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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
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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.