Studio del canale pp H ZZ* 2μ 2e al rivelatore CMS

A study of low mass Higgs
boson decay H → 2μ2e
with the CMS experiment
Candidato: Marco Musich
Relatore: Ernesto Migliore
24/09/07
M. Musich - Presentazione Laurea Magistrale
1
Outline
•La fisica dell’Higgs (MS) e potenzialità di scoperta a LHC
•Studi sulla cinematica del canale (a livello generatore)
•Validazione algoritmi High Level Trigger sul segnale
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2
Produzione di Higgs a LHC
Higgs = Particella associata al campo che dà massa a fermioni e bosoni nel M.S.
Principali processi di produzione del bosone di Higgs al collider LHC (pp @ 14Tev):
•ggH
gluon-gluon fusion
•qqqqH via (VVH) vector boson Fusion
(MH=150 GeV)= 1.83 fb
(MH=150 GeV)= 0.62 fb
MH=150 GeV
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3
Scelta del canale
•
Non esiste una singola analisi che copra tutto
il range “plausibile” 114 GeV – 1 TeV
– Higgs “leggero” (100 GeV <MH< 150 GeV):
Hbb ; Hγγ
– Higgs “medio” (MH~2MZ): HWW; HZZ*
– Higgs “pesante” (MH>2MZ): HZZ
•In generale: l’Higgs si accoppia preferenzialmente
con il fermione più pesante cinematicamente
permesso, fino all’apertura dei canali con bosoni
vettori
•A massa intermedia (MH ~2MZ) la cinematica fa
esplodere il B.R. in WW, tuttavia in
HWW(*)lνlν, a causa dei due neutrini non è
possibile osservare un picco di massa ma solo un
eccesso di eventi.
Il canale HZZ(*)4l è un buon candidato per ricerca dell’Higgs a massa intermedia
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4
HZZ4l
•
HZZ*4l (importante per 120GeV<MH<2MZ)
– Molto pulito per la presenza di 4 leptoni isolati
– Trigger molto facile: leptone o dileptone*
•
E’ stato studiato il caso MH =150 GeV
*Dileptone=coppia stesso flavour carica
opposta
*
Principali background da rigettare
Zbb → 2μ 2e
ZZ/γ* → 2μ 2e
tt → 2μ2e
Possibili tagli:
pT dei leptoni
massa inv. del dileptone
massa inv. dei 4 leptoni
 =2.6
104
fb
 = 17.8 fb
 = 5.69
Sezioni d’urto al LO ( K-Factor 1.4 ÷ 1.9 )
24/09/07
103
fb
isolamento
variabili angolari
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5
CMS
CMS = COMPACT MUON SOLENOID
• Detector progettato per misurare con
precisione il momento delle particelle
cariche
•Magnete da 4T (compattezza e alto
campo magnetico richiesti per migliorare
la risoluzione del momento dei muoni)
•4 “stazioni” di misura per i muoni: DT nella
regione del barrel, CSC e RPC negli endcap
All’interno del solenoide:
•Tracker: 10 layer di microstrip e 3 di pixel
(silicio)
•La calorimetria E.M. (ECAL), utilizza
cristalli di PbWO4 , nella regione |η|<3
•Calorimetro Adronico(HCAL) in
ottone/scintillatori nella regione fino a
|η|<5
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6
Studio sulla cinematica M(H)=150 GeV
Studio preliminare sulle variabili a livello generatore per stabilire una
strategia di analisi basata su tagli.
Generazione degli eventi per il segnale(H150ZZ*2μ 2e), ttbar, ZZ con
Pythia (processo hard LO + QCD parton shower + adronizzazione),
generazione del fondo Zb bbar con il generatore CompHep e successiva
parton shower + adronizzazione con Pythia.
gg (VV )  H  ZZ  2 2e
ZZ (*) (   )  2 2e
N gen  4105
tt  bW b W      e  e  X
Zbb    e e X

