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LHC: Fisica Elettrodebole e LHC: Fisica Elettrodebole e Fisica del B Fisica del B
Riccardo Ranieri
INFN e Università di Firenze
Commissione Scientifica Nazionale 1 Commissione Scientifica Nazionale 1 Laboratori Nazionali di FrascatiLaboratori Nazionali di Frascati
11-12 Novembre 200311-12 Novembre 2003
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 2
ATLAS & CMS btWATLAS & CMS btW
Gli argomenti che tratterò: t
– σtt, top singolo, mt
W– mW e fit elettrodebole
b– trigger e canali di benchmark
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 3
PrevisioniPrevisioni
LHC
TeVatron1034
2x1033
<1032
Luminosità[cm-2s-1]
100
20
0.3
∫L[fb-1/y]
14 LHC (alta luminosità)
14 LHC (bassa luminosità)
2 TeVatron
√s[TeV]
processoprocesso (pb)(pb) Eventi/sEventi/s Eventi/yEventi/y
bbbb 55101088 101066 10101313
ZZeeee 1.51.5110033
~3~3 101077
WWℓℓℓ=e,μℓ=e,μ
33101044 ~60~60 101088
WWWWeeXX 66 1010-2-2 101055
tttt 830830 ~1.7~1.7 101077
HH(700 GeV/c(700 GeV/c22)) 11 221010-3-3 101044
--
--
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LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 4
Perché studiare il quark Perché studiare il quark top?top?
– Misura accurata di mt
– Produzione e decadimenti
– Vincoli su mH
– Eventi di top fondo dominante per ricerche di nuova fisica alla scala del TeV
mt=174.3±3.2±4.0 GeV/c2 (CDF+DØ)uno dei parametri fondamentali del Modello Standard
e
DØ
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LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 5
• LHC sarà una “top factory”– σ(pp→tt)NLO+∑NLL=833 pb per √s=14 TeV
(100xTeVatron)– Bassa luminosità: 16M tt per anno– 10% qq’ / 90% gg
– Misura di σtt e nuova fisica: risonanze pesanti >>> picco nello spettro tt t→H+b >>> deficit apparente in σtt [SM: Br(t→W+b)≈1]
Produzione di coppie ttProduzione di coppie tt--
- R.Bonciani, S.Catani, M.L.Mangano, P.Nason, Nucl.Phys B529(1998) 424
-
-
-
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LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 6
DecadimentiDecadimenti• Modello Standard: BR(t→W+b)≈99.9%
stato finale dipendente dai decadimenti del W
g,qW-
b
W+
bg,q
lb
lb
jj
b
lb
jj
lb
b
jj
b
b
jj
W Decay Mode
g
t
t
(3)(2)(1)
1. Dileptoni BR≈5% 0.8x106 ev/y nessun top ricostruito leptoni isolati di alto pT
2. Leptone singolo BR≈30% 5x106 ev/y un top ricostruito b-tag fondamentale
3. Completamente adronico BR≈45% 7x106 ev/y entrambi i top
ricostruiti fondo: multi-jet QCD
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LHC: Fisica EW e Fisica del B
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Ricerca di risonanzeRicerca di risonanze
-
-
-
xBR richiesto per la scoperta
mtt [GeV/c2]
σxB
R [
fb]
30 fb-1
300 fb-1
1 TeV/c2
830 fb
– Molti modelli teorici prevedono l’esistenza di risonanze che decadono tt SM Higgs (ma BR sfavorevole rispetto a decadimaneti WW e
ZZ) MSSM Higgs (H/A, se mH,mA>2mt, BR(H/A→tt)≈1 per tanβ≈1)
modelli Technicolor, strong ElectroWeak Symmetry Breaking, Topcolor, produzione di “coloroni”, […]
– Studio di risonanza Χ noti σΧ, ΓΧ e BR(Χ→tt) canale semileptonico neutrino da Et
miss
– ETmiss=Et
;mℓ=mW|pz|
molti jet (tra 4 e 10) Efficienza di
ricostruzione– 20% mtt=400 GeV/c2
– 15% mtt=2 TeV/c2
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Produzione di top singoloProduzione di top singolo
