CMS
STAFF
Azzi Patrizia, Bacchetta Nicola, Bortignon Pierluigi , Carlin Roberto, Checchia Paolo, Dorigo Tommaso, Dosselli Umberto, Gasparini Ugo, Gerardin Simone, Lacaprara Stefano, Margoni Martino, Mazzucato Mirco, Meneguzzo Anna Teresa, Pazzini Jacopo, Ronchese Paolo, Rossin Roberto, Simonetto Franco, Torassa Ezio, Tosi Mia, Zanetti Marco, Zotto Pierluigi, Zucchetta Alberto
BORSISTI
Ghosh Anushree, Strong Giles
DOTTORANDI
Bragagnolo Alberto, Grosso Gaia, Hoh Siew Yan, Layer Lukas, Lusiani Enrico, Presilla Matteo, Yarar Hevjin
Attività di ricerca
Fisica del quark b
(A. Bragagnolo, T. Dorigo, H. Yarar, E. Lusiani, M. Margoni, P. Ronchese, F. Simonetto, G. Strong)
Lo studio della produzione di adroni con quark b, del loro decadimento e della loro evoluzione temporale permette di acquisire una profonda conoscenza delle interazioni elettrodeboli e di QCD. Infatti, una o più discrepanze tra le misure sperimentali e le predizioni dello Standard Model potrebbero essere attribuite a fenomeni di "Nuova Fisica" attualmente fuori portata delle ricerche dirette che sfruttano collisioni tra protoni ad altissima energia. Grazie alle eccellenti performance di ricostruzione di tracce e vertici, e dei suoi eccezionali rivelatori di muoni, il rivelatore CMS può competere direttamente con esperimenti specificamente progettati per misure di Fisica del b, come LHCb o Belle2 a KeK.
Il nostro gruppo ha una lunga militanza nel campo della Fisica del b, cominciata ai tempi di LEP e passando attraverso una lunga esperienza a BABAR. Il gruppo di Fisica del b di CMS Padova, che attualmente consiste di 4 staff e 4 studenti di dottorato, in passato ha contribuito ad importanti misure, tra cui:
- La misura della sezione d'urto inclusiva pp → bbX → μ+ μ- X' a √s = 8 TeV
- L'osservazione per la prima volta del decadimanto raro Bs → μ+ μ-
- La misura del controverso parametro P'5 nel processo B0 → K* μ+ μ-
- Lo studio della Bs → J/Ψ φ decays at 8 and 13 TeV
Al momento, il gruppo è coinvolto sia nel miglioramento dei risultati precedenti sia nello studio di nuovi canali:
- Una migliore misura del processo Bs → J/Ψ φ analizzando un dataset più ampio e utilizzando tecniche di Deep Learning.
- La ricerca del decadimento raro Bs → τ+ τ-, molto raro nel Modello Standard perchè mediato da interazioni deboli del secondo ordine (scambio di 2 bosoni elettrodeboli virtuali). Questo processo è simile a Bs → μ+ μ-, ma è favorito per motivi di elicità rispetto al decadimento, già osservato da CMS e LHCb, del Bs in due muoni. Tuttavia la difficoltà di identificare leptoni τ rende la ricerca molto complessa. Questa è in corso utilizzando un particolare set di dati raccolto da CMS chiamato "B parked data". L'analisi richede la regressione delle quantità osservabili (pioni carichi da un decadimento adronico di un leptone tau, e muone prodotto dal decadimento dell'altro tau) alla massa del Bs, e la discriminazione di un gran numero di fondi fisici e combinatori diversi.
A lungo termine puntiamo a:
- Misurare le sezioni d'urto pp → bbX → μ+ μ- X' e pp → gg → (bb)(bb) → 4 μ X' a √s=13TeV
- Misurare la violazione di CP indotta dal mixing dall'asimmetria di carica in stati finali con due coppie di muoni dello stesso segno ACP = N(μ+ μ+ - μ- μ-) / N(μ+ μ+ + μ- μ-).
