t_2.1_KLohwasser.pdf

Neues vom Standardmodell:ElektroschwachePräzisionsmessungenan LHC und TeVatronKristin LohwasserUniversität Freiburg

Die Beschleuniger und Experimentep-p BeschleunigerRun II von 2002–2011√s = 1.96 TeVp-p BeschleunigerDatennahme seit März 2010 bei√s = 7 TeV28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 2

Aufgenommene DatenmengeTeVatronIntegrierte Luminosität ~10 fb -1LHC2010: Integrierte Luminosität ~45 pb -128.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 3

Aufgenommene DatenmengeTeVatronIntegrierte Luminosität ~10 fb -1LHC2010: Integrierte Luminosität ~45 pb -12011: Integrierte Luminosität ~5 fb -1LHCb: ~ 1 fb -128.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 4

Elektroschwache Präzisionsmessungen➔W-Boson-Masse➔Differentielle Wirkungsquerschnitte von W- und Z-Bosonen➔Transversalimpulsverteilungen von W- und Z-Bosonen➔Boson-Paarproduktion und Trilineare Kopplungen28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 5

Die Masse des W-Bosons➔Wichtiger Konsistenzest, auch wenn SM Higgs-Boson gefunden istWiderspruch zwischen Higgs-Boson Ausschluss und EWK ParameternmW=⎛π α⎜⎝ 2 GEMF⎞⎟⎠1/2sin θW11− ∆rStrahlungskorrekturenΔr ~ 3 %m 2 toplog(M H)➔G F, EMund sinθ Wsind mit großer Präzision gemessen – nicht limitierend28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 6

Higgs-Boson MasseGeVGeV[Pete Renton, LEP Electroweak Working Group]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 7

Was ist der limitierende Faktor?➔Gleicher Einfluss auf Higgs-Boson Masse durch Unsicherheiten von m topund m Wwenn∆m W≃ 0.006∆m top∆m W= 23 MeV → 6 MeV !!!∆m top~ 1 GeV∆m W= 23 MeV28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 9

CDF: Neue Messung der W-Boson Masse[http://theory.fnal.gov/jetp/]➔ Die CDF-Kollaboration hat letzte Woche eine neue Messung mit 2 fb-1vorgestellt➔ D0-Kollaboration plant diese Woche eine Aktualisierung mit 5 fb-1Strategie: Anpassung der erwarteten Verteilung (Templates) an Daten(für m T(W), p T(l), E TMiss)m T[CDF Note 10775]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 10

Extraktion der W-Boson Masse➔Anpassung (Template Fit) in drei Verteilungen (separat für Elektron/Myon):➔m T(W)➔ Robust gegenüber p T(W) Modell➔p T(l)➔ Weniger empfindlich gegenüber überlagerten Ereignissen (pile-up)➔ Theoretische Beschreibung der W-Produktion essentiell → p T(W)➔P T() = E TMiss➔Sensitiv auf Beschreibung der Hadronischen Aktivität➔Extraktion der Masse durch getrennten Fit in den sechs Verteilungen,Kombination unter Berücksichtigung der Korrelation (70-80%)28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 11

CDF Analyse➔Präzise theoretische Vorhersage der Verteilungen➔Schnelle und genaue Detektor-Simulation zur Erzeugung der Templates➔Ausrichtung der Spurkammern mit kosmischen Myonen, J/Ψ, Υ, Z → μμ➔Kalorimeter-Kalibrierung: Anpassung der E/p Skala von Elektronen➔Messung der hadronischen Aktivität mit Z-Bosonen➔Viele Konsistenztests➔Z-Ereignisse sind wichtig – viele Systematiken skalieren mit Datenmenge28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 12

Das neue Ergebnis von CDFm T(W) (ele)E TMiss(ele)➔➔Entsprechende Fits für MyonenKombiniertes Ergebnis aus allen Fits:M WCDF= 80387 ± 19 MeVp T(ele)[CDF Note 10775]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 13

Systematische UnsicherheitenMCDF= 80387 ± 19 MeVW[Unsicherheit auf Extraktion aus fehlenderTransversale MasseSystematik (MeV) Elektronen Myonen GemeinsamLepton-Energie-Skala 10 7 5Lepton-Energie-Auflösung 4 1 0Hadronische Aktivität: Auflösung 5 5 5Hadronische Aktivität: Skala 7 7 7Lepton Subtraktion 3 2 2Untergründe 4 3 0p T(W) Beschreibung 3 3 3Partonverteilungsfunktionen 10 10 10QED Effekte 4 4 4Gesamt 18 16 15Transversalenergie am größten, im Anhang]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 14