– Determinazione diretta del vertice tWb(=Vtb) σ predetta dal Modello Standard (tranne
l’accoppiamento)
– Discriminanti per la misura della σ dei 3 segnali: molteplicità dei jet (più elevata per Wt) più di un b-jet (aumenta segnale W* rispetto a Wg) distribuzione della massa invariante jet-jet (mjj≈mW
per Wt e non per gli altri)
Wg Fusion 245±27 pbS.Willenbrock et al., Phys.Rev.D56, 5919
W* 10.2±0.7 pbM.Smith et al., Phys.Rev.D54, 6696
Wt 62.2 pbA.Belyaev, E.Boos, Phys.Rev.D63, 034012
-3. 7
+16.6
2-2 2-3
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Analisi top singoloAnalisi top singolo– Fondi principali [σxBR(W→ℓ), ℓ=e,μ]:
tt σ=833 pb [246 pb] Wbb σ=300 pb [66.7 pb] Wjj σ=18x103 pb [4x103 pb]
– Trigger di L1: leptone singolo pT>20 GeV/c
– Capacità di estrarre il segnale dal fondo dipende da: rate di leptoni “fake” (utilizzo dei sistemi di tracciatura) b-tag (εb=60%, εc=10%, εuds=1% a bassa luminosità)
ricostruzione e veto di jet di bassa energia (2,3 jet ET>30 GeV)
identificazione jet in avanti (quark “spettatore” q’ in Wg)
– Studio dei 3 processi separatamente W’ pesante aumento in canale-s di W*: σ(W*)
σ(W*)/σ(Wg) FCNC gu→t diversa distribuzione angolare: σ(W*)/σ(Wg)
--
Wg(2-2 + 2-3)[54.2 pb]Wt [17.8 pb]W* [2.2 pb]
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Risultati top singoloRisultati top singolo
• Risultati per ∫L=30 fb-1
Processo Segnale(x1000)
Fondo(x1000)
S/B S/√B
Wg 27±1 8.7±1.6 [Wjj] 3.1 289
Wt 6.8±0.3 30.5±0.7 [tt] 0.22 39
W* 1.11±0.04
2.4±0.3 [50%tt] 0.46 23
Processo δVtb(stat.)
δVtb(th.)*
Wg 0.36% 6%
Wt 1.4% ”
W* 2.7% 5%
CDF: 14 pb (18 pb canale-s 13 pb canale-t)
D0: 17 pb canale-s e 22 pb canale-t
SM: σSM=2.43±0.32 pb
ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)
-
-
* PDF+μ(scale)+δmt
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Massa del quark topMassa del quark top
– La ricostruzione inizia con mW
“ricostruzione” neutrino– ET
=ETmiss
– mℓ=mW
combinatorio con coppie di jet
– mjj=mW
– Metodi statistici per determinare mt
mjjb= mℓb=mt
triggerricostruzione
Fondo:Fondo: <2% <2%
WW/Z/Z+jet+jet, WW/ZZ/WZ, WW/ZZ/WZ
BR≈30%
Efficienza di selezione: Efficienza di selezione: ~5-10%~5-10%::
•leptone isolato pleptone isolato pTT>20 GeV/c>20 GeV/c
•EETTmissmiss>20 GeV>20 GeV
•4 jet con E4 jet con ETT>40 GeV>40 GeV
•>1 b-jet (>1 b-jet (bb40%, 40%, udsuds1010-3-3, ,
cc1010-2-2))
ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)
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Ricostruzione di mRicostruzione di mtt
Simulazione veloce e completa sono in accordo
– controllo su 60 000 eventi
» σ(mt)full=13.4 GeV/c2
» σ(mt)fast=11.9 GeV/c2
lineare in mt
indipendente da top pT
(fast sim)
mmWW
mmtt
j1
j2
b-jet
da evitare…da evitare…
ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)
δmδmttstatstat=0.10 =0.10
GeV/cGeV/c22
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Errori su mErrori su mtt
calibrazione in energia dei jet– obiettivo: 1% per jet leggeri e 5%
per b-jet (da W→jj dell’evento e Z(→μμ)+j: difficile da raggiungere…)
funzione di frammentazione del quark b
– variazione del parametro di Peterson εb=-0.0060(+0.0025)
radiazione di stato iniziale e finale (ISR e FSR)
– incertezza del 10% (da s)
conoscenza del fondo– a LHC la statistica non
mancherà…
δmδmttErroreErrore
[GeV/c[GeV/c22]]
statisticostatistico 0.100.10
scala E jet leggeriscala E jet leggeri 0.200.20
scala E b-jetscala E b-jet 0.600.60
ISR/FSRISR/FSR 1.5 ?1.5 ?