Fisica dell'Higgs e del Modello Standard
(R. Ardino, U. Gasparini, G. Grosso, S. Y. Hoh, J. Pazzini, M. Zanetti, A. Zucchetta)
La scorperta del bosone di Higgs, annunciata da CMS e ATLAS nel 2012, rappresenta una pietra miliare nella comprensione del settore elettrodebole del Modello Standard (SM) delle particelle elementari, e ne conferma la piena validità. La presenza del bosone di Higgs ha determinato l'inizio di una nuova serie di misure a CMS, volte a determinare con la maggiore precisione possibile gli accoppiamenti del bosone di Higgs con le altre particelle dello SM. Infatti, una discrepanza tra una misura sperimentale e un processo del Modello Standard implicherebbe la presenza di "Nuova Fisica", suggerendo la presenza di nuove particelle ancora sconosciute. Il gruppo è attualmente concentrato su due canali che coinvolgono il bosone di Higgs.
Misura della produzione associata ad un bosone vettore del bosone di Higgs e del suo decadimento in bosoni W
Anche se il decadimento del bosone di Higgs in una coppia di bosoni W è consolidato, c'è un particolare interesse nell'osservazione dello stesso accoppiamento in produzione e decadimento al fine di determinare la larghezza di questa particella. Con questo obbiettivo, il gruppo è impegnato nella ricerca del processo WH → W(WW*), in particolare nel caso dove due bosoni W decadano in leptoni dello stesso segno. Questo stato finale beneficia di una frequenza di decadimento favorevole e di un ridotto numero di processi SM di fondo. Gli aspetti cruciali dell'analisi consistono nell'identificazione dei leptoni, anche attraverso tecniche multivariate, nella stima dei fondi e nella riduzione di leptoni spuri dovuti ad adroni. La significanza osservata, combinando i risultati con gli altri canali di decadimento WH → W(WW*) → 3l, ZH → Z(WW*) → 3l e ZH → Z(WW*) → 4l è di 4.7 σ, per unasezione d'urto pari a μ = 1.85+0.33-0.32(stat)+0.27-0.25(exp)+0.10-0.07(theo) volte la predizione dello SM. L'interpretazione dei risultati è svolta anche nel framework teorico STXS, per fornire misure delle sezioni d'urto differenziali in modo model-independent.
Decadimenti rari dei bosoni di Higgs e Z in un mesone J/Ψ e un fotone
L'accoppiamento del bosone di Higgs ai quark della seconda generazione rappresenta la vera sfida delle misure dell'Higgs a High Luminosity-LHC. Un canale di decadimento molto raro ma promettente consiste nel cercare il decadimento bosone di Higgs in un fotone (γ) ad alta energia e un mesone J/Ψ, quest'ultimo osservato nel suo decadimento in coppie di muoni. Il processo H → J/Ψ γ avviene prevalentemente tramite loop di quark charm, e la sua misura permetterebbe di determinarne gli accoppiamenti con l'Higgs. Essendo un processo estremamente pulito, grazie ai ridottissimi fondi del Modello Standard e all'eccellente risoluzione sulla ricostruzione della massa invariante, necessita di una grande quantità di dati. Più vicina è invece l'osservazione del decadimento raro del bosone Z → J/Ψ γ, che secondo il Modello Standard avviene circa 100 volte più frequentemente dell'analogo processo con il bosone di Higgs, e che non è mai stato osservato.
Ricerca di fisica oltre il Modello Standard: Heavy Composite Majorana Neutrino
(M. Presilla, P. Azzi)
Nell'ipotesi di fisica oltre lo Standard Model, i modelli compositi prevedono che quark e leptoni non siano particelle elementari ma siano a loro volta composte da altri elementi fondamentali, e che quindi abbiano una loro sottostruttura. Questa sottostruttura interna potrebbe manifestarsi ad un'energia sufficientemente alta, denominata Lambda.
I neutrini di Majorana composti pesanti (in inglese, Heavy Composite Majorana Neutrino, abbreviati in HCMN) è una particella ipotetica particolarmente interessante dato che assume un ruolo fondamentale nei meccanismi della leptogenesi spiegando l'asimmetria materia-antimateria nell'Universo.
