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Vektorboson-Streuung im WZ Endzustand
mit dem ATLAS Detektor am LHC
Philipp Anger [email protected]
TU Dresden, Institut für Kern- und Teilchenphysik
DPG-Frühjahrstagung des Fachverbands Teilchenphysik, Mainz
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz2
ÜbersichtAuch nach der Entdeckung des Higgs Bosons sind nicht alle Prozesse im
Standardmodell experimentell bestätigt…
ein zentrales Physik-Ziel des LHCVektorboson-Streuung (VBS)
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz3
Einleitung
1. Prozess-Definition 2. Validierung von Monte Carlo Generatoren für VBS
3. Inklusive VV Produktion am Beispiel von WZ 4. Messung der Standardmodell VVjj-Prozesse 5. Limits auf Anomale Vierer-Kopplungen
Theorie
Experiment
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz4
* elektroschwache Eichbosonen im s-Kanal nur für W+W-jj und WZjj ** Higgs im s-Kanal nur für W+W-jj and ZZjj
✤ erlaubte Vertices im Standardmodell: • Vier-Boson-Vertex: WWγγ, WWZγ, WWWW, WWZZ • Drei-Boson-Vertex: WWZ, WWγ
✤ neutrale Kopplungen sind verboten im Standardmodell: ✤ ZZZZ, ZZZγ, ZZγγ, Zγγγ, γγγγ, ZZZ, ZZγ, Zγγ, γγγ
✤ anomale Vierer-Kopplungen nur in VBS und VVV Produktion untersuchbar
*
**
1. Prozess-Definition
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
1. Prozess-Definition
VVjj-EWK
VVjj-QCD
5
�LO / ↵6w↵
0s
�LO / ↵4w↵
2s
Aufgrund von Eichinvarianz kann Vektorboson-Streuung nicht separat gemessen werden…
Eine Liste aller VVjj Prozesse auf Tree-Level:
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz6
2. Validierung von Monte Carlo Generatoren für VBS
VBFNLO+VjjVBFNLOSherpaWhizard
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
rapidity difference between leading and subleading jet
dσ/dy
[fb]
0 2 4 6 8 10
-1
0
1
2
3
|∆y(j, j)|
Ratio
VBFNLOSherpaWhizard
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
rapidity difference between leading and subleading jet
dσ/dy
[fb]
0 2 4 6 8 10
-1
0
1
2
3
|∆y(j, j)|
Ratio
W±W±jj� EWK W±Zjj� EWK
Keine generierten Events oder validierten Generatoren für diese Prozesse waren verfügbar in ATLAS…
Details im Anhang dieses Vortrags.
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz7
3. Inklusive VV Produktion am Beispiel von WZ
invariante Masse der dem Z Boson zugeordneten Leptonen transversale Masse des W Kandidaten
• systematische Unsicherheiten (experimentell, Theorie) sind komplett enthalten • Details im Anhang dieses Vortrags
(W) [GeV]TM
0 50 100 150 200 250
Even
ts /
5 G
eV
-110
1
10
210
310WZ-QCDZ+jetsZZγZ
ttVtt
tZjWZjj-EWKSM (stat + syst)Data 2012
ATLAS = 8 TeVs, -1L dt = 20.28 fb∫
work in progress
(W) [GeV]TM0 50 100 150 200 250
Dat
a / M
C
-0.50
0.51
1.52
2.5
) [GeV]Z2,lZ
1M(l
60 80 100 120 140 160 180 200
Even
ts /
2.5
GeV
-210
-110
1
10
210
310 WZ-QCDZ+jetsZZγZ
ttVtt
tZjWZjj-EWKSM (stat + syst)Data 2012
ATLAS = 8 TeVs, -1L dt = 20.28 fb∫
work in progress
) [GeV]Z2,lZ
1M(l
60 80 100 120 140 160 180 200
Dat
a / M
C
-0.50
0.51
1.52
2.5
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
n(j)0 1 2 3 4 5 6
Even
ts-110
1
10
210
310
410 WZ-QCD
Fake DD
ZZ
Vtt
tZj
WZjj-EWK
SM (stat + syst)
ATLAS = 8 TeVs, -1L dt = 20.28 fb∫
work in progress
8
3. Inklusive VV Produktion am Beispiel von WZ
invariante Masse des WZ Paares Jet-Multiplizität
• rechts: daten-getriebene Fake-Untergrund-Abschätzung • systematische Unsicherheiten (experimentell, Theorie) sind komplett enthalten • Details im Anhang dieses Vortrags
ATLAS-CONF-2013-021
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
[GeV]jjM0 500 1000 1500 2000 2500
Even
ts /
200
GeV
-110
1
10
210
Fake DD
ZZ
Vtt
tZj
WZ-QCD
WZjj-EWK
SM (stat + syst)
ATLAS = 8 TeVs, -1L dt = 20.28 fb∫
work in progress
9
4. Messung der Standardmodell VVjj-Prozesse
WZjj - Messung • bisher nie gemessen • Kontrollregion für WZjj-EWK
WZjj-EWK - Messung • bisher nie gemessen • beinhaltet VBS • Veto auf zentrale Jets (nicht im Plot) • Signal: dominant bei hohen
invarianten Jet-Massen
invariante Masse der beiden härtesten Jets