frammentazione quark frammentazione quark bb
0.250.25
fondofondo 0.150.15
conoscenza PDFconoscenza PDF negl.negl.
TotaleTotale <2.0 ?<2.0 ?
Errori per esperimento
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Metodi alternativiMetodi alternativi
– Eventi tt ad alto pT
separazione in due emisferi maggiore sovrapposizione tra i jet
– Canale leptonico [2x(W→ℓ), ℓ=e,μ] due leptoni carichi (ma anche due neutrini) molto dipendente dalla descrizione del Monte Carlo
– Sezione d’urto σtt
altissima statistica, sistematiche differenti limitata da incertezza su PDF (10%δmt=4 GeV/c2)
– La sfida: decadimenti b esclusivi con prodotti massivi (es.: J/) correlazione con mt e poco fondo
BR(tt→qqbℓ+J/→ℓℓ)=5x10-5: alta luminosità
-
-
Dalla combinazione Dalla combinazione si potrà raggiungere si potrà raggiungere δmδmtt=1 GeV/c=1 GeV/c22 ? ?
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LHC: Fisica EW e Fisica del B
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– Misure precise = test di validità del Modello Standard informazioni sul parametro mancante mH (correzioni
radiative)
Esempio: mEsempio: mWW=m=mWW((mmtt22, ,
log(mlog(mHH))))
t t m mtt22 H H ln(m ln(mHH/m/mWW))
Il fit elettrodeboleIl fit elettrodebole
SM(17 parametri)
mfermioni (9)
mbosoni (2)
VCKM (4)GF (1)
mH
predictions
da decadimenti n,
[per ora niente]
da misure dirette
decadimenti dei mesoni
(fino a 0.1%)
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Riccardo Ranieri 17
direct
indirect
EXCLU
DED
Dove siamo…Dove siamo…• Le incertezze su mmtt e mmWW
dominano il fit elettrodebole– Ogni “osservabile” può essere
calcolato in funzione di:ΔΔhadhad, , ss(m(mZZ), m), mZZ, m, mtt, , mmHH
– Prospettive TeVatron RunIImmtt2.5 GeV/c2.5 GeV/c22 mmWW25 25
MeV/cMeV/c22mmHH/m/mHH35%35%
Attuali input:Attuali input:mmtt=174.3 ±5.1(exp) GeV/c=174.3 ±5.1(exp) GeV/c22
mmWW=80.426 ±0.035(exp) =80.426 ±0.035(exp) GeV/cGeV/c22
mmZZ=91.1875 ±0.0021(exp) =91.1875 ±0.0021(exp) GeV/cGeV/c22
ZZ=2.4952 ±0.0023(exp) GeV=2.4952 ±0.0023(exp) GeV
mmHH<211 GeV/c<211 GeV/c22 @ 95% CL @ 95% CL
35% shift in m35% shift in mH H per shift di 5 GeV/cper shift di 5 GeV/c22 (1 (1) in m) in mtt!!
