Ottimizzazione della selezione del decadimento D0->K+K- e D0->pi+pi- ad LHCb mediante un'analisi multivariata

L'esperimento LHCb è stato progettato per eseguire misure di altissima precisione nel settore della fisica dei quark pesanti al Large Hadron Collidere del CERN. Sfruttando l'alta sezione d'urto di produzione di charm nelle interazioni protone-protone ad LHC e utilizzando la statistica raccolta durante il RUN-1, corrispondente ad una luminosità integrata di 3 fb{-1}, l'esperimento LHCb ha realizzato le misure più precise al mondo in questo settore. In particolare i decadimenti del mesone D0 in due corpi carichi senza leptoni nello stato finale hanno permesso di realizzare misure di violazione di CP} che raggiungono precisioni inferiori al 0.1 %. Da pochi mesi LHCb ha iniziato la seconda fase di presa dati, chiamata RUN-2, raccogliendo dati dalle interazioni protone-protone ad una energia nel centro di massa di sqrt{s}=13 TeV, superiore a quella del RUN-1. Le misure attuali di violazione di CP nel settore del charm, sono consistenti con l'ipotesi di non violazione. Il Modello Standard, pur con grandi incertezze teoriche, prevede una violazione di CP molto piccola, pertanto per verificare o meno l'esistenza di taleviolazione, sarà necessario sfruttare al massimo la statistica che verrà raccolta durante il RUN-2, ottimizzando gli algoritmi di selezione dei canali di interesse. In questa tesi verrà presentata uno studio preliminare che ha lo scopo di ottimizzare, mediante una tecnica di analisi multivariata, la selezione dei decadimenti D^*pm-> D0(K+K-)pi_s^pm e D^*pm}-> D0(pi+pi-)pi_s^pm} in previsione della prossima presa dati.

Characteristics of multijet t/t events reconstructed by CMS in pp collisions at 13 TeV

We present here a characterization of the Monte Carlo samples used at CMS in the current LHC run (Run 2, sqrt(s)=13 TeV) and we compare them to the ones used in the previous run (Run 1, sqrt(s)=8 TeV). We then use these samples to reconstruct the top quark mass from the all-hadronic decay products and we compare the efficiencies of the standard reconstruction method when applied to the two different samples. We finally find a way to improve the efficiency for 13 TeV samples by using jets reconstructed with a different algorithm, the Cambridge-Aachen algorithm.

Proposal of a Continuous Read-out Implementation in the ALICE-TOF detector

The main purpose of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the investigation of the QGP. The ALICE experiment situated at the CERN has been specifically designed to study heavy-ion collisions for centre-of-mass energies up to 5.5 per nucleon pair. Extended particle identification capability is one of the main characteristics of the ALICE experiment. In the intermediate momentum region (up to 2.5 GeV/c for pi/K and 4 GeV/c for K/p), charged particles are identified in the ALICE experiment by the Time of Flight (TOF) detector. The ALICE-TOF system is a large-area detector based on the use of Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) built with high efficiency, fast response and intrinsic time resolution better than 40 ps. This thesis work, developed with the ALICE-TOF Bologna group, is part of the efforts carried out to adapt the read-out of the detector to the new requirements after the LHC Long Shutdown 2. Tests on the feasibility of a new read-out scheme for the TOF detector have been performed. In fact, the achievement of a continuous read-out also for the TOF detector would not be affordable if one considers the replacement of the TRM cards both for hardware and budget reasons. Actually, the read-out of the TOF is limited at 250 kHz i.e. it would be able to collect up to just a fourth of the maximum collision rate potentially achievable for pp interactions. In this Master’s degree thesis work, I discuss a different read-out system for the ALICE-TOF detector that allows to register all the hits at the interaction rate of 1 MHz foreseen for pp interactions after the 2020, by using the electronics currently available. Such solution would allow the ALICE-TOF detector to collect all the hits generated by pp collisions at 1 MHz interaction rate, which corresponds to an amount four times larger than that initially expected at such frequencies with the triggered read-out system operated at 250 kHz for LHC Run 3. The obtained results confirm that the proposed read-out scheme is a viable option for the ALICE TOF detector. The results also highlighted that it will be advantageous if the ALICE-TOF group also implement an online monitoring system of noisy channels to allow their deactivation in real time.