Higgs-Boson MasseGeVGeV[Pete Renton, LEP Electroweak Working Group]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 15

Der neue Mittelwert der W-Boson MasseM WMittelw.= 80390 ± 16 MeVGeVGeV28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 16

➔Verringerung der PDF-Unsicherheit für genauere Messung von m Wnötig➔Ehrgeiziges Ziel am LHC: 10 MeV Unsicherheit pro Experiment➔Genaues Verständnis von W- und Z-Boson-Produktion unabdingbar28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 17

Elektroschwache Präzisionsmessungen➔W-Boson-Masse➔Differentielle Wirkungsquerschnitte von W- und Z-Bosonen➔Transversalimpulsverteilungen von W- und Z-Bosonen➔Boson-Paarproduktion und Trilineare Kopplungen28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 18

W- und Z-Boson-Wirkungsquerschnitte➔Einer der präzisesten Tests von Quantenchromodynamik (NNLO)➔Sensitiv auf Partonverteilungsfunktionen (PDF)Nicht berechenbar → Messungen sind wichtig!Dominante theoretische Systematik für viele Analysen➔ Parton-Flavour tragen unterschiedlichzur Z, W + und W - Produktion bei➔ Strange-induzierte Prozesse bis zu 20% !28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 19

W-Boson-Wirkungsquerschnitte➔W±Boson-Produktion am LHC:ud (du) PaarvernichtungMehr W + als W - Bosonenwegen (uud) Protoninhalt28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 20

Kinematischer Phasenraum➔➔HERA nicht sensitiv aufu/d UnterschiedGemessener x-Bereichist abhängig von RapiditätZentrale Produktion: x 1~ x 2Hohe Rapidität: x 1> x 2Skala des Prozesses, Impulsübertrag Q 2 [GeV 2 ]LHCx1 ~ x 2Rapidität:Impulsanteil des Partons, Bjorken x28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 21

Kinematischer Phasenraum➔➔HERA nicht sensitiv aufu/d UnterschiedGemessener x-Bereichist abhängig von RapiditätZentrale Produktion: x 1~ x 2Hohe Rapidität: x 1> x 2Skala des Prozesses, Impulsübertrag Q 2 [GeV 2 ]LHC x 2x 1x (y):Impulsanteil des Partons, Bjorken x28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 22

W-Boson LadungsasymmetrieNLO comparisonNNLO comparison➔➔➔[CMS PAS EWK-11-005][ATLAS, CERN-PH-EP-2011-143Submitted to Phys. Rev. D]Messungen sind jetzt schon in der Lage, PDFs zu testenNNPDF Kollaboration: bis zu 20% Fehlerreduzierung auf Valenzquarks2011 Daten werden noch größeren Einfluss habenAsymmetrie:28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 23

Interessante Beiträge von LHCb[ATLAS-CONF-2011-129]W SignalK/ZMuon p T➔➔➔LHCb Kollaboration misst W- und Z-Boson-Produktion im VorwärtsbereichMessung des extremen x-BereichesWeitere Ergebnisse: differentielle Z-p Tund Z-Rapidität Messungen28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 24

Differentielle Z-Boson-Wirkungsquerschnitte➔ Z-Boson-Rapiditätsverteilungen von CMS und ATLAS für 2010➔ Experimente beobachten Sensitivität auf Strange-Seequarks im Proton[CERN-PH-EP-2011-143, CMS-EWK-10-010, both submitted to Phys. Rev. D]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 25

PDF Analysen mit W und ZVerhältnis von Strange zu Down-Seequarks[CERN-PH-EP-2011-143]Fit mit HERA undATLAS Daten➔➔Übliche Annahme: Mehr Down- als Strange-Seequarks (Masseneffekt)Bisher keine direkten Tests bei hoher Schwerpunktsenergie➔Ersten LHC-Daten zeigen: Evidenz für mehr Strange-Quarks im Proton28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 26

Direkte Sensitivität: W-Boson+Charm-Quark[CMS PAS EWK-11-013]Systematisch dominiert➔W-Boson+Charm-Quarküber Gluon-Quark Fusiondirekt sensitiv auf Strange-Partonen➔Charm-Selektion über Template-Fitin Sekundärvertex-VerteilungStatistisch dominiert28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 27

Elektroschwache Präzisionsmessungen➔W-Boson Masse➔Differentielle Wirkungsquerschnitte von W- und Z-Bosonen➔Transversalimpulsverteilungen von W- und Z-Bosonen➔Boson-Paarproduktion und Trilineare Kopplungen28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 28