((mmHH/m/mH H 53%)53%)mH=91 GeV/c2-37+5
8
Per avere simile impatto su mH: ΔmΔmWW≈0.7x10≈0.7x10--
22ΔmΔmtt
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regione di fit
Massa del WMassa del W– Sezione d’urto WW troppo bassa– W singola: non è possibile
determinare direttamente mW
c’è il neutrino… ma anche molta statistica!
massa trasversa: mmTTWW=[2p=[2pTT
ℓℓ∙p∙pTT∙(1-∙(1-
cosΔφ)]cosΔφ)]½½
ATLAS DETECTOR AND PHYSICS PERFORMANCE TDR Volume II (1999)
Efficienza di selezione: Efficienza di selezione: ~20%~20% con con
•leptone isolato pleptone isolato pTT>25 >25 GeV/cGeV/c•EETT
missmiss>25 GeV>25 GeV•No jet con ENo jet con ETT>30 GeV>30 GeV•Recoil |u|<20 GeV/cRecoil |u|<20 GeV/c60 milioni di W/10 fb60 milioni di W/10 fb-1-1!!
(50xTeVatron RunII) (50xTeVatron RunII)
δmδmWWstatstat=2 MeV/c=2 MeV/c2 2 con 10 fbcon 10 fb--
11
upp
T
l
T
(missing p(missing pTT))
e
Wbeam line
u
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Riccardo Ranieri 19
Errori su mErrori su mWW Sistematici dovuti alla teoria
– pTW: 5 MeV/c2
» pTZ da Z→ℓℓ e si usa pT
W/pTZ per
modellare il Monte Carlo (accordo tra pT
W e pTZ al 10% per pT
W,Z<20 GeV/c)
– PDF: 10 MeV/c2
» vincolate dai dati di W e Z?
– ΓW: 10 MeV/c2
» da R a BR(W→ℓ) [SM, fattore limitante è σW/σZ], per ora ΓW=2.124(41) GeV
– Decadimenti radiativi: 10 MeV/c2
» ma c’è ancora da lavorare (teoria+W→ℓ)
– Normalizzazione e andamento del fondo: 5 MeV/c2
» conoscere il fondo: e al 30%, μ al 7%
Sistematici dovuti al rivelatore– Scala di E/p del leptone: 15 MeV/c2
» mZ da Z→μμ (Z→ee): ma bisogna raggiungere precisione di 0.02% (improbabile perché occorrono: mappa del campo magnetico al 0.1% e material budget del sistema tracciante al 1%)
– Risoluzione E/p del leptone: 5 MeV/c2
» ΓZ + dati dai test beam (ma occorre risoluzione di 1.5% su E e p)
– Modellizzazione del recoil: 5 MeV/c2
» da Z→ℓℓ (scala come 1/√NZ)
)(
)(
ZBR
WBRR
Z
W
Modello Standard per determinare W !
da LEP
dalla teoria
Totale: 25 MeV/cTotale: 25 MeV/c22/10 fb/10 fb-1-1 potrebbe essere raggiunto potrebbe essere raggiunto
per esperimento (15 per esperimento (15 MeV/cMeV/c22/10 fb/10 fb-1-1 dalla dalla
combinazione dei risulati di combinazione dei risulati di ATLAS e CMS) ATLAS e CMS)
……sarà davvero così?sarà davvero così?
