Marina CobalMarina Cobal

University of UdineUniversity of Udine

1Trieste, fisica sperimentale nucleare e subnucleare

Physics at Colliders

The Z boson

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SM last milestones

•Discovery of a

Higgs particle 2012

UA1. Prima Z

04/11/23

C.8 A. Bettini3

Ze+ e–

L’eliminazione delle tracce con pT< 1 GeV rende completamente pulito l’evento, sopravvivono solo elettrone e positrone

Il rivelatore centrale tracciante nel campo magnetico misura segno della carica e momento. I calorimetri misurano l’energia degli elettroniSi controlla che E=p

Nei calorimetri elettromagnetici le Z appaiono come depositi localizzati di energia in direzioni opposte

Carlo Rubbia (1934) Simon van der Meer (1925)

• Nobel Prize 1984

for their decisive contributions to the large

project, which led to the discovery of the field

particles W and Z, communicators of weak

interaction

• Nobel Prize 1979for their contributions to the theory of the

unified weak and electromagnetic interaction

between elementary particles, including, the

prediction of the weak neutral current

Sheldon Lee Glashow (1932) Abdus Salam (1926 – 1996)Steven Weinberg (1933)

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LEP

Misure di Precisione a LEP

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Misure di Precisione a LEP: Mz

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Propagatore di un bosone massivo

(e+e->adroni)

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LEP

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LEP experiment: DELPHI

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LEP dal 1989 al 2000

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Campione Z -> adroni

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Campione Z -> leptoni

Branching Ratio• Ovvero quante volte la Zo decade in un

particolare tipo di particelle…

Previsioni teoriche

Trionfo del Modello Standard1987-1988 analisi complete di tutti i dati disponibili allora concludendo che il MS è in perfetto accordo con i datiL’angolo di Weinberg deve aver lo stesso valore in ogni caso, ma nel confronto bisogna introdurre in ciascun caso delle correzioni radiative, previste dalla teoria

Le principali

L’accordo si perde se mt>180-200 GeV

Da misure precise di LEP di mW e mZ mt=166±27 GeV

Zo → e+ e-

Udine, 10 marzo 2006Masterclasses 2006 19

ALEPH

Zo → + -

Udine, 10 marzo 2006Masterclasses 2006 20

ALEPH

Zo → + -

Udine, 10 marzo 2006Masterclasses 2006 21

ALEPH

Zo → qqbar

Udine, 10 marzo 2006Masterclasses 2006 22

ALEPH

Zo → qqbar

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DELPHI: WIRED

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Risonanza

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Misura della lineshape

Esempi. Sezione d’urto al picco

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Quante Z in µ+µ– si producono con una luminosità (tipica per LEP) L=1035m–2s–1

Cioè circa una al minutoQuante Z in adroni si producono?

Correzioni radiative

La Born è troppo semplificata. Ci sono importanti “correzioni radiative”: le maggiori elettromagnetiche,

Dominante: Brensstrahlung iniziale

Altre correzioni EM minori:

La forma della riga

Se un elettrone o un positrone irradia un fotone l’energia della collisione diminuisce; diventa risonante √s>MZ. Coda alle alte energie(picco)= 30%, dMZ 200 MeV

Si calcolano le correzioni “ovvie”, si corregge la curva misurata, si estraggono i parametri (massa, larghezza, altezza del picco)

MZ costante fondamentale, nei valori delle altre due incertezze teoriche dovute alla non conoscenza perfetta di MH, s etc

Le larghezze parziali della ZGli esperimenti a LEP hanno misurato

• le larghezze parziali in e+e–, µ+µ–, –• la “larghezza invisibile” cui contribuiscono tutte le generazioni di neutrini ed eventuali particelle neutre non previste• la larghezza in ccbar individuando i vertici secondari di decadimento• la larghezza in bbar individuando i vertici secondari di decadimento

Perfetto accordo con la teoria (e determinazione di sin2W)

Verifica universalità dell’accoppiamento debole neutro dei leptoni

Il numero di neutrini

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La misura di Mz

Misura di MZE1 (e–, µ–)

E2 (e+, µ+)

Domina l’errore sulle energie (calorimetro)

errore statistico su singola misura (m)2-3 GeVerrore sulla scala 3.1 GeV (UA1); 1.7 GeV (UA2)UA1 (24 Zee) MZ=93.1±1.0(stat)±3.1(syst) GeV

UA2 MZ=91.5±1.2(stat)±1.7(syst) GeV

Dilepton mass spectra near the Z0 peak (CDF Collaboration)

More precise methods give world average values of

MZ = 91.1870.007 GeV/c2

Z = 2.490 0.007 GeV/c2

corresponding to a lifetime of 2.6x10-25 s

Branching ratios of leptonic decay modes of Z0 are around 3.4% for each lepton generation

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Risultati del fit

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Risultati del fit

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Risultati del fit

Z signal @ LHC

Z Boson Cross Section

• Trigger requires one electron with ET>20 GeV– Criteria at L1, L2 and L3/EventFilter

• You select two electrons in the analysis– With certain quality criteria– With an isolation requirement– With ET>25 GeV and |eta|<2.5– With oppositely charged tracks with

pT>10 GeV• You require the di-electron mass to be

near the Z:• 66<M(ll)<116 GeV

38=> total trigrecIDkintrack

Total W /Z production x-section

X. Wu, SUSY2012, 13/08/1239

Measurements already limited by sys and lumi uncertainties

ATLAS points overlap with CMS

Good agreement with NNLO prediction

Discriminating power against different PDF sets

Phys. Rev. D85 (2012) 072004CMS-PAS-12-011

ZZ production at 8 TeV

ATLAS (5.8 fb−1)

CMS (5.26 fb−1) (include 2l2

ATLAS-CONF-2012-090CMS-PAS-SMP-12-014