Transversalimpulsverteilungen➔Verschiedene Rechnungen für unterschiedliche Bereiche des Boson pTSpektrumsHohes p T: harte Partonabstrahlung – pQCD bei fixer Ordnung von α sKleines p T: weiche Gluonemission – Resummation von logarithmisch divergenten Termen➔Transversalimpulsspektrum ist wichtige Größefür präzise Messung der W-Boson Masse[CMS-EWK-10-010, Submitted to Phys. Rev. D][Phys.Rev.D 85 (2012) 012005,Phys.Lett.B 705 (2011) 415-434]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 29

Elektroschwache Präzisionsmessungen➔W-Boson Masse➔Differentielle Wirkungsquerschnitte von W- und Z-Bosonen➔Transversalimpulsverteilungen von W- und Z-Bosonen➔Boson-Paarproduktion und Trilineare Kopplungen28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 30

Trilineare Eichkopplungen (TGC)➔Ergeben sich aus SU(2) ⨉U(1)Eichgruppe➔Allgemeine elektroschwache Lagrangedichte:14 Kopplungen➔Annahme von CP Erhaltung und Eichinvarianz:Reduktion auf 5 Kopplungeng 1Z= = Z= 1 = Z= 0➔Z Kopplung verboten28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 31

Messung von Boson-Paarproduktion➔Erlaubte Prozesse im SM:W → WZZ → WWW → W➔Paarproduktion testet Struktur der elektroschwachen Wechselwirkung28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 32

Messung von Boson-Paarproduktion➔Erlaubte Prozesse im SM:W → WZZ → WWW → W➔Endzustände nur über t,u Kanal:ZZZ➔Paarproduktion testet Struktur der elektroschwachen Wechselwirkung28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 33

Messungen am LHCWW➔Eindeutige Signale für alle Paarproduktions-ProzesseWZZZ➔Messung in Endzuständen mit 2 – 4 Leptonen➔➔Systematische Unsicherheiten dominieren bereitsin den WW-MessungenIrreduzibler Untergrund in der Higgs → WW-Suche[CMS-PAS-EWK-11-010,ATLAS-CONF-2011-110,CERN-PH-EP-2011-184,CERN-PH-EP-2011-166]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 34

Boson-Paarproduktion am TeVatron➔Alle Paarproduktion-Wirkungsquerschnitte gemessen➔ZZ → 2 Leptonen,2 Neutrinos[FERMILAB-PUB-12-022-E,PRL 103, 191801 (2009)]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 35➔Messung in anspruchvollenEndzuständen:ZZ → 2 Leptonen, 2 NeutrinosWW → 1 Lepton, 2 Jets

Resultate➔Gute Übereinstimmung mit Vorhersagen28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 36

Grenzen auf anomale Kopplungen➔➔Effektive Lagrangedichte für TGCs enthält unitaritätsverletzende TermeEinführung von Dipol-Formfaktoren zur Regularisierung√ŝ = partonischer WirkungsquerschnittΛ = Skala➔Formfaktoren dämpfenWirkungsquerschnitt beihohen Skalen[Physics Letters B 701 (2011) 535–555]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 37

Grenzen auf anomale Kopplungen➔Grenzen auf Abweichungen von den SM TGCs bei bestimmter Skale Λ Z➔VergleichATLAS (1 fb -1 )D0 (4.1 fb -1 )Δ Z➔ATLAS reicht an dieSensitivität von D0 heranZΔg 1➔Kein Zeichen aufanomale Kopplungen (→ 0)28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 38

„Wiederentdeckung“ des SM am LHC➔Standardmodell-Wirkungsquerschnitte gemessenbei ATLAS, CMS and LHCb28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 39

Zusammenfassung➔Neue Messungen der W-Boson Masse➔Unsicherheit auf 16 MeV reduziert➔➔Differentielle Messungen von W- und Z-Bosonen➔Neue Erkenntnisse über ProtonstrukturfunktionenKein Zeichen Neuer Physik in Boson-Paarproduktion➔LHC und TeVatron setzen Grenzen auf anomale Eichkopplungen➔Die nächsten Jahre versprechen neue spannende Ergebnisse28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 40

Backup slides28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 41

… with millions of events to be analyzed~100 million W~10 million Z~150 million W~15 million Zσ Wσ Z~ 1000 WW~ 400 WZ~ 150 ZZσ WWσ WZ~ 2000 WW~ 800 WZ~ 350 ZZσ ZZ[counting all final states]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 42

