Ricerca di una risonanza ad alta massa nello stato finale mu+mu- a sqrt(s)=13 TeV con il rivelatore CMS

Il Modello Standard descrive la fenomenologia delle interazioni fondamentali con estrema precisione; tuttavia è incompleto e deve esistere nuova fisica oltre tale modello. Al momento non si è in grado di prevedere come e a che scala di energia tale fisica si manifesti. Un’eventuale risonanza nello stato finale μ + μ − a masse elevate costituirebbe un segnale di nuova fisica. Un fenomeno di questo tipo viene catalogato come produzione della particella Z' , la quale non rappresenterebbe necessariamente un nuovo bosone vettore sequenziale alla Z_0 . Questa tesi si colloca nell’ambito della ricerca della Z' nei processi di interazione protone-protone a LHC in termini di una generica risonanza che decade in coppie di muoni di carica opposta. I limiti attualmente fissati stabiliscono che non vi siano segnali di nuove risonanze per il Modello Sequenziale (SSM) al di sotto dei 2960 GeV. In questo lavoro di tesi si effettua un’analisi per un’eventuale Z ', fino a 5 TeV di massa. A Maggio 2015, LHC ha raggiunto un’energia nel centro di massa di 13 TeV aumentando di un fattore 10 o più il potere di scoperta per oggetti con massa superiore a 1 TeV. In questo scenario, favorevole all’osservazione di fenomeni rari, si inserisce la mia ricerca.

Investigation of petabyte-scale data transfer performances with PhEDEx for the CMS experiment

PhEDEx, the CMS transfer management system, during the first LHC Run has moved about 150 PB and currently it is moving about 2.5 PB of data per week over the Worldwide LHC Computing Grid (WLGC). It was designed to complete each transfer required by users at the expense of the waiting time necessary for its completion. For this reason, after several years of operations, data regarding transfer latencies has been collected and stored into log files containing useful analyzable informations. Then, starting from the analysis of several typical CMS transfer workflows, a categorization of such latencies has been made with a focus on the different factors that contribute to the transfer completion time. The analysis presented in this thesis will provide the necessary information for equipping PhEDEx in the future with a set of new tools in order to proactively identify and fix any latency issues. PhEDEx, il sistema di gestione dei trasferimenti di CMS, durante il primo Run di LHC ha trasferito all’incirca 150 PB ed attualmente trasferisce circa 2.5 PB di dati alla settimana attraverso la Worldwide LHC Computing Grid (WLCG). Questo sistema è stato progettato per completare ogni trasferimento richiesto dall’utente a spese del tempo necessario per il suo completamento. Dopo svariati anni di operazioni con tale strumento, sono stati raccolti dati relativi alle latenze di trasferimento ed immagazzinati in log files contenenti informazioni utili per l’analisi. A questo punto, partendo dall’analisi di una ampia mole di trasferimenti in CMS, è stata effettuata una suddivisione di queste latenze ponendo particolare attenzione nei confronti dei fattori che contribuiscono al tempo di completamento del trasferimento. L’analisi presentata in questa tesi permetterà di equipaggiare PhEDEx con un insieme di utili strumenti in modo tale da identificare proattivamente queste latenze e adottare le opportune tattiche per minimizzare l’impatto sugli utenti finali.

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.

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.

