Introduction

Top pairs at LHC

pp ⇥ tt @ 7 TeV:theoretical approx. NNLO �tt = 165+11

�16 pb

⇤ with 35 pb�1 >5000 tt pairs expected

A first ATLAS x-section measurement(combining ⇤+jets with b-tagging and di-leptonchannels) already performed with 2.9 pb�1:�tt = 145± 31 (stat.) +42

�27 (syst.+lumi.)[CERN-PH-EP-2010-064, December 8, 2010]

With 35 pb�1 and with more sophisticatedtechniques a precision measurement is possible

A measurement in ⇤+jets channel only andwithout any use of b-tagging is here presented[ATLAS-CONF-2011-023, March 14, 2011]

Complementary measurements are beingfinalized:

�+jets channel with b-taggingdi-lepton channelall-hadronic channel

December 2010

[TeV]s

1 2 3 4 5 6 7 8

[pb]

ttσ

1

10

210

ATLAS

)-1(2.9 pb

CMS

)-1(3.1 pb

CDF

D0

NLO QCD (pp)

Approx. NNLO (pp)

)pNLO QCD (p

) pApprox. NNLO (p

[TeV]s

1 2 3 4 5 6 7 8

[pb]

ttσ

1

10

210

6.5 7 7.5

100

150

200

250

300

6.5 7 7.5

100

150

200

250

300

2 / 15

Top-quark pair cross-section measurement in the lepton+jets channel at ATLAS

Quark pesanti:misure di produzione e proprietà con

i rivelatori multiscopo al Large Hadron Collider

• Francesco Spanò

francesco.spano@cern.ch1

Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica Università di Roma - La Sapienza Anno Accademico 2016-2017

b

Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHCfrancesco.spano@cern.ch

The King of Fermions

Perchè studiare i quark “pesanti” = grande massa?• b & top:

quarks con massa maggiore. top:massima massa.

2

mt,b =yt,b v/√2 yt~1 massima

connessione con bosone di

Higgs

• Se Λ è la scala energetica a cui nuova fisica appare, mHiggs ha correzioni in funzione di Λ

Λ è ignoto. Se Λ >> TeV, δmH >> mHiggs. Cosa compensi δmH è ancora un mistero.

Ai limiti della fisica fondamentale : più

attuale che maiil perchè della gerarchia delle masse è ancora un mistero

È l’Higgs del modello standard? yt e yb sono misure cruciali

ricerca in misure di top

Ipotesi suggestiva: ∃ nuove particelle (top partners) con correzioni opposte a quelle del top che

decadono come top o in top. Non trovati (ancora?)

bottom=btop

mtop~170 GeV

mb~4.2 GeV

v ~246 GeV

mHiggs~ 2yHv

(Λ/10 TeV)2= δmH2+mHiggs2 mH0 2 ?+δmH risulta dominata da contributi di top quark mtop

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Perchè studiare i quark “pesanti” = grande massa?

LHC: collisioni protone-protone a 13 TeV nel centro di massa (√s)

3

analisi di precisione delle interazioni forte &

elettrodebole

informazioni su composizione del protone (gluoni)

• ttH e H+X→bb+X : da misurare direttamente!

• Studio di proprietà, produzione e decadimento di quarks top e b, soprattutto differenziali = in funzione di variabili cinematiche (ad es. mtt, mbb)

~9 (~3) (~4 106) al secondo~8.3 (~3) al secondo

frequenza di tt (t) (b) a regime (L= 1034 cm-2 s-1 )

Alle fondamenta di modello standard e delle tecniche di misura

• √s =13 TeV: produzione di top e b-quarks e ricerca di “top partners” in nuovo regime cinematico inesplorato! (precedenti collisioni a 8 TeV)

standard per calibrazione/

messa a punto di rivelatore multi-

scopo

232 Chapter 8. Physics of Top Quarks

Figure 8.14: Feynman diagrams for the three channels of single top production.

MADGRAPH [80], and ALPGEN [160] programs as indicated in the Table 8.16. The hardprocess events containing all needed information were passed to PYTHIA 6.227 [24] for show-ering, hadronisation and decays of unstable particles. The tt and W + jets backgroundevents were generated with the same PYTHIA version. All simulations were done with Mt =175 GeV/c2 and Mb = 4.7 � 4.8 GeV/c2, proper considerations of the spin correlations, andthe finite W -boson and t-quark widths. The list of the signal and background process crosssections as well as generators used are given in the Table 8.16. Both the full simulation chain(OSCAR [8] and ORCA [10]) and a fast simulation (FAMOS [11]) were used.

Table 8.16: Cross section values (including branching ratio and kinematic cuts) and genera-tors for the signal and background processes (here � = e, µ, ⇧ ). Different generator-level cutsare applied.

