presentacion tesina "estudio del proceso e+e- to w+w- to enu q q’ en lep" desarrollada...

�

�

�

�

L3L3

Estudio del Proceso��

� �� en LEP

M. Carmen Iglesias Escudero

Noviembre, 2001L3L3L 3L3L3L3L3L3L 3L3L3L3L 3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L 3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L 3L3L3L 3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L 3L 3L3L3L3L3L3L3L3L3L3L3

1 M. Carmen Iglesias Escudero

�

�

�

�

IndiceL3L3

INDICE

1. OBJETIVOS.

2. INTRODUCCION TEORICA.

� El proceso �� en el Modelo Estandar.

� Seccion eficaz del proceso.

� Masa del boson W.

3. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL.

� El detector L3.

4. SELECCION DE SUCESOS �� .

� Definicion de la senal: �� .

� Seleccion de la muestra e�q��.

5. SECCION EFICAZ DEL PROCESO

��

6. MEDIDA DE LA MASA DEL W.

� Reconstruccion de la masa invariante.

� Metodo de calibracion Monte Carlo.

� Resultados.

7. CONCLUSIONES.


�

�

�

�

Principales objetivos del trabajoL3L3

OBJETIVOS


�

�

�

�

Principales objetivos del trabajoL3L3

OBJETIVOS

1. Selecccion de la muestra: �� .

� alta eficiencia: en torno al 75�.

� alta pureza: mayor del 90�.

��eliminar sucesos ��

� busqueda de nuevos cortes.

��eliminar sucesos ��

2. Medida de la Seccion Eficaz del proceso:�� .

� Comparar datos y con predicciones teoricas:

�� Comprobar Mod. Estandar.

3. Medida de la Masa del Boson W.

� Comparar datos con predicciones teoricas:

�� Comprobar Mod. Estandar.


�

�

�

�

Introduccion TeoricaL3L3

INTRODUCCION TEORICA


�

�

�

�


�� en el Modelo Estandar

� Proceso de gran importancia en la validacion del M.S. atraves de medida directa de masa del W y sec. eficaz.

� Se pueden distinguir tres niveles de sofisticacion:

a.) Produccion WW on-shell:

Supone W es estable: masa fija y no se desintegra en otraspartıculas.

b.) Produccion WW off-shell:Considera W como resonancia con anchura finita, sedesintegra en 2 fermiones.

c.) Completa evaluacion de todos los diagramas con elmismo estado final.


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�

�

�


Seccion Eficaz del Proceso

Seccion Eficaz del proceso de produccion de WW off shell:

��

� ��

Las densidades Breit-Wigner:

��

��

��

��

��

� Las masas invariantes de los sistemas �� y �� se dis-tribuyen de acuerdo a una Breit-Wigner de anchura � ycentrada en M�.


�

�

�

�


Masa del Boson W

� Las masas de W y Z estan relacionadas con las masas deltop y del Higgs a traves de la cte de Fermi.

��

��

��

��

��

� Medidas precisas de las masas de W, Z y del top propor-

cionaran informacion acerca de �� y constreniran mas

sus valores permitidos.

� Ajustando datos de LEP1 y SLD al Mod. Estandar, se haobtenido una medida indirecta de M�:

��

� Una medida de M� suficientemente precisa, propor-

cionarıa una comprobacion directa del Mod. Estandar.


�

�

�

�

Dispositivo ExperimentalL3L3

DISPOSITIVO EXPERIMENTAL


�

�

�

�


El acelerador LEP

PUNTO 4.

LAGO LEMAN GINEBRA

CERN Prévessin

PUNTO 6.

PUNTO 8.

PUNTO 2.

CERN

SPS

ALEPH

DELPHI

OPAL

L3

LEP

e Electrón -

+e Positrón

R. Lew

i

jan. 1

990

s

LEP2: energıa c.m. supera umbral de produccion WW: 161 GeV.