Controllo della misura della luminosità con il canale Z -> mu+mu- in ATLAS

La misura della sezione d'urto di processi fisici prodotti negli urti fra protoni ad LHC è uno dei settori più importanti della ricerca in corso, sia per verificare le predizioni del Modello Standard, che per la ricerca di nuova fisica. La precisione necessaria per distinguere fenomeni standard e non, richiede un ottimo controllo delle incertezze sistematiche. Fra le sorgenti di errore sistematico, di particolare importanza sono quelle sulla misura della luminosità, che rappresenta il fattore di normalizzazione necessario per la misura di qualsiasi sezione d'urto. Ogni esperimento che si proponga misure di questo genere è quindi dotato di monitor di luminosità dedicati. In questa tesi sono presentate le tecniche di misura della luminosità ad ATLAS utilizzando i rivelatori dedicati e le problematiche incontrate nel corso della presa dati del 2012, sia per quanto riguarda la loro procedura di calibrazione assoluta, che per la loro stabilità in funzione del tempo e linearità di risposta, e vengono fornite le incertezze sistematiche dipendenti dal loro confronto. Per meglio comprendere tali risultati, si è studiato il canale di produzione del bosone Z nelle interazioni protone-protone, all'energia nel centro di massa s = √8 TeV mediante il suo decadimento in due muoni, utilizzando i dati acquisiti nel corso del 2012 Nel primo capitolo vengono definiti i concetti di luminosità istantanea ed integrata, sia dalla prospettiva del collider che le fornisce, che dal punto di vista delle analisi di fisica, quale quella svolta in questa tesi. Nel secondo capitolo viene descritto l'insieme dei rivelatori utilizzati da ATLAS per la misura della luminosità e i risultati ottenuti mediante il loro confronto in termini di incertezze sistematiche. Nel terzo capitolo viene infine presentata la misura della sezione d'urto di produzione del bosone Z e l'utilizzo di tale misura per il controllo della stabilità nel tempo e della linearità della misura sperimentale della luminosità.

Measurement of dijet azimuthal decorrelations in pp collisions at sqrt(s)=7 TeV

Azimuthal decorrelations between the two central jets with the largest transverse momenta are sensitive to the dynamics of events with multiple jets. We present a measurement of the normalized differential cross section based on the full data set (∫Ldt=36  pb(-1)) acquired by the ATLAS detector during the 2010 sqrt(s)=7  TeV proton-proton run of the LHC. The measured distributions include jets with transverse momenta up to 1.3 TeV, probing perturbative QCD in a high-energy regime.

Search for supersymmetry using final states with one lepton, jets, and missing transverse momentum with the ATLAS detector in √s=7 TeV pp collisions

This Letter presents the first search for supersymmetry in final states containing one isolated electron or muon, jets, and missing transverse momentum from √s=7  TeV proton-proton collisions at the LHC. The data were recorded by the ATLAS experiment during 2010 and correspond to a total integrated luminosity of 35  pb(-1). No excess above the standard model background expectation is observed. Limits are set on the parameters of the minimal supergravity framework, extending previous limits. Within this framework, for A(0)=0 GeV, tanβ=3, and μ>0 and for equal squark and gluino masses, gluino masses below 700 GeV are excluded at 95% confidence level.

Search for a standard model Higgs boson in the H→ZZ→ℓ(+)ℓ(-)νν decay channel with the ATLAS detector

A search for a heavy standard model Higgs boson decaying via H→ZZ→→ℓ(+)ℓ(-)νν, where ℓ=e, μ, is presented. It is based on proton-proton collision data at √s=7 TeV, collected by the ATLAS experiment at the LHC in the first half of 2011 and corresponding to an integrated luminosity of 1.04 fb(-1). The data are compared to the expected standard model backgrounds. The data and the background expectations are found to be in agreement and upper limits are placed on the Higgs boson production cross section over the entire mass window considered; in particular, the production of a standard model Higgs boson is excluded in the region 340

Jet energy measurement with the ATLAS detector in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV

The jet energy scale (JES) and its systematic uncertainty are determined for jets measured with the ATLAS detector at the LHC in proton-proton collision data at a centre-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV corresponding to an integrated luminosity of 38 inverse pb. Jets are reconstructed with the anti-kt algorithm with distance parameters R=0.4 or R=0.6. Jet energy and angle corrections are determined from Monte Carlo simulations to calibrate jets with transverse momenta pt > 20 GeV and pseudorapidities eta<4.5. The JES systematic uncertainty is estimated using the single isolated hadron response measured in situ and in test-beams. The JES uncertainty is less than 2.5% in the central calorimeter region (eta<0.8) for jets with 60 < pt < 800 GeV, and is maximally 14% for pt < 30 GeV in the most forward region 3.2 50 GeV after a dedicated correction for this effect. The JES is validated for jet transverse momenta up to 1 TeV to the level of a few percent using several in situ techniques by comparing a well-known reference such as the recoiling photon pt, the sum of the transverse momenta of tracks associated to the jet, or a system of low-pt jets recoiling against a high-pt jet. More sophisticated jet calibration schemes are presented based on calorimeter cell energy density weighting or hadronic properties of jets, providing an improved jet energy resolution and a reduced flavour dependence of the jet response. The JES systematic uncertainty determined from a combination of in situ techniques are consistent with the one derived from single hadron response measurements over a wide kinematic range. The nominal corrections and uncertainties are derived for isolated jets in an inclusive sample of high-pt jets.

