Vektorboson-Streuung im WZ Endzustand mit dem ATLAS...

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

mailto:[email protected]

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)


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


* 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:


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.


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


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


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)


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


[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)


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


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



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

http://www.itp.kit.edu/~vbfnloweb/wiki/doku.php?id=download:formfactor



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∫


Zusammenfassung

13

inklusive WZ-Produktion bei ATLAS

Anomale Vierer-Eichboson-Kopplungen

Messung von WZjj-EWK und WZjj-QCD


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


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


Anhang zu 3. und 4.: Objekt- und Event-Rekonstruktion

16

Histogramme auf Folie 7 an dieser Stelle


]-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


Anhang zu 5.: WZ VBS Fiducial Phasespace


Anhang zu 5.: Confidence Region Extraction


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


linear realization of symmetry breaking arXiv:hep-ph/0606118v2, Eboli et. al



✤ 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]



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


✤ 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


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

http://feynrules.irmp.ucl.ac.be/wiki/AnomalousGaugeCoupling

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