• daten-getriebene Fake-Untergrund-Abschätzung • systematische Unsicherheiten (experimentell, Theorie) sind komplett enthalten • Details im Anhang dieses Vortrags
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
5. Limits auf anomale Vierer-Kopplungen
10
LHC bei 7/8 TeV (mVV ~ 0.5 TeV) nicht in der Region von neuen, schweren Resonanzen
Le↵
= LSM
+X
dimension d
X
i
c(d)i
⇤d�4
i
O(d)i
Studie von Spuren dieser Resonanzen bei niedrigeren Energien via Abweichungen von Standardmodell-Kopplungen, “decoupling”, arXiv: 1307.8170 [hep-ph]
Effektive Niederenergie-Theorie / Effektive Langrangedichten
• d = 8: niedrigste ‘reine’ anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen fS,i, fT,i, fM,i Parameter, siehe Anhang • d = 6: generiert auch Dreier-Eichboson-Kopplungen • d = 4: Higgs-Terme im Standardmodell; α4, α5 beeinflussen nur QGC
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
5. Limits auf anomale Vierer-Kopplungen
11
]-4 [TeV4Λ/S,0f-10000 -5000 0 5000 10000
]-4
[TeV
4Λ/
S,1
f
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
[fb]
fiduc
ial
σ
012345678910
Wirkungsquerschnitte mit Form-Faktor-Unitarisierung:
]-4 [TeV4Λ/S,0f-30000 -20000 -10000 0 10000 20000 30000
]-4
[TeV
4Λ/
S,1
f
-20000-15000-10000-5000
05000
100001500020000 [f
b]fid
ucia
lσ
12345678910
ΛFF = 800 GeV nicht alle Punkte unitär
dynamisches* ΛFF Prozess vollständig unitär
[*] http://www.itp.kit.edu/~vbfnloweb/wiki/doku.php?id=download:formfactor
↵ ! ↵(s) =↵
(1 + s/⇤2FF)
4
In dieser Präsentation wird der Fokus auf die dimension-acht Parameter gelegt. fS,0 und fS,1 können in dimension-vier Parameter α4, α5 umgerechnet werden
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
5. Limits auf anomale Vierer-Kopplungen
12
]-4 [TeV4Λ/S,0f-20000 -10000 0 10000 20000
]-4
[TeV
4Λ/
S,1
f
-20000
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
20000expected 95% CLexpected 68% CL
ATLAS work in progress
= 8 TeVs, -1L dt = 20.3 fb∫
form factor unitarized
erwartete Ausschlussgrenzen für dimension-acht Parameter vollständig unitarisiert mit Form-Faktor-Unitarisierung
Details zur Bestimmung der Ausschlussgrenzen im Anhang
Getestete Skala neuer Physik: Λ ~100 GeV.
]-4 [TeV4Λx,if
-60000 -40000 -20000 0 20000 40000 60000
exp = [-52472,36664]T,7fexp = [-29486,20149]T,6fexp = [-11551,11323]T,5fexp = [-1580,1621]T,2fexp = [-895,873]T,1fexp = [-422,438]T,0fexp = [-565,585]M,7fexp = [-558,578]M,6fexp = [-10459,10352]M,5fexp = [-8526,8201]M,4fexp = [-9659,9464]M,3fexp = [-6155,6216]M,2fexp = [-449,426]M,1fexp = [-279,289]M,0f
expected 95% CLATLAS work in progress
= 8 TeVs, -1L dt = 20.3 fb∫
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
Zusammenfassung
13
inklusive WZ-Produktion bei ATLAS
Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen
Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
semileptonic final states
WWjj, WZjj →lνjjjjlarger branching ratio, easier mass reconstruction, but
harder to distinguish from hadronic background
WZjj, ZZjj →lljjjj hadronic background, Z-mass window useful
photons in the final state Wɣjj, Zɣjj, ɣɣjj
often not taken into account for VVjj VBS studies, since longitudinal degrees are interesting for VBS
14
xsec [fb] VVjj-EW
xsec [fb] VVjj-QCD
fully leptonic final
states
WW like-sign jj best ratio between VVjj-EW and VVjj-QCD (due to no gluons in the initial state for VVjj-QCD) 20 19
WW opp.-sign jj huge ttbar background 91 3030
WZ clean channel due to three leptons in the final state 30 687
ZZ->llll clean channel due to four leptons in the final state 2 106
ZZ->llnn higher branching ratio but more difficult to measure 3 162
Anhang zu 1.: Mögliche Endzustände
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
Anhang zu 2.: Generator-Einstellungen
15
- Leptonen: pT > 10 GeV
- Jets: pT > 20 GeV, ∆R > 0.4
- WZ-Endzustand: M(l+,l−) > 0.1 GeV
- Gμ scheme
- PDF: CT10
- scales: μf = μr = 2mW (W±W±jj), μf = μr = mW +mZ (W±Z/γ∗jj)
- kein Parton Shower, keine Fragmention, keine Hadronisierung - keine Underlying Event - Leading Order - keine zusätzlichen Jets - alle Verteilungen sind auf den Wirkungsquerschnitt des