Ricostruzione di segnali multipli del rivelatore a tempo di volo (ToF) di ALICE: confronto fra dati e Monte Carlo

La fisica delle collisioni ad alte energie è, ad oggi, uno dei campi di ricerca più interessante per la verifica di modelli teorici che spieghino la nascita e la formazione dell'universo in cui viviamo. In quest'ottica lavorano esperimenti presso i più importanti acceleratori di particelle: tra questi anche l'esperimento ALICE, presso il Large Hadron Collider LHC del CERN di Ginevra. Il suo scopo principale è quello di verificare e ampliare l'insieme delle prove sperimentali alla base sull'esistenza di un nuovo stato della materia: il Quark Gluon Plasma. La presenza della transizione di fase della materia adronica ordinaria a QGP era stata teorizzata da diversi studi termodinamici e da calcoli di QCD su reticolo: in particolare si prevedeva l'esistenza di uno stato della materia in cui i quark sono deconfinati. Il QGP è dunque un plasma colorato e densissimo di quark e gluoni, liberi di interagire tra loro. Queste condizioni sarebbero state quelle dell'universo primordiale, circa 1µs dopo il Big Bang: a seguito di una transizione di fase, si sarebbe poi formata tutta la materia adronica ordinaria. Per riprodurre le condizioni necessarie alla formazione del QGP occorrono collisioni ad energie ultrarelativistiche come quelle prodotte, negli ultimi anni, dall'acceleratore LHC. Uno dei principali rivelatori dedicati all'identificazione di particelle in ALICE è il sistema a tempo di volo TOF. Nonostante un attento processo di ottimizzazione della risoluzione delle sue componenti, persistono residui errori strumentali che limitano la qualità (già ottima) del segnale, tutt'oggi oggetto di studio. L'elaborato presentato in questa tesi è suddiviso in tre capitoli: nel primo ripercorriamo gli aspetti teorici del Modello Standard e del Quark Gluon Plasma. Nel secondo descriviamo la struttura di rivelazione di ALICE, analizzando il funzionamento delle singole componenti. Nel terzo, infine, verifichiamo le principali correzioni al TOF ad oggi note, confrontando i dati a nostra disposizione con delle simulazioni Monte Carlo: questo ci permette da un lato di approfondirne la conoscenza, dall'altro di cercarne di migliorare la descrizione del comportamento del rivelatore.

Misura di asimmetria CP nei decadimenti: $D^0 \to K^+K^-$ e $D^0 \to \pi^+ \pi^-$ ad LHCb

La fisica del sapore è uno dei settori di ricerca più promettenti per realizzare misure di altissima precisione del Modello Standard e per osservare indirettamente, attraverso i decadimenti mediati dalle interazioni deboli nuove particelle. L'esperimento LHCb \`e stato progettato per realizzare misure di altissima precisione in questo settore. Grazie all'alta luminosità integrata disponibile (3 fb \ap{-1}) ed alla elevata sezione d’urto di produzione dei quark charm, LHCb \`e in grado di realizzare misure di una precisione mai raggiunta fino ad ora da altri esperimenti. In questo lavoro di tesi \`e stata realizzata una misura preliminare della simmetria di violazione di CP, realizzata mediante i decadimenti dei mesoni neutri $D^0$ negli stati finali $K^+K^-$ e $\pi^+\pi^-$. Per realizzare la misura sono stati selezionati i decadimenti $D^{*\pm} \to D^0(K^+K^-)\pi^\pm_s$ e $D^{*\pm} \to D^0(\pi^+\pi^-)\pi^\pm_s$ utilizzando i dati raccolti da LHCb durante il RUN-1 (2010-2012) ed \`e stato sviluppato un modello di adattamento ai dati in grado di misurare la differenza di asimmetria di CP integrate nel tempo nei decadimenti $D^0 \rightarrow K^+K^-$ e $D^0 \rightarrow \pi^+\pi^-$, $\Delta A_{CP}$. Il modello \`e stato sviluppato in modo da descrivere le distribuzioni di massa invariante del $D^0$ e del $D^{*\pm}$ sia per la componente di segnale sia per quelle di fondo ed \`e stato adattato ai dati, per sottrarne i fondi e misurare le asimmetrie $A_{RAW}(K^+K^-)$ e $A_{RAW}(\pi^+\pi^-)$, corrispondenti alla differenza tra il numero di eventi di segnale $D^{*+}$ e $D^{*-}$, diviso la loro somma. La differenza di queste asimmetrie corrisponde a $\Delta A_{CP}$, la cui misura, non ufficiale, \`e stata determinata essere $\Delta A_{CP}= (-0.12\pm 0.08)\% $. Questo risultato rappresenta la miglior misura al mondo mai realizzata da un singolo esperimento.

Measurement of tt ̄production cross section at 13 TeV in the fully-hadronic channel with CMS

Lo scopo di questa tesi è la misura di sezione d’urto di produzione di coppie top-antitop nel canale adronico. Per la misura sono stati utilizzati i dati raccolti dall’esperimento CMS in collisioni protone-protone ad LHC, con un’energia nel centro di massa pari a 13 TeV. Il campione di dati utilizzato corrisponde ad una luminosità integrata di 2.474 f b^ −1 . L’analisi dati inizia selezionando gli eventi che soddisfano determinate condizioni (e.g. trigger, tagli cinematici, sei o più jet, almeno 2 jet provenienti dall’adronizzazione di due quark bottom) con lo scopo di incrementare la purezza del segnale scartando il più possibile gli eventi di fondo. A seguire, viene ricostruita la massa del quark top usando un fit cinematico. Sulle distribuzioni di tale massa si basa la stima degli eventi di fondo e di segnale. Infine, attraverso un fit di verosimiglianza, si ottiene il valore della sezione d’urto: σ t t ̄ = 893 ± 57 (stat) ± 104 (syst) pb. Questo risultato è in buon accordo con il valore teorico di 832 pb e con altre misure di CMS effettuate in canali differenti.