Hohe Anforderungen➔Schablonenfit erfordert genaustes Verständnis der Verteilungenp T (W) = 0p T (W) ≠ 0gemessen,Detektoreffekte28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 43

Hohe Anforderungen➔Schablonenfit erfordert genaustes Verständnis der Verteilungenp T (W) = 0p T (W) ≠ 0gemessen,Detektoreffekte28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 44

Anspruchsvolle Messung28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 45

Anspruchsvolle Messung➔Ausrichtung der Spurkammern mit Kosmischen Myonen, J/Ψ, Υ → μμKonsistenztest: Z → μμ: Übereinstimmung mit PDG innerhalb 0.7σ (stat.)28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 46

Anspruchsvolle Messung➔Kalorimeter-Kalibrierung: Anpassung der E/p Skala von ElektronenKonsistenztest: Z → ee: Übereinstimmung mit PDG innerhalb 1.4σ (stat.)28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 47

Anspruchsvolle Messung➔Hadronischer Rückstoß: Anpassung mittels Z-pT-BalanceMittelwert der η Z-pT-Balance„Underlying event“ oder harter JetW-Rückstoß28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 48

Das ErgebnisM WCDF= 80387 ± 19 MeVTransversal MasseTransversaler ImpulsFehlende Transversalenergie28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 49

Elektroweak precision analysis➔➔Electroweak fits prefer a different value of the W mass....… and it is moving there[gFitter Group, arXiv:1107.0975,Submitted to Eur. Phys. J.C]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 50

LHCb W and Z cross sections➔Measurements in the μ channel➔W: cuts on IP significance andinvariant mass of the event (taking out μ)➔Differential: Z rapidity, Z pT, W asymmetry[LHCb-CONF-2011-039]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 51

W und Z Messungen➔Prozesse mit Photon-Abstrahlung (ISR, FSR) sindirreduzierbar und werden oft als Signal gezählt[https://twiki.cern.ch/twiki/pub/CMSPublic/PhysicsResultsEWK/lep.png– Note: plot modified to contain only dibosons]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 52

Differential W and Z cross sections➔Fiducial region:[ATLAS, CERN-PH-EP-2011-143Submitted to Phys. Rev. D]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 53

W charm cross section➔Selection and Systematics:muon: pT > 25 GeV, |η|0.3)relative isolation (Ecal+HCal+tracks)/pT < 0.1W candidate: large transverse mass > 50 GeVcharm jet: pT>20 GeV, |η|

W and Z with b-jets➔Production via initial state (mainly Z, for W CKM-supressed)or via radiation of boson or of gluon splitting in bb➔Backgrounds to Higgs andNew Physics searches➔NLO calculations available➔CDF reportedenhanced cross sectioncompared to theoryBosonradiationgluon radiationand splitting28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 56

W and Z with b-jets➔Standard W and Z selection with additional b-jet requirementsCMS: Simple Secondary Vertex algorithm (SSV)ATLAS: SV0 secondary vertex algorithm and fit in secondary vertex mass➔ATLAS W+b cross section is ~1.5 σ larger than predictions➔Z+b cross section measured asinclusive Z+b (ATLAS)number b-jets in Z sample (ATLAS)Z+b+X/Z+jets+X (CMS)➔Each measured with ~25% uncertaintydominated by statistics for 2010➔ Good agreement with theory[Phys.Lett.B 706 (2012) 295-313, CMS PAS EWK-10-015,Phys.Lett.B 707 (2012) 418-437]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 57

W + bjets cross section➔Selection and Systematics28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 58

Z + bjets cross section➔Selection and Systematics28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 59

Measuring Dibosons➔WWV with V=Z, vertices fully determined in SM due to SU(2) LU(1) Y➔ Only 4 couplings are allowed, g Z,and Z,= 1,due to symmetry considerations (CP conservation) andgauge invariance of electromagnetic interactions➔Tests Lagrangian of EWK gauge bosons➔Irreducible background to Higgs searches➔Challenging analyses28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 60

W Polarization➔Large fraction of quark-gluon induced W productionleads to preference of left handed polarization➔Using observables highly-correlated with inaccessible cosΘ*:➔Template fit to extract polarization statesStatical and total uncertainty[Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 021802]28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 61

P Tmeasurements➔Selection and Systematics28.2.2012 Elektroschwache Messungen an LHC und TeVatron – DPG-Tagung 2012 – Kristin Lohwasser 62