Observation of Associated Near-Side and Away-Side Long-Range Correlations in √sNN=5.02 TeV Proton-Lead Collisions with the ATLAS Detector

Two-particle correlations in relative azimuthal angle (Delta phi) and pseudorapidity (Delta eta) are measured in root S-NN = 5.02 TeV p + Pb collisions using the ATLAS detector at the LHC. The measurements are performed using approximately 1 mu b(-1) of data as a function of transverse momentum (p(T)) and the transverse energy (Sigma E-T(Pb)) summed over 3.1 < eta < 4.9 in the direction of the Pb beam. The correlation function, constructed from charged particles, exhibits a long-range (2 < vertical bar Delta eta vertical bar < 5) "near-side" (Delta phi similar to 0) correlation that grows rapidly with increasing Sigma E-T(Pb). A long-range "away-side" (Delta phi similar to pi) correlation, obtained by subtracting the expected contributions from recoiling dijets and other sources estimated using events with small Sigma E-T(Pb), is found to match the near-side correlation in magnitude, shape (in Delta eta and Delta phi) and Sigma E-T(Pb) dependence. The resultant Delta phi correlation is approximately symmetric about pi/2, and is consistent with a dominant cos2 Delta phi modulation for all Sigma E-T(Pb) ranges and particle p(T).

Measurement of charged-particle event shape variables in inclusive √(s)=7 TeV proton-proton interactions with the ATLAS detector

The measurement of charged-particle event shape variables is presented in inclusive inelastic pp collisions at a center-of-mass energy of 7 TeV using the ATLAS detector at the LHC. The observables studied are the transverse thrust, thrust minor, and transverse sphericity, each defined using the final-state charged particles' momentum components perpendicular to the beam direction. Events with at least six charged particles are selected by a minimum-bias trigger. In addition to the differential distributions, the evolution of each event shape variable as a function of the leading charged-particle transverse momentum, charged-particle multiplicity, and summed transverse momentum is presented. Predictions from several Monte Carlo models show significant deviations from data.

Expected performance of the ATLAS experiment - detector, trigger and physics

A detailed study is presented of the expected performance of the ATLAS detector. The reconstruction of tracks, leptons, photons, missing energy and jets is investigated, together with the performance of b-tagging and the trigger. The physics potential for a variety of interesting physics processes, within the Standard Model and beyond, is examined. The study comprises a series of notes based on simulations of the detector and physics processes, with particular emphasis given to the data expected from the first years of operation of the LHC at CERN.

Higgs-boson production at small transverse momentum

Using methods from effective field theory, we have recently developed a novel, systematic framework for the calculation of the cross sections for electroweak gauge-boson production at small and very small transverse momentum q T , in which large logarithms of the scale ratio m V /q T are resummed to all orders. This formalism is applied to the production of Higgs bosons in gluon fusion at the LHC. The production cross section receives logarithmically enhanced corrections from two sources: the running of the hard matching coefficient and the collinear factorization anomaly. The anomaly leads to the dynamical generation of a non-perturbative scale q∗~mHe−const/αs(mH)≈8 GeV, which protects the process from receiving large long-distance hadronic contributions. We present numerical predictions for the transverse-momentum spectrum of Higgs bosons produced at the LHC, finding that it is quite insensitive to hadronic effects.