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  
N gen  210
5
 gen  2.917 fb( M H  150GeV )
CMKIN(45)-CMKIN(48)=(12.,-1,12,-1)
 gen  3.53 fb
CMKIN(41)-CMKIN(44)=(5.,150.,5.,150.)
N gen  7105
 gen  2.29 103 fb
N gen  4105
 gen  2.67 103 fb
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7
Filtro in generazione
Gli eventi generati sono stati filtrati in modo da ottenere nello stato finale:
- μ+ μ- e+ e- + X
-muoni nell’intervallo |η|<2.5, pT>3 GeV
-elettroni nell’intervallo |η|<2.7, pT>10 GeV
I tagli in generazione sono stati scelti in maniera che i leptoni nello stato finale
potessero essere rilevati dalle stazioni di misura dei muoni e da ECAL
ε (leptoni “visibili” ) ~ 55 % per il segnale
Samples
Segnale
ZZ
tt
Zbb
Frazione di eventi
“visibili”
0.552
0.397
0.0090
0.0020
Incertezza
sull’efficienza
0.001
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0.001
0.0003
 
 (1   )
N
0.0002
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8
Studio della cinematica
Alcune variabili cinematiche
Plot normalizzato alla
per tagli standard:
area unitaria
•pT dei leptoni
M(H)=150 GeV
•masse invariante dei diTagli su massa inv. di letponi
coppie di leptoni
Possibilità
di tagli
(massa della
Z) su pT max
dei leptoni
Reiezione
di tt
(reiezione
fondi riducibili)
e di Zbb
Plot normalizzati alla
sezione d’urto
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9
Reiezione di
(*)
ZZ
Dallo studio sui generati:
 Zbb e tt rigettati medianti tagli in massa invariante e pT dei leptoni (+ isolamento)
ZZ non è sensibile ai tagli in isolamento, e la cinematica di ZZ non è sufficientemente
diversa dal segnale da poter utilizzare i tagli in pT
 ZZ(*) è un fondo irriducibile
Tuttavia il processo ZZ evolve in canale t, mentre il segnale è in canale s, per
cui ci aspettiamo che una variabile angolare aiuti a rigettare questo tipo di
fondo.
s - channel
t - channel
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10
Distribuzioni in massa invariante
Il fondo elettrodebole
“picca” nella regione intorno
ai 200 GeV
se Mhiggs > 190 GeV il segnale
è sufficientemente grande
che M(ZZ) discrimina fra
segnale e fondo
Potrebbe essere conveniente
studiare una variabile
angolare alternativa ad
M(ZZ) per M(H) < 190 GeV
I plot che seguono si
riferiscono a M(H)=190 GeV
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Variabili studiate
Uno sketch delle variabili
angolari studiate
Per il calcolo del boost, il momento
dell’Higgs è:
P (H)= P (Z1)+P (Z2)
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12
Variabili angolari (Higgs RF)
Il fondo ZZ ha un picco
nella regione Φ ~ 0
mentre il segnale ha una
distribuzione isotropa
Il plot si riferisce all’angolo Φ(Z,H) tra il momento della Z più
energetica, calcolato nel sistema di riferimento a riposo dell’ ”Higgs” e
la direzione del boost dell’ ”Higgs” ricostruito.
Il quadrimomento dell’Higgs o dello “pseudo-Higgs” è calcolato
sommando quadrimomenti delle Z “ricostruite”
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13
Ottimizzazione della selezione
•La variabile che discrimina
meglio è quella che ha i valori
maggiori del prodotto
efficienza * purezza in
funzione del taglio.
•La miglior scelta per il taglio
è determinata prendendo il
punto corrispondente al
massimo della curva .