Il neutrino HCMN potrebbe venire prodotto nelle collisioni tra protoni a LHC assieme ad un leptone, e decadere a sua volta in un leptone e due quark.
Questo stato finale è particolarmente interessante dal punto di vista sperimentale perchè consiste in due leptoni dello stesso sapore con la stessa carica elettrica, e un jet adronico. La massa invariante dei due leptoni e del jet è una variabile discriminate fortemente correlate con la massa del neutrino HCMN.
L'analisi in corso sfrutta tutti i dati raccolti da CMS durante il Run-II nel periodo compreso tra il 2016 e il 2018. Il risultato è particolarmente interessante perchè, per la prima volta, vengono considerati i limiti di unitarietà nell'interpretazione teorica dei risultati.
Metodi statistici avanzati
Ottimizzazione del design di apparati sperimentali e procedimenti di misura
(T. Dorigo, L. Layer, G. Strong)
La tecnica di machine learning denominata INFERNO utilizza tecniche di differentiable programming per ottimizzare la misura di parametri fisici in analisi afflitte da errori sistematici non trascurabili, con la creazione di summary statistics che rendano la misura robusta all'effetto delle sistematiche. Questa tecnica sta venendo applicata a misure di top quark physics prodotte con dati dell'esperimento CMS, per dimostrare la potenza di INFERNO.
In parallelo all'attività su descritta, l'uso di tecniche di deep learning, e più in generale di differentiable programming, sta venendo considerata per costruire modelli differenziabili anche delle parti intrinsecamente stocastiche della catena di estrazione di informazioni che da un detector e un processo fisico di interesse, attraverso la ricostruzione dei segnali elettronici e la creazione di summary statistics, produce inferenza statistica sui parametri di interesse. Più in dettaglio, la specificazione di una loss function che includa i veri obiettivi dell'esperimento (e.g. la minima incertezza sulla misura di un parametro di interesse, o la combinazione di una serie di simili outputs opportunamente pesati, eventualmente vincolata a constraints esterni quali e.g. il costo dell'apparato sperimentale), e la composizione di una pipeline completamente differenziabile che includa una modellizzazione dell'interazione radiazione materia, della geometria dell'apparato, della pattern recognition dei segnali, e dell'analisi dati, permette di effettuare gradient descent verso la minima loss, e ottenere una piena e completa ottimizzazione dell'intero apparato sperimentale e della procedura di misura.
La nascente collaborazione MODE sta iniziando studi per ora concentrati su casi d'uso semplificati che coinvolgono e.g. apparati per tomografia muonica per border control e apparati per proton therapy di tumori, e si svilupperanno in seguito nell'ottimizzazione di un calorimetro ibrido per un futuro collider.
Ricerca di segnali di nuova fisica con tecniche non supervisionate di anomaly detection
(T. Dorigo, M. Fumanelli, C. Maccani)
La ricerca di segnali di nuova fisica nei dati di CMS si avvale di modelli teorici che prevedono le caratteristiche peculiari dei processi fisici coinvolti. Tuttavia questi modelli non esauriscono la totalità delle segnature sperimentali che possono permettere a nuovi processi di manifestarsi. La grande quantità di possibili segnature necessita di strumenti automatici per lo scanning di spazi dei parametri a molte dimensioni. Un algoritmo di recente ideazione (RanBox) permette di operare una opportuna trasformazione dello spazio delle caratteristiche osservabili, che rende la densità relativa di processi del modello standard nello spazio quasi uniforme. In tale spazio una ricerca di intervalli multidimensionali a densità maggiore delle zone circostanti permette di evidenziare anomalie che potenzialmente sono prodotte da nuovi processi fisici. L'algoritmo è in fase di finalizzazione con la prospettiva di una applicazione a dati di CMS.
Research Activity
Flavor Physics
(A. Bragagnolo, T. Dorigo, H. Yarar, E. Lusiani, M. Margoni, P. Ronchese, F. Simonetto, G. Strong)
Besides being a powerful handle to improve our knowledge of QCD and electroweak interactions, the study of the production and decay properties of hadrons with a b-quark provides a valuable tool in the search for New Physics, which would reveal itself in discrepancies between precision measurements of rare b decays and the standard model predictions. This approach, also known as the intensity frontier, is complementary to, and in some cases even more far-reaching than, the direct search of heavy new particles (energy frontier).