TOMA DE DATOS DEL ANO 1999Energıas centro de masas:�

� �192, 196, 200 y 202 GeVLuminosidades integradas:� � 29.72, 83.69, 82,72 y 37.04 pb��


�

�

�

�


El detector L3

e-

e+

Detector de Muones

Detector de Microvértice

�

Detector de VérticeCalorímetro Hadrónico

Puerta

Yugo del Imán

Solenoide

Calorímetro Electromagnético

Detector Central Determina momento y carga de las par-ticulas y su trayectoria desde el punto de interaccion.Cal. electromagnetico BGO Determina posicion y en-ergıa de electrones y fotones.Cal. hadronico Mide resto de energıa de hadrones y sudireccion. Ademas actua como filtro, solo m.i.p. llegan aldetector de muones.Detector de muones Tres niveles de camaras de deriva,miden curvatura de trayectoria del � para obtener momto.


�

�

�

�


�

EG mechanical support�

EG�

SPACAL bric

k�

TEC� FTC�

2x2" phototriodes�per brick�

2 light guides per brick�

150�

49�

39�

874�

42,3

75�

EG�

�

EGAP

- Tapa huecos entre barrel y end caps �� Zona muerta conperdida de estadıstica e incremento de contaminacion.

- Determina posicion y energıa de e y � pero con peor re-solucion �� Senal detectada tendra caracterıst diferentes�� Distintos cortes aplicados en la seleccion.


�

�

�

�

Seleccion de sucesos � � �� L3L3

SELECCION DE SUCESOS


�

�

�

�


Seleccion de la Muestra

Datos recogidos durante el ano 1999:�� 192, 196, 200 y 202 GeV� � 29.72, 83.69, 82,72 y 37.04 ��

�Proceso �� .Proc. semileptonico: canal limpio.

- No ambiguedad para identificar prod. desintegracion.

- Facil identificacion carga boson.

�Caracterısticas de la senal ��:

a) electron (bump + traza) energetico aislado

b) actividad hadronica �� 2 jets provenientes de W�� masa invariante �80.5 GeV

c) alta energıa perdida perpendicular �� neutrino.

Bump.Deposicion en calorımetros, � 95% en BGO. Fotones y �� de-positan la mayor parte de energ en un solo cristal BGO al contrarioque hadrones.

E

θθφ

hadrón

Cascadas en el BGO

γ,e


�

�

�

�


Suceso ��

L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3L 3Run # 764803 Event # 3795�

++

2 4

++

2 7

++ 3 3++

3 5

++

3 8

++ 2 6++

3 0

++

3 9

++

9

++

1 4

++

1 6

++

1 5

++

1 3

++

1 1

++

1 8

HCAL jet1

BGO

electron

TEC

jet2

Vista transversal. Energıa en BGO del electron forma unbump. Senal de los dos jets en HCAL. La suma de mo-mentos no es conservada pues no se detecta al neutrino.


�

�

�

�


Procesos Contaminantes

- ��

El mas importante. Analizando sus caracterısticas sepuede eliminar en una alta proporcion:

– Energıa perdida en direccion perpendicular al haz espequena.

– Para �� la diferencia entre la energıa del bump y elmomento de la traza debe ser proxima a cero, mientrasque en el caso de � no.

– Sucesos �� momentos de las tres partıculas sobreel mismo plano.Senal �� los quarks y el �� son acoplanaresAplanaridad: da idea de si las partc estan contenidas enmismo plano:

��

��

siendo �� el menor autovalor de la matriz:

��

��

��

��

donde �� es el momento de la partıcula i y �� y �� serefieren a cada uno de sus componentes j,k=x,y,z.


�

�

�

�


Procesos Contaminantes

- ��

Difıcil de distinguir de la senal pues cuando se desintegra

� � �� tienen caracterısticas muy similares.

Su principal diferencia sera una menor energıa del �� re-

sultante y menor masa invariante del sistema ��.