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Conseguenze (da δmConseguenze (da δmtt e e δmδmWW))
– Se il fit elettrodebole viene ripetuto cambiando gli errori su mt e mW
mmWW=15 MeV/c=15 MeV/c22
mmtt=1 GeV/c=1 GeV/c22
valori centrali attualivalori centrali attuali
Grazie a M.Grunewald e Roberto Chierici
direct
EXCLU
DED
((mmHH/m/mH H 25%)25%)
mH=73 GeV/c2
-16+2
0
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Fisica del B a LHCFisica del B a LHCProgramma Programma
Decadimenti rariDecadimenti rari
violazione di CPviolazione di CP
mixing Bmixing B00
Produzione di b a LHCProduzione di b a LHCluminosità: 2x10luminosità: 2x1033 33 cmcm-2-2ss-1 -1
(( 10 103434 cm cm--
22ss-1-1))
0.5 mb 0.5 mb O(10O(1055-10-1066) )
bb/sbb/s
OO(100) ev/s su nastro (100) ev/s su nastro per per tutti i canali di fisica tutti i canali di fisica interessantiinteressanti
La strategia di trigger La strategia di trigger
è fondamentaleè fondamentale
Trigger muoni: solamente ~5 Hz b/c Trigger muoni: solamente ~5 Hz b/c (1 Hz(1 Hz101077 ev/y a bassa luminosità) ev/y a bassa luminosità)Non è abbastanza per decadimenti Non è abbastanza per decadimenti
con Br<10con Br<10-4-4 e ε e εselsel<10%<10%
threshold [GeV/c]Tp
5 10 15 20 25 30
Rat
e [H
z]
10-1
1
10
102
103
104
all
/K
+X c/b
+X
W-+
25 Hz
b/c
W19 G
eV/c
ss
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LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 28
High-Level TriggerHigh-Level Trigger• Come si può migliorare il trigger di b?
– utilizzo dei sistemi di tracciatura– algoritmi che richiedano solo una frazione di
dati Region of Interest (RoI) ricostruzione tracce
– quasi offline– condizioni di stop
velocità di esecuzione– misure di timing degli algoritmiGli algoritmi HLT si possono suddividere in 2 categorie:
1. Ricostruzione e identificazione di oggetti (μ,e,,jet,…) ”Trigger elements”
2. Validazione di topologie (tagli di fisica sugli oggetti ricostruiti) ”Hypothesis algorithm”
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LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 29
ATLAS & CMS startupATLAS & CMS startup
Pixel Vertex detector: 2+1 layer invece di 3+2 ?
Camere μ: Trigger L1 limitato a |η|<2.1 (< elettronica)
Pixel Vertex detector: 2 layer invece di 3
TRT (straw tubes): accettanza limitata |η|<2
Riduz
ione
dei
trigg
er
Riduz
ione
dei
trigg
er
proc
esso
rs
proc
esso
rs
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 32
Fisica del bFisica del b
Canali di Canali di benchmark benchmark ::
• Di-muon Trigger L1:– Bs→μμ
– Bs→J/(→μμ) (→KK)
• Canali adronici (Trigger L1 di singolo muone sul secondo b→μ):– Bs→Ds(→π(→KK)) π
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 33
Decadimenti rari: BDecadimenti rari: Bss→μμ→μμ
• FCNC b→s o b→d a livello di loop nel Modello Standard– BR(Bs→μμ)=(3.5±1.0)x10-9
– correzioni MSSM (alto tanβ)nuova fisica» Br(Bs→μμ)=3x10-6(tanβ/50)6(200 GeV/mA)4 loop
Occorre molta statistica: ATLAS e CMS (>luminosità) sono favoriti rispetto a LHCb
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 34
Analisi BAnalisi Bss→μμ→μμ
L1 L1 HLT HLT Global Global
(=L1xHLT)(=L1xHLT) ev/10 fbev/10 fb-1-1 Trigger RateTrigger Rate
15.2%15.2% 33.5%33.5% 5.1%5.1% 4747 <1.7Hz<1.7Hz
HLTHLT Full TrackerFull Tracker
Analisi offline (Analisi offline (SM BR=SM BR=3.5x103.5x10-9-9))(L1 μ trigger in |(L1 μ trigger in ||<2.4 invece di ||<2.4 invece di ||<2.1)|<2.1)