Thanks to excellent tracking and vertex reconstruction, and superb muon detectors, the omnipurpose CMS spectrometer competes on equal grounds with detectors designed for Flavor Physics, like LHCb and Belle2. Our group has a well recognized reputation in b-Physics, consolidated over years of research dating back to previous DELPHI and BABAR experiences. Previous results in CMS include:
- the measurement of the pp → bbX → μ+ μ- X' inclusive cross section at √s = 8 TeV
- the first evidence of the rare Bs → μ+ μ- decay
- the measurement of the controversial P'5 parameter in the B0 → K* μ+ μ- decays
- the study of CP violation in Bs → J/Ψ φ decays at 8 and 13 TeV collisions using a muon tag
We are now involved in the analysis of about 130 fb-1 data collected by CMS aimed at:
- an improved measurement of CP violation in Bs → J/Ψ φ based on a wider data set and improved flavor tagging exploiting deep machine learning algorithms.
- a search for the rare decay Bs → τ+ τ-. Although helicity enhanced with respect to the Bs → μ+ μ- decay, this process is more challenging because the τ lepton is instable, and very few of its final states can be profitably used for its identification. A very complex analysis is ongoing on the large CMS muon-parked dataset, which includes secondary vertex reconstruction and regression of the observed particle momenta (an isolated muon, or else three charged pions from a common vertex) to the τ mass, tackling a sizable background produced by several different sources.
Our long-term plans include:
- a measurement of the pp → bbX → μ+ μ- X' and the pp → gg → (bb)(bb) → 4 μ X' cross sections at √s=13TeV
- A measurement of the CP-induced dimuon asymmetry ACP = N(μ+ μ+ - μ- μ-) / N(μ+ μ+ + μ- μ-) using the aforementioned parked data. A sizable deviation from the standard model, claimed by the D0 collaboration, was not confirmed by indirect measurements at the B-factories and LHCb. The large size of the parked data will allow a direct check of the D0 claim, provided that systematic uncertainties are controlled with few per-mille precision.
The Physics of the Higgs boson and the Standard Model
(R. Ardino, U. Gasparini, G. Grosso, S. Y. Hoh, J. Pazzini, M. Zanetti, A. Zucchetta)
The discovery of the Higgs boson at the CMS and ATLAS experiments in 2012 represents a milestone in the understanding of the electroweak sector of the Standard Model (SM) of elementary particles. The discovery started a new era of measurements at CMS aiming to determine to the highest possible accuracy the couplings of the Higgs boson to the other particles in the SM. A discrepancy between the experimental measurement and the theoretical expectation from the SM would imply a "new physics", hinting to new particles yet to be discovered. The CMS PAdova group is currently focused on two channels involving the Higgs boson:
Measurement of the associated Higgs boson production with a vector boson and the decay to a pair of W bosons
Although the Higgs boson decay to a piar of W bosons is now consolidated, there is a particular interest in the observation of a process involving the same coupling in the production and decay in order to determine or constrain the natural width of the new particle. With this goal in mind, the CMS PAdova group is currently involved in the measurement of the WH → W(WW*) channel, and specifically in the final state where two leptons with the same electrical charge are present. This channel represents a good tradeoff between the number of expected events and the limited background from SM processes. The key points of the analysis include the lepton identification, in the rejection of the backgrounds originating by non-genuine leptons, and the SM background estimation. By combining the results WH → W(WW*) → 3l e ZH → Z(WW*) → 4l the Higgs boson production rate is measured to be μ = 1.85+0.33-0.32(stat)+0.27-0.25(exp)+0.10-0.07(theo) times the SM expectation, equal to a significance of 4.7 standard deviations. The results are also interpreted in the STXS theoretical framework to provide multi-differential Higgs boson cross sections.