- �� y ��

Su diferente topologıa permite eliminarlos mediantecondiciones en la masa invariante, energıa perdida, angulopolar...


�

�

�

�


Preseleccion

� �� alto �o¯ de deposiciones en calorımetro.

� �� al menos un bump.

� �� existencia de 2 jets ASJT con energıa � 5 GeV, �� y al menos una traza.

� �� cota en ang. polar del momto per-dido.�� desestimar sucesos donde materia escapa portubo del haz.

� ��

Seleccion

� Cortes a todo angulo.� independiente de ang. polar �.� ��

� 40� �� 120 GeV

� ��

� Division angular. � segun angulo polar �.- Zona Central: !"��

- Bajo Angulo: �� !"��

- Muy Bajo Angulo: !"��

- Egap


�

�

�

�


#$� � �� %&

0

2

4

6

8

10

12

0 25 50 75 100 125 150 175 200

�� (GeV)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 50 100 150 200

�� (GeV)

��= 175, 180, 185, 190 GeV

�� es la energıa visible, �� es el momento perdido.Elimina ��, �� y �� con bajo mo-mento perdido.


�

�

�

�


40� �'�(�'�( � 120 GeV

0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

20

20 40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

30

35

40

20 40 60 80 100 120 140

�� (GeV) �� (GeV)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 40 60 80 100 120 1400

2.5

5

7.5

10

12.5

15

17.5

20 40 60 80 100 120 140

�� (GeV) �� (GeV)

Masa invariente �� en la ventana entorno a �� .


�

�

�

�


�� )��

0

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 1000

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 100

0

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 1000

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 100�� 192 GeV

� Elimino �� utilizando su menor energıa del �� resultantey menor masa invariante en el sistema ��.

� Elimino gran parte de contaminacion ��, ası como��, mientras se conserva la mayorıa de la senal ��.


�

�

�

�


�� )��

0

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 1000

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 100

0

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 1000

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 100�� 200 GeV

� De nuevo elimino gran parte de ��

� Al aumentar la energıa c.m. aumenta la energıa del �. Lossucesos �� se parecen cada vez mas a los �� y se hacemas dificil rechazarlos.


�

�

�

�


Division angular: Razones

a) ZONA CENTRAL o barrel ��se miden bien las trazas.MUY BAJO ANGULO �� difıcil medida de trazas.

b) EGAP �� Peor resolucion: caract. diferentes de senal.

Variables utilizadas

ZONA CENTRAL y BAJO ANGULO- �� eng. del bump, �� momto de

traza. Elimina sucesos ��.

- �� eng. del bump en un cono de ��Æ. Elim-ina �� procedentes de desint. hadronica imponiendo ais-lamiento del bump.

- * � �� rad * ang. azimutal de separacion entrebump y traza mas cercana. Desestima bumps sin traza: �.

- �� energıa en HCAL. Comprueba queel �� deposita casi toda energıa en BGO.

MUY BAJO ANGULO

- �� energ. perdida en la di-reccion perpendicular al haz. Elimina sucesos ��.

- ��+ � 0.015 .Aplanaridad permite distinguir �� y ��.


�

�

�

�


Division angular: Cortes

CARACTERISTICAS CORTES

ZONA CENTRAL Trazas bien medidas �� 65 GeV

�� No restriccion cortes �� 0.45�� rad��

BAJO ANGULO Peor resolucion �� 70 GeV

�� Relajo cortes �� 0.25�� rad��

MUY BAJO ANGULO No condicion en trazas ��

�� Mayor contaminac � � ��

Nuevos cortes �� 0.015

EGAP Peor resoluc energıa �� GeVPeor resoluc momento �� 57 GeVSolo condicion mınimo ��

��


�

�

�

�


Variacion en los cortes respecto��

Solo varıan las condiciones relacionadas con la energıa:

- energıa del bump

- energıa visible

- energıa depositada en HCAL

ZONA CORTE Energıa c.m. (GeV)192 196 200 202

TODO ANGULO �� 175 180 185 190

ZONA CENTRAL �� 4.5 5.0 5.5 6.0

BAJO ANGULO �� 5.0 6.0 7.0 8.0

MUY BAJO ANGULO �� 590 600 620 630

�� 5.0 6.0 7.0 8.0

Las cotas aplicadas aumentan segun crece la energıa c.m.