Lambda_c detection using a weighted Bayesian PID approach

Lo scopo della tesi è di stimare le prestazioni del rivelatore ALICE nella rivelazione del barione Lambda_c nelle collisioni PbPb usando un approccio innovativo per l'identificazione delle particelle. L'idea principale del nuovo approccio è di sostituire l'usuale selezione della particella, basata su tagli applicati ai segnali del rivelatore, con una selezione che usi le probabilità derivate dal teorema di Bayes (per questo è chiamato "pesato Bayesiano"). Per stabilire quale metodo è il più efficiente , viene presentato un confronto con altri approcci standard utilizzati in ALICE. Per fare ciò è stato implementato un software di simulazione Monte Carlo "fast", settato con le abbondanze di particelle che ci si aspetta nel nuovo regime energetico di LHC e con le prestazioni osservate del rivelatore. E' stata quindi ricavata una stima realistica della produzione di Lambda_c, combinando i risultati noti da esperimenti precedenti e ciò è stato usato per stimare la significatività secondo la statistica al RUN2 e RUN3 dell'LHC. Verranno descritti la fisica di ALICE, tra cui modello standard, cromodinamica quantistica e quark gluon plasma. Poi si passerà ad analizzare alcuni risultati sperimentali recenti (RHIC e LHC). Verrà descritto il funzionamento di ALICE e delle sue componenti e infine si passerà all'analisi dei risultati ottenuti. Questi ultimi hanno mostrato che il metodo risulta avere una efficienza superiore a quella degli usuali approcci in ALICE e che, conseguentemente, per quantificare ancora meglio le prestazioni del nuovo metodo si dovrebbe eseguire una simulazione "full", così da verificare i risultati ottenuti in uno scenario totalmente realistico.

Sezioni d'urto differenziali per la produzione t/t a 8 TeV nel canale puramente adronico con CMS

La sezione d'urto differenziale di produzione di coppie t/t viene misurata utilizzando dati raccolti nel 2012 dall'esperimento CMS in collisioni protone-protone con un'energia nel centro di massa di 8 TeV. La misura viene effettuata su eventi che superano una serie di selezioni applicate al fine di migliorare il rapporto segnale/rumore. In particolare, facendo riferimento al canale all-hadronic, viene richiesta la presenza di almeno sei jet nello stato finale del decadimento della coppia t/t di cui almeno due con quark b. Ottenuto un campione di eventi sufficientemente puro, si può procedere con un fit cinematico, che consiste nel minimizzare una funzione chi quadro in cui si considera tra i parametri liberi la massa invariante associata ai quark top; le cui distribuzioni, richiedendo che il chi quadro sia <10, vengono ricostruite per gli eventi candidati, per il segnale, ottenuto mediante eventi simulati, e per il fondo, modellizzato negando la presenza di jet con b-tag nello stato finale del decadimento della coppia t/t. Con le suddette distribuzioni, attraverso un fit di verosimiglianza, si deducono le frazioni di segnale e di fondo presenti negli eventi. È dunque possibile riempire un istogramma di confronto tra gli eventi candidati e la somma di segnale+fondo per la massa invariante associata ai quark top. Considerando l'intervallo di valori nel quale il rapporto segnale/rumore è migliore si possono ottenere istogrammi di confronto simili al precedente anche per la quantità di moto trasversa del quark top e la massa invariante e la rapidità del sistema t/t. Infine, la sezione d'urto differenziale è misurata attraverso le distribuzioni di tali variabili dopo aver sottratto negli eventi il fondo.

Measurement of the inclusive and differential t/t cross sections at 13 TeV in the all-jets boosted regime with CMS

The t/t production cross section is measured with the CMS detector in the all-jets channel in $pp$ collisions at the centre-of-mass energy of 13 TeV. The analysis is based on the study of t/t events in the boosted topology, namely events in which decay products of the quark top have a high Lorentz boost and are thus reconstructed in the detector as a single, wide jet. The data sample used in this analysis corresponds to an integrated luminosity of 2.53 fb-1. The inclusive cross section is found to be sigma(t/t) = 727 +- 46 (stat.) +115-112 (sys.) +- 20~(lumi.) pb, a value which is consistent with the theoretical predictions. The differential, detector-level cross section is measured as a function of the transverse momentum of the leading jet and compared to the QCD theoretical predictions. Finally, the differential, parton-level cross section is reported, measured as a function of the transverse momentum of the leading parton, extrapolated to the full phase space and compared to the QCD predictions.