzione ai quark pesanti (“bottom” e “top”)
strumenti di • Modello Standard e questioni aperte. “Top”- e “bottom”-quarks: perchè?
misura, oggetti di • scoperta del b-quark
• scoperta del top-quark
stato finale
2. Il Large Hadron Collider: produttore di top e b-quarks. ATLAS e CMS: gli “osser-
vatori”
• Caratteristiche di base di LHC
• ATLAS and CMS: rivelatori multi-scopo, caratteristiche e sottorivelatori a confronto
Sezione Generale
2: il b -quark + 3. Produzione di b-quarks in collisioni adroniche
oggetti per stati 4. Misure di oggetti nello stato finale (parte 1): getti ad LHC
finali + stima di • getti ad ATLAS e CMS
fondi • tecniche di calibrazione e incertezze (anche specifiche per b- e top-quark)
• Identificazione dei b-getti in ATLAS e CMS: b-tagging
5. Produzione inclusiva di b-quark nel Run1 di LHC
• misure di sezioni d’urto inclusive e differenziali di produzione di getti da b-quark e di
coppie di getti bb
• tecniche di deconvoluzione di effetti di rivelatore: cenni di base.
• misure di sezioni d’urto di produzione di Z ! bb
6. Misure di oggetti nello stato finale (parte 2):leptoni ed energia trasversa mancante ad
LHC
• leptoni in ATLAS e CMS: elettroni, muoni
• energia trasversa mancante in ATLAS e CMS
7. Produzione associata di b-quarks e bosoni (W,Z) nel Run1 di LHC
• sezioni d’urto inclusive e differenziali di produzione di W+b-getti
francesco.spano@cern.ch Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHC Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017 6Sezione topica 1:
Programma (II) produzione di top
quark e stime di
8. Produzione di top quarks a LHC
• produzione di coppie di top quarks (tt)
• produzione di top quark singolo
fondi
• connessioni con predizioni di precisione (NNLO/NLO) e nuovi sviluppi teorici (WbWb,
“matching and merging”)
• Decadimenti del top quark: stati finali per coppie di top e top singoli
9. Fondi alla produzione di top quarks: tecniche di stima e incertezze associate
• W/Z+getti
• falsi leptoni
• multi-getti
• Z+getti e coppie di bosoni
• tt e top singolo: fondo l’uno all’altro
• Richiami su fondamenti di incertezze sistematiche
Sezione topica 2:
misure di sezione 10. Misure di precisione della produzione di top quarks a LHC
d’urto di pro- • produzione di tt
duzione di top • produzione di top singolo
• misure di Vtb
quark
• risultati combinati
11. Produzione di Top quarks: misure differenziali
• sezioni d’urto di produzione tt differenziali in variabili cinematiche, molteplicità dei getti,
attività adronica
• sezioni d’urto di produzione di top singolo differenziali in variabili cinematiche
• il futuro è “boosted” (parte 1):
– l’emergenza dei top quarks ad altissimo impulso trasverso
– riconoscimento di getti da top quark: tecniche basate su sottostruttura dei getti
– misure di sezioni d’urto differenziali tt ad altissimi impulsi trasversi
– richiami su deconvoluzione di effeti di rivelatore: unfolding
• confronto con lo stato dell’arte delle predizioni (generatori di eventi NLO e calcoli a
NNLO)
Sezione topica 3:
misura della massa 12. La massa del top quark
del top quark • il significato della massa del top: ambiguità e incertezze intrinseche.
• massa del top quark e stabilità del vuoto
• tecniche per la misura della massa del top quark
13. Misura massa del top quark a LHC (e Tevatron)
• misure “standard” di massa del top quark a ATLAS e CMS
• risultati combinati LHC-Tevatron
• misure “alternative” di massa del top quark a ATLAS e CMS
Sezione topica 4:
misura delle altre 14. Misure di altre proprietà del top quark (oltre alla massa)
proprietà del top • carica elettrica
quark • spin del top quark: elicità del bosone W in decadimenti di top quarks
• correlazioni fra spin nella produzione di tt
• accoppiamenti top+X (W/Z)
• asimmetria di carica nella produzione di tt
Sezione topica 5:
Top quark e bosone 15. Il top quark e il bosone di Higgs
di Higgs • importanze dell’accoppiamento di Yukawa tra il top quark e l’Higgs
• ricerca della produzione associata a ATLAS e CMS: ttH
francesco.spano@cern.ch Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHC Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017 7Programma (III) 3
Sezione topica 6:
top quark e nuova 16. Il top quark come finestra su fisica oltre il modello standard: nuova fisica in pro-
fisica; prospettive duzione del top quark (top “partners”)
per il Run2 di LHC 17. Il futuro è “boosted” (parte 2): top quarks ad altissimi impulsi trasversi
• riconoscimento “avanzato” di getti da top quark: i top taggers
• ricerche di top quarks ad altissimi impulsi trasversi : vector-like top “partners” e risonanze
tt
18. Nuove direzioni di ricerca in eventi con top quarks: fit di teorie effettive, nuove
particelle “leggere”, materia oscura
19. Prospettive per il Run2 di LHC
• Prospettive per LHC
• Prospettive per il rivelatori
• Prospettive sulle misure degli oggeti di stato finale
• Prospettive sulle misure di sezioni d’urto di produzione di top quark
• Prospettive per la misura della mass del top quark
• Prospettive per l’osservazione di tt+ Higgs
• Prospettive per ricerche di nuova fisica con i top quarks
Bibliografia Con- Testo con strumenti di base: QCD & Collider Physics (Cambridge Monographs on Par-
sigliata ticle Physics, Nuclear Physics and Cosmology) Paperback, Cambridge University Press
- Chapter 10. Heavy quarks;
Articoli di Revisione/Riferimento di base:
1. S. Frixione, M. L. Mangano, P. Nason and G. Ridolfi, “Heavy quark production,”
Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 15, 609 (1998) [hep-ph/9702287].
2. M. L. Mangano, “Two lectures on heavy quark production in hadronic collisions,” In
*Varenna 1997, Heavy flavour physics* 95-137 [hep-ph/9711337].
3. A. Quadt, “Top quark physics at hadron colliders”, Eur. Phys. J. C 48, 8351000
(2006) DOI 10.1140/epjc/s2006-02631-6
4. J. H. Kuhn, “Theory of top quark production and decay”, In *Stanford 1995, The
top quark and the electroweak interaction* 1-64 [hep-ph/9707321].
5. S. Willenbrock, “The Standard model and the top quark,” NATO Sci. Ser. II 123
(2003) 1 [hep-ph/0211067].
6. Chris Quigg, Top-ophilia, FERMILAB-FN-0818-T
Articoli con risultati aggiornati saranno indicati a lezione sulle singole “slides” per ogni
argomento.
francesco.spano@cern.ch Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHC Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017 8Puoi anche leggere