�

�

�

�


�)�� (�%,% �65 GeV

�� (GeV)

�� (GeV)

Diferencia entre energıa del bump y momto de la traza.Elimino ��, pues �� debe coincidir con �� pero en� su traza se debe a asignacion erronea o conversion ��.


�

�

�

�


�� rad

10-1

1

10

10 2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.110

-1

1

10

10 2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

* (rad) * (rad)

10-1

1

10

10 2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.110

-1

1

10

10 2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

* (rad) * (rad) * ang. azimutal de separacion entre bump y la traza en laTEC mas cercana. Descarto fotones desestimando bumpssin traza asociada.


�

�

�

�


Resultados de la seleccion

Energıa centro masas (GeV):192 196 200 202

MONTE CARLO�� esperados 56.20 159.27 160.74 69.27

�� esperados 1.94 7.22 7.77 3.53

�� esperados 1.45 4.08 4.30 2.16

DATOS�� seleccionados 76 169 161 75 481

�� y �� : contribucion desprecia-ble (�1�)


�

�

�

�


Resultados de la seleccion

Energıa centro de masas (GeV):192 196 200 202

Eficiencia(�) ��

Pureza(�) ��

Eficiencia �75�. Pureza �90� .

Al aumentar la energıa c.m. disminuye la pureza.


�

�

�

�

Medida de la Seccion EficazL3L3

MEDIDA DE LA SEC. EFICAZ


�

�

�

�


Medida de la Seccion Eficaz

La muestra es utilizada para medir parametros con el finde comprobar el M.S.

Sec. eficaz del proceso �� .

��

��– � es la eficiencia y � es la Luminosidad.

– ��: �o¯ de suc. seleccionados

– ��: �o¯ de suc. esperados contam �� y ��.

Los valores experimentales obtenidos son:


�(med)(��) ��

Mientras que los valores teoricos:


�(M.S.)(��) ��


�

�

�

�


Medida de la Seccion Eficaz

√s

[GeV]

σ(e

+ e− →W

+ W− (γ

)) [

pb] L3

qqeν

0

2

4

160 170 180 190 200

� Los resultados para 196, 200 y 202 GeV estan en buenacuerdo con las predicciones teoricas.

� Para 192 GeV, el valor de la seccion eficaz medida se en-cuentra desviado en casi dos desviaciones estandar.


�

�

�

�


Discusion de los resultados a 192 GeV

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100

Entries

Mean

8170

50.28

0

1

2

3

4

5

0 20 40 60 80 100

Entries

Mean

1692

54.66

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 20 40 60 80 100

Entries

Mean

336

50.85

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

20 40 60 80 100

Entries

Mean

236

45.73

Energıa del bump

� Para la energıa del bump el exceso en datos no se concentraen ninguna region.

� Para el angulo * del bump tampoco se vio ningun exceso.


�

�

�

�


Discusion de los resultados a 192 GeV

0

2

4

6

8

10

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Entries

Mean

8170

.3883

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Entries

Mean

1692

.8641

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Entries

Mean

336

.9522

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Entries

Mean

236

.7713

Distribucion del ��

� Para �� , exceso de datos en zona central �� hacesuponer algun defecto en el detector en dicha zona ��Pero se ha estudiado el detector sin encontrarse ningunruido o mal funcionamiento.

�� Se concluye que este exceso serıa tan solo una fluc-tuacion estadıstica.