•L’angolo Δ(ZZ) tra le 2 Z nel
sistema di riferimento del
laboratorio massimizza il
prodotto efficienza-purezza
in funzione del taglio.
•La variabile Φ nel sistema di
riferimento dell’ “Higgs” è la
seconda migliore scelta
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14
Conclusioni sui tagli angolari
•Fondo irriducibile
 Δθ(ZZ) è la migliore scelta
 Si penserebbe che la variabile “boostata” discriminasse meglio un
processo in canale t da uno in canale s, per via degli eventi molto “in avanti”
nella distribuzione relativa a ZZ .
Perchè?Angolo Φ dopo taglio
cinematico
sulla
massa
Il filtro in generazione in |η|<2.5 esclude gli
eventi con
muoni
forward e
invariante
della
prima
backward
candidata Z
Effetto dei
fondi
riducibili:
tt,Zbb
Non ci sono 2 Z -> definizione di “Z”
(non tutte e due le coppie risuonano)
tt nessuna coppia risuona
Z bb una coppia risuonanecessari
altri tagli cinematici
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15
Studi sull’High Level
Trigger
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High Level Trigger
Suddivisione in livelli: on-line analysis
40GHz
Level 1
Hardware
100KHz
HLT
Level 2
Level 3
100Hz
Off-line
Reconstruction
(RECO)
ECAL e camere a mu Software Tutti i rivelatori
L1- hardware (emulato in CMSSW), produce dei seed usati dall ’HLT
HLT (software) stesso codice che girerà sui dati reali.
Diversi trigger-paths considerati (elettroni-muoni):
Muoni
(muone singolo/doppio, isolato/non-isolato)
Elettroni (elettrone singolo/doppio isolato/non-isolato, fotone singolo/doppio)
Variabili di selezione di HLT (pT,η,tk isolamento, isolamento in ECAL,HCAL)
segnale: 10K evt prodotti da INFN T-2 BARI con il filtro 2μ2e in
generazione
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HLT e/γ
Seed di L1 e tagli in energia trasversa per i vari trigger-paths degli
elettroni/fotoni:
Scenario considerato: Bassa Luminosità L = 2·1033 cm-2s-1
Low Lumi
(Soglia ET)
Singolo elettrone
26
Doppio elettrone
12
Doppio elettrone No Iso
19
Singolo fotone
80
Doppio fotone
30, 20
Doppio fotone No Iso
30, 20
Altri tagli implementati negli algoritmi di HLT:
ΔR = (Δη2 + Δφ2)1/2
• Pseudorapidità
• Isolamento nel tracker
• Isolamento nei calorimetri
•E/p nel barrel e negli endcap
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18
Variabili di selezione HLT e/γ
η= -ln(tan /2)
Crack in η di ECAL
Taglio ET > 20GeV
Plot per i vari trigger-path sugli
elettroni per alcune variabili di
selezione: η, ET, E/p
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Efficienze HLT e/γ
Low Lumi
(Soglia ET)
Singolo elettrone
26
Doppio elettrone
12
Doppio elettrone No Iso
19
Singolo fotone
80
Doppio fotone
30, 20
Doppio fotone No Iso
30, 20
eventi (L1  HLT  2 2e)

eventi (2  2e)
 
 (1   )
N gen
ε (at least 1 path) = 83.9 ± 0.3 %
24/09/07
Gli eventi ricostruiti sono
ulteriormente filtrati, richiedendo
almenoIl1path
µ+,di 1singolo
µ-, elettrone
1 e +, 1 e è il per
più efficiente
sul canale).
(necessario
l’analisi del
canale
ε (single-e Iso)
= 67.0 ± 0.4 %
ε (double-e Iso)
= 59.8 ± 0.4 %
ε (double-e NoIso)
= 53.4 ± 0.4 %
ε (single-γ Iso)
= 0.05 ± 0.02 %
ε (double-γ Iso)
= 28.9 ± 0.5 %
ε (double-γ No Iso) = 37.9 ± 0.04 %
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HLT muoni
Single Muon
N
O
I
S
O
I
S
O
L
A
T
E
D
DiMuon
L2 