Process ⌅⇥BR, pb generator Process ⌅⇥BR, pb generatort-ch. (W ⇤ µ⇤) 18 (NLO) SINGLETOP Wbb (W ⇤ �⇤) 100 (LO) TOPREXt-ch. (W ⇤ �⇤) 81.7 (NLO) TOPREX Wbb + jets (W ⇤ µ) 32.4 (LO) MADGRAPHs-ch. (W ⇤ �⇤) 3.3 (NLO) TOPREX W + 2j (W ⇤ µ⇤) 987 (LO) COMPHEPtW (2 W ⇤ �⇤) 6.7 (NLO) TOPREX W + 2j (W ⇤ �⇤) 2500 (LO) ALPGEN

tW (1 W ⇤ �⇤) 33.3 (NLO) TOPREX Z/�⇥(⇤ µ+µ�)bb 116 (LO) COMPHEPtt (inclusive) 833 (NLO) PYTHIA

8.4.1.2 Reconstruction algorithms and triggers

Muons are reconstructed by using the standard algorithm combining tracker and muonchamber information as described in [310]; tracker and calorimeter isolation cuts are appliedas described in [311]. The electrons are reconstructed by the standard algorithm combiningtracker and ECAL information, see [312]. The jets are reconstructed by the Iterative Conealgorithm with the cone size of 0.5, see [313]; for the calibration both the Monte Carlo (in thet-channel analysis) and the � + jets (in the tW - and s-channel) methods are used, see [314].For b-tagging a probability algorithm based on the impact parameter of the tracks is used, asdescribed in [315].

g~mediatore forteW~mediatore debolef

f={t,b}f-

“heavy quark factory”√s=13 TeV

√s=14 TeV

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Cosa offre/fornisce questo corso?

4

•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

~20-22 ore di lezione

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Cosa vi chiede questo corso?

• 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

5

A lezione

• 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

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”)

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Programma (I)

6

1

Quark pesanti:misure di produzione e proprieta con i rivelatorimultiscopo al Large Hadron Collider

Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica, Universita “La Sapienza” di Roma - A.A. 2016-2017 (22 ore di insegnamento totali)Docente: Francesco Spano (Royal Holloway, University of London)

Pre-requisiti Laurea in Fisica, Esami di Fisica teorica e fisica subnucleare di livello magistrale, basidi tecniche di rivelazione per le alte energie (per esempio: Laboratorio di fisica subnu-cleare).

Obiettivi formativi• Conoscenze: conoscere le proprieta dei quark pesanti prodotti in collisioni adroniche,

le misure che le caratterizzano e le tecniche ad esse associate e le problematiche apertecon gli ultimi dati raccolti ad LHC.

• Abilita: saper descrivere i passi tipici per la misura di una proprieta 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 effettuarescegliendo fra quelle gia in uso.

• Competenze: essere in grado di analizzare una misura sulle proprieta dei quark pe-santi in maniera critica in termini di incertezze, tecniche adottate, loro limitazioni epossibili sviluppi.

ProgrammaSezione Generale1 : Motivazione,strumenti dimisura, oggetti distato finale

1. Introduzione ai quark pesanti (“bottom” e “top”)• Modello Standard e questioni aperte. “Top”- e “bottom”-quarks: perche?• scoperta del b-quark• scoperta del top-quark

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 Generale2: il b -quark +oggetti per statifinali + stima difondi

3. Produzione di b-quarks in collisioni adroniche4. Misure di oggetti nello stato finale (parte 1): getti ad LHC

• getti ad ATLAS e CMS• 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 adLHC• 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

October 29, 2016

Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHCfrancesco.spano@cern.ch

Programma (II)

7

2

Sezione topica 1:produzione di topquark e stime difondi

8. Produzione di top quarks a LHC• produzione di coppie di top quarks (tt)• produzione di top quark singolo• 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 sezioned’urto di pro-duzione di topquark

10. Misure di precisione della produzione di top quarks a LHC• produzione di tt

• produzione di top singolo• misure di V

tb

• risultati combinati11. Produzione di Top quarks: misure differenziali

• sezioni d’urto di produzione tt differenziali in variabili cinematiche, molteplicita dei getti,attivita adronica

• sezioni d’urto di produzione di top singolo differenziali in variabili cinematiche• il futuro e “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 aNNLO)

Sezione topica 3:misura della massadel top quark

12. La massa del top quark• il significato della massa del top: ambiguita e incertezze intrinseche.• massa del top quark e stabilita 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 altreproprieta del topquark

14. Misure di altre proprieta del top quark (oltre alla massa)• carica elettrica• spin del top quark: elicita 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 bosonedi Higgs

15. Il top quark e il bosone di Higgs• importanze dell’accoppiamento di Yukawa tra il top quark e l’Higgs• ricerca della produzione associata a ATLAS e CMS: ttH

October 29, 2016

Quarks pesanti con rivelatori multiscopo a LHCfrancesco.spano@cern.ch 8

Programma (III)

Dottorato in Fisica - UniRoma “La Sapienza” - AA 2016-2017

3

Sezione topica 6:top quark e nuovafisica; prospettiveper il Run2 di LHC

16. Il top quark come finestra su fisica oltre il modello standard: nuova fisica in pro-duzione del top quark (top “partners”)

17. Il futuro e “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, nuoveparticelle “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-sigliata

Testo con strumenti di base: QCD & Collider Physics (Cambridge Monographs on Par-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/s2006-02631-64. 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 ogniargomento.

October 29, 2016