jeweiligen Monte Carlo Generators normiert
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
Anhang zu 3. und 4.: Objekt- und Event-Rekonstruktion
16
Histogramme auf Folie 7 an dieser Stelle
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz
]-4 [TeV4Λ/S,0f-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800
]-4
[TeV
4Λ/
S,1
f
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800 [fb]
fiduc
ial
σ
-110
1
10
210
Anhang zu 5.: Un-unitarisierter Wirkungsquerschnitt
17
In dieser Präsentation wird der Fokus auf die dimension-acht Parameter gelegt. fS,0 und fS,1 können in dimension-vier Parameter α4, α5 umgerechnet werden
Wirkungsquerschnitt - keine Unitarisierung
Phasenraum: WZ VBS fiducial Phasenraum. Generator: VBFNLO. Details: siehe Anhang
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz18
Anhang zu 5.: WZ VBS Fiducial Phasespace
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz19
Anhang zu 5.: Confidence Region Extraction
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz20
linear realization of symmetry breaking arXiv:hep-ph/0606118v2, Eboli et. al
✤ three possibilities to get dimension-8 operators lead to 20 different parameters: ✤ operators with just covariant derivative of Higgs doublet: parameter fS,i with i ∈ {0,1} ✤ operators with covariant derivative of Higgs doublet and field strength: fM,j with j ∈ {0,...,7} ✤ operators with just field strength tensor: fT,k with k ∈ {0,...,9}
✤ all of them implemented in VBFNLO arXiv:0811.4559
Anhang zu 5.: Dimension-8 Operatoren
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz21
linear realization of symmetry breaking arXiv:hep-ph/0606118v2, Eboli et. al
Anhang zu 5.: Dimension-8 Operatoren
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz22
✤ chiral Lagrangian ✤ symmetries enforced without light Higgs ✤ add higher-order dimension-4 operators (NLO in E/Lambda): ß1, αi with i = {1,...,19}
αi CP custodial sym. dimension
1 conserving conserving aTGC 4 S parameter (LEP)
2,3 conserving conserving just aTGC 4 constrained at LEP / aTGC
4,5 conserving conserving just aQGC 4
6,7 conserving violating 4
8 conserving violating aTGC 4 U parameter (LEP)
9 conserving violating aTGC 4
10 conserving violating 4
11 conserving (violates C and P) aTGC 4
12-19 violating 4
ß1 conserving violating aTGC 2 T parameter (LEP)
non-linear realization of symmetry breaking [arXiv: hep-ph/9304240]
Anhang zu 5.: Dimension-4 Operatoren
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz23
adding aQGC can lead to violation of unitarity → loss of physical meaning
K-matrix
projection of (eigen)amplitudes at Argand circle (optical theorem ensures unitarity) + physics interpretation (infinitely heavy and wide resonance) + experience from pion physics + includes other unitarization schemes - ‘difficult’ to implement - up to now just in Whizard
form-factor
!+ heavily used in aTGC studies - kind of arbitrary scale and exponent - implemented in VBFNLO / Sherpa
↵ ! ↵(s) =↵
(1 + s⇤2 )n
Anhang zu 5.: Unitarisierung
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz24
✤ MadGraph, linear realization, cutoff unitarization ✤ expected sensitivity for 14 TeV in terms of 5σ-discovery values:
VBS WZjj → lνlljj analysis ATL-PHYS-PUB-2013-006
[TeV]i3lm0.6 0.7 0.8 0.9 1
Entri
es
50100150200250300350400450 VBS WZ (SM)
-4 = 1.0 TeVT1 fSM VBS WZ +
VBS WZ (SM)
SM WZ QCD
Simulation PreliminaryATLAS-1 L = 3000 fb0
Anhang zu 5.: Resonanzen
Philipp Anger 25. März 2014 13DPG Tagung Mainz25
Generator aQGC parametrization unitarization VVjj-EW channels VVjj-QCD
channels order QCD
VBFNLO non-linear form-factor, clipping
all (not all diagrams)
WWss, WZjj work ongoing
NLO no events
Whizard linear K-matrix, clipping all
all (via VVjj-EWQCD minus VVjj-EW)
LO
PowhegBox linear clipping WWss (not all diagrams) WWss NLO
Sherpa non-linear form-factor clipping all all LO
Madgraph (and any other
generator reading FeynRules)
linear http://
feynrules.irmp.ucl.ac.be/wiki/AnomalousGaugeCoupling
(non-linear)
clipping all all LO
Phantom
Anhang zu 5.: Generatoren