�

�

�

�

Medida de la Masa del WL3L3

MEDIDA DE LA MASA DEL W


�

�

�

�


Metodologıa

Los metodos que extraen del proceso �� unamedida mas precisa de M� son:

1. Medida de la sec. eficaz en el umbral de produccion.

2. Reconstruccion de las masas invariantes de los W,s.

� Calibracion Monte Carlo.��Simple y directo

� Convolucion.

� Interpolacion Monte Carlo.

� Repesado.

Reconstruccion de la masa invariante

La masa invariante de cada W se obtiene a partir de sus pro-ductos de desintegracion.�� El momento del electron se mide con buena precision .

�� Las energıas y direcciones de los jets no son medidascon tan buena resolucion.�� Solucion:1. Se fuerza la reconstruccion de dos jets que se correspon-

derıan con los quarks iniciales.��Algoritmo de Durham

2. Se mejora sustancialmente la resolucion en energıa y seobtiene el momento del neutrino. ��Ajuste cinematico.

- Conservacion de energıa y momento

- Igualdad de las masas invariantes de los bosones W


�

�

�

�


Masa invariante a 192, 196, 200 y 202 GeV

Tras Aj Cinematico se obtiene masa invariante �� y ��.

Se utiliza unica distribucion pues simplifica calculos:

��

�

0

2.5

5

7.5

10

12.5

15

65 70 75 80 85 90 950

5

10

15

20

25

65 70 75 80 85 90 95

0

5

10

15

20

25

65 70 75 80 85 90 950

2

4

6

8

10

12

65 70 75 80 85 90 95

Para la medida de �� se combinan las 4 distribuciones.


�

�

�

�


Medida de la Masa del W

� Calibracion del Monte Carlo.El valor obtenido de la masa tras el ajuste no es el generado,(80.35 GeV) �� se debe calibrar el M.C, calculando � :

� � - ��

�� - � �

� Ajuste a una funcion de Breit-Wigner:

� � �!

��

�

0

20

40

60

80

70 80 90

8.740 / 4P1 80.97 .2040P2 5.776 .6490P3 371.3 26.01

0

500

1000

1500

2000

2500

70 80 90

15.38 / 7P1 80.87 .2755E-01P2 5.261 .8575E-01P3 .1095E+05 111.6

��

Realizando mismo ajuste para distribucion de datos, y cor-rigiendo segun calibracion � se obtiene:

� ��" � ��

�� %+ � ��

Error estadıstico: suma cuadratura de errores de �� y ��

��.


�

�

�

�


Resultados

Medida de la masa del W

0

10

20

30

40

50

60

70

80

65 70 75 80 85 90 95

Acuerdo entre datos experimentales y M.C. muy bueno�� Resultado compatible con las predicciones del Mod-elo Estandar.

��


�

�

�

�

ConclusionesL3L3

CONCLUSIONES


�

�

�

�

ConclusionesL3L3

Conclusiones

� Se ha utilizado la muestra de datos recogida por L3 du-rante el ano 1999 para medir diferentes parametros con elfin de comprobar el Modelo Estandar.

1. Se ha realizado la seleccion de sucesos��

obteniendose una muestra en la que destaca:

� alta eficiencia: entorno al 75�.

� alta pureza: mayor del 90�.

� se ha conseguido eliminar una gran parte de lacontaminacion proveniente de sucesos ��.

� se ha suprimido un alta proporcion de sucesos ��.

2. Se ha medido la seccion eficaz del proceso.


#��(�) ��

#��(�) ��

salvo en el punto a 192 GeV, el acuerdo con laspredicciones del Modelo Estandar es excelente


�

�

�

�

ConclusionesL3L3

3. La masa del boson W ha sido medida:

��

Compatible con la medida indirecta (�� GeV) y, por tanto, con el ModeloEstandar.

4. Las medidas llevadas a cabo en este trabajo estande acuerdo con las predicciones del Modelo Estandardentro de la sensibilidad experimental de este estudio.


presentacion tesina "estudio del proceso e+e- to w+w- to enu q q’ en lep" desarrollada...

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