Multijets studies with the ATLAS experiment at the LHC
Dipartimento
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
SCIENZE FISICHE
Relatori
relatore Prof. Cavasinni, Vincenzo
Parole chiave
ATLAS
multijet
studi
Data inizio appello
20/07/2010
Consultabilità
Non consultabile
Data di rilascio
20/07/2050
Riassunto
LHC è il nuovo acceleratore del CERN di un’energia e intensità mai speri- mentate prima. Scopo di LHC sarà fornire risposte a questioni irrisolte della fisica fondamentale, quali l’esistenza e la massa del bosone di Higgs, l’origine della Materia Oscura e la conferma di teorie di nuova fisica. ATLAS è uno dei 4 esperimenti costruiti lungo il percorso dell’LHC. Si tratta di un esperimento multipurpose, ottimizzato per la ricerca del bosone di Higgs. La ricerca dell’Higgs verrà portata avanti da ATLAS sfruttando tutti i diversi canali di produzione e di decadimento. Il lavoro trattato in questa tesi è in- centrato sull’analisi di eventi di Higgs prodotti attraverso il meccanismo VBF (fusione di bosoni vettori) che decadono in due leptoni τ di carica opposta. Nella fattispecie, verrano analizzati i decadimenti adronici dei τ . Il più importante fondo riducibile per questo canale, oltre a quelli costituiti da ̄ eventi Z + jets, W + jets e tt, comuni anche ai canali leptonici e semileptonici, proviene dagli eventi multijet di QCD. Questo tipo di fondo è di difficile trattazione, per via della sezione d’urto molto elevata e anche molto incerta, soprattutto nello specifico stato finale richiesto dal processo VBF. Difatti, le interazioni forti non godono di una precisa de- scrizione e predizione a livello fenomenologico nella teoria della cromodinamica quantistica (QCD) e sono necessarie conferme sperimentali, in particolare nel caso di stati finali con un alto numero di jet. Questo provoca grosse incertezze sistematiche nella stima del fondo di multijet per il decadimento dell’Higgs di nostro interesse. Questa tesi si prefigge uno studio delle sistematichedei fondi QCD il più vasto possibile, tramite un confronto tra diversi campioni di Monte Carlo, da confrontare in seguito con i dati raccolti da ATLAS. L’analisi del segnale VBF H → τ τ → adroni e della sua estrazione dal fondo si basa sulla particolare configurazione topologica dello stato finale dovuta al meccanismo di produzione. Si presenta come un evento con quattro jet ad alto impulso trasverso, di cui due, prodotti dai partoni che irraggiano i due bosoni vettori, si trovano nella zona ad alta pseudorapidità del detector, mentre altri due, prodotti dai decadimenti dei τ , si trovano nella zona centrale. I tagli più efficienti per la reiezione del fondo di QCD (e di altri fondi) sono: l’identifica- zione di eventi con due τ nello stato finale (τ -tagging); un taglio sull’energia trasversa mancante (che nel caso del fondo di multijet deriva solo da errori di misura dell’energia totale dell’evento); il Central Jet Veto che taglia eventi che hanno più di due jet duri tra i due esterni, giustificato perchè la coerenza di co- lore nel caso del segnale prevede l’assenza di attività adronica aggiuntiva nella zona centrale e, infine, la richiesta di avere una larga separazione in η tra i jet esterni (attesa nel caso del segnale VBF, ma non in QCD). Studi precedenti effettuati a 14 TeV sulla sezione d’urto degli eventi di QCD ad alta molteplicità di jet, in particolare con la topologia VBF, riportano un’incer- tezza pari ad un fattore 5. In questa tesi, questi studi sono aggiornati ad energie del centro di massa del sistema protone-protone di 10 e 7 TeV. Vengono confrontate le previsioni di due diverse simulazioni Monte Carlo per i multijet in QCD: Pythia-dijets e Alpgen- Njets. I due generatori utilizzano meccanismi completamente differenti per la produzione di eventi a molti jet: parton shower nel caso del primo ed a elementi di matrice nel caso del secondo. La selezione che viene applicata per gli studi sul fondo segue le linee guida di quella descritta per il segnale, ma rilasciando parzialmente i tagli in modo da avere più statistica, necessaria per ottenere una precisione maggiore nella valu- tazione delle sistematiche. Perciò, ci concentriamo su eventi contenenti quattro jet ad alto pt (> 20 GeV), di cui due esterni e due centrali, senza però applicare i tagli di reiezione descritti in precedenza, ma studiando le distribuzioni delle diverse variabili utilizzate per la selezione del segnale in caso di eventi di pura QCD. L’analisi viene applicata a campioni di MC a diverse energie del centro di massa del sistema pp: 10 e 7 TeV. La prima è utile soprattutto perché permette il confronto con i risultati delle precedenti analisi sulla ricerca del bosone di Higgs, mentre la seconda può essere paragonata a quella con i primi dati che verranno raccolti da LHC nel periodo 2010 − 2011, durante il quale ci si aspetta una luminosità integrata di 1 fb−1 . Dopo la discussione sugli studi di Monte Carlo effettuati a 7 TeV, vengono anche presentati alcuni risultati sperimentali preliminari, ottenuti da ATLAS durante i primi mesi di operatività di LHC a 7 TeV nel 2010. Una ricerca conclusiva del bosone di Higgs sarà possibile solo con molti fb−1 di luminosità integrata, quindi, probabilmente, darà risultati solo dopo il 2011. In ogni caso, gli studi dei fondi effettuati nel periodo 2010 − 2011 sia con le simulazioni che con i dati raccolti, come nel caso dei multijet in QCD, avranno un ruolo cruciale nella validazione della scoperta dell’Higgs e anche di molte altre ricerche di nuova fisica.