10 fb10 fb-1 -1 7 eventi di segnale <1 fondo 7 eventi di segnale <1 fondoosservazione a 5σ con 30 fbosservazione a 5σ con 30 fb-1-1
inoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminositàinoltre questo canale si può studiare anche ad alta luminosità
= 46 = 46 MeV/cMeV/c22
= 74 = 74 MeV/cMeV/c22
A.Nikitenko, A.Starodumov, N.Stepanov, hep-ph/9907256
“The Trigger and Data Acquisition project, Volume II Data Acquisition & High-Level Trigger” CMS TDR 6.2 (2002)
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 35
Oscillazioni BOscillazioni Bss/B/Bss
B0 e B0 sono gli autostati di flavoursovrapposizione degli autostati di massa BH e
BL
Oscillazioni B0B0
con frequenzaΔmsmH-mL
Difficoltà all’interno del Modello standard a giustifcare valori di Δms superiori a 25 ps-1nuova fisica
--
-
-
Bs-Bs mixing: Δms 14.4 ps-1 @ 95% CL -
s s
s s
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 36
BBss→D→Dssππ
bb μ
π-
K+ K-
Bs Ds π+-
4) Tagli topologici fra Bs e μ
3) Minv tra i Ds ricostruiti e π
2) Minv dei π con i candidati
1) Minv delle coppie di K±
0) Ricostruzione parziale tracce
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 37
BBss→D→Dssπ: misura di Δmπ: misura di Δmss
BBssDDss=5 =5 MeV/cMeV/c22
=25 =25 MeV/cMeV/c22
=95 =95 MeV/cMeV/c22
1 anno a bassa luminosità (20 fb1 anno a bassa luminosità (20 fb-1-1):):L1: 1 kHz HLT: 5 HzL1: 1 kHz HLT: 5 Hz
300-400 eventi di segnale300-400 eventi di segnaleΔmΔms s fino a 20 psfino a 20 ps-1-1
1000 eventi necessari per test SM: Δms 26 ps-1 @ 99% CL
A.Giassi, F.Palla, A.Starodumov, CMS NOTE 2002/045
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 38
BBss→D→Dssπ – prospettiveπ – prospettivexs=Δms/Γs
2 fb-1 (RunIIa) e 6.5 fb-1 (RunIIb) ~2008
–Risoluzione in tempo proprio:t = 45 fs t pT/pT (L00+SVX)
Sensibilità fino a xs 6070
Test dello SM (xs~30) con < O(10k) eventi
Bassa Luminosità 30 fb-1 ~2008
–Risoluzione in tempo proprio: t = 60 fs
Sensibilità fino a Δms<29.5 ps-1 (xs<43)
LHCb: 1 anno = 2 pb-1 72k
B.Epp,V.M.Ghete,A.Nairz, EPJdirect CN3, 1-23 (2002)
ATLAS
80K
40K
20K
10K
70K
60K
50K
30K
0Nu
mero
di Even
ti p
er
osserv
azi
on
e a
5σ
CDF
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 42
B Trigger e tabella HLTB Trigger e tabella HLT• La banda di trigger dedicata alla fisica
del B allo startup di LHC dipenderà da:1. Luminosità
– Minore luminosità maggiore banda B trigger
2. Rate del fondo– Il “fattore di sicurezza”…
3. ₤€ r¥$or$€ f¥nanz¥ar¥€– Per acquistare trigger processors
Inoltre è allo studio la possibilità di abbassare le soglie per il trigger di B quando la luminosità sarà più bassa durante il fill di LHC
Commissione 1 - LNF11-12 Novembre 2003
LHC: Fisica EW e Fisica del B
Riccardo Ranieri 43
Conclusioni – Fisica tWbConclusioni – Fisica tWb• Le conclusioni (a 4 anni dalla partenza di
LHC):– t
calibrazioni (energia jet, leptoni isolati, b-tag) primi risultati post-calibrazione dalla fisica del top
– W la fisica elettrodebole di precisione potrebbe essere
possibile a LHC prossimo passo: analisi più sofisticate con descrizione
più dettagliata dei rivelatori
– b ATLAS e CMS competitivi anche se non progettati per
la fisica del B le condizioni iniziali di LHC saranno fondamentali:
minore luminosità maggiore fisica del B
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