Higgs and Z bosons rare decays to J/Ψ meson and a photon
Studying the couplings of the Higgs boson to the second generation quarks represents the real challenge of High Luminosity-LHC. A very rare but promising channel is the decay of the Higgs boson in an energetic photon (γ) and a J/Ψ meson, the latter decaying to a pair of muons. The H → J/Ψ γ takes place also through charm quark loops, and an accurate measurement would allow to determine its couplings with the Higgs boson. The channel is experimentally very clean, thanks to the very low SM backgrounds and the excellent resolution on the invariant mass peak, but also very rare, thus requiring large amounts of data. The observation of the Z → J/Ψ γ, whose rate is 100 times larger than the similar process with the Higgs boson and has never been observed before, is an intermediate objective that can be achieved with a reasonable amount of data.
Vector Boson Scattering and Anomalous Couplings
(P. Azzi, M. Presilla)
The discovery of the Higgs boson and the measurements of its properties are a great success, but they do not complete the picture of the electroweak sector of the SM; interaction vertices with three (triple gauge coupling) or four (quartic gauge couplings) bosons still remain unxplored. Within this context, our group is pursuing the very first implementation of the analysis for the O(α6) electroweak VZ boson pairs production mediated by a Vector Boson Scattering (VBS) mechanism. Besides the pure EW measurement, it is well known that the study of the VBS process gives primary access to the non-Abelian gauge structure of the electroweak interactions through quartic gauge couplings. Therefore, VBS analyses are sensitive to new physics at energy scales beyond the collider direct reach through an effective field theory (EFT) description of the standard model (SM).
The analysis is focused on the measurement with the full Run 2 data, 137 fb-1 of the electroweak ZVjj semileptonic process, collected with the CMS detector, which is characterized by the presence of two high-pT same-flavour leptons, one large-cone jet, and two forward jets. The VBS process can be modified by anomalous quartic gauge couplings (AQGCs), resulting in an enhancement of the production cross-section at large masses of the di-boson system and high-transverse momenta.
Advanced statistical methods
Optimization of design of experimental apparata and measurement techniques
(T. Dorigo, L. Layer, G. Strong)
The machine learning technique called INFERNO uses differentiable programming methods to optimize the measurement of physical parameters in analyses affected by non negligible systematic uncertainties, with the creation of summary statistics that make the measurement robust to the effect of the systematics. This technique is being applied to measurements of top quark properties produced with data collected by the CMS experiment, to demonstrate the potential of INFERNO.
In parallel to the above described activity, the use of deep learning techniques, and more in general of differentiable programming, is being considered to construct differentiable models of even the intrinsically stochastic of the information extraction chain which from a detector and a physical process of interest produces statistical inference on the parameters of interest, through the reconstruction of electronic signals and the creation of summary statistics. More in detail, the specification of a loss function that includes the true objectives of the experiment (e.g. the minimum uncertainty on the measurement of a parameter, or the linear combination of a series of such outputs, optionally constrained by external demands such as detector cost) and the composition of a differentiable pipeline including a modeling of the interaction of radiation with matter, detector geometry, pattern recognition of signals, and data analysis, allows the gradient descent toward minimal loss, to obtain a full end-to-end optimization of the entire experimental apparatus and measurement procedure.
The nascent MODE collaboration is starting studies for now focused on simplified use cases that involve e.g. muon tomography apparata for border control applications, and proton therapy apparata, which will in the future move to the optimization of a hybrid calorimeter for a future collider.
Search for new physics signals with unsupervised anomaly detection techniques
(T. Dorigo, M. Fumanelli, C. Maccani)
The search for new physics in CMS data uses theoretical models that predict the distinctive characteristics of the involved physical processes. However, these models do not exhaust the totality of possible experimental signatures that may allow the manifestation of new processes. The large number of possible signatures requires automated tools for the scanning of high-dimensional parameter spaces. An algorithm of recent design (RanBox) allows to operate an advantageous transformation of the feature space, which makes the density of standard model processes in the space almost uniform. In such a space a search for multidimensional intervals with high density of surrounding regions allows to evidence anomalies that potentially are the result of new physical processes. The algorithm is being finalized, with the prospects of an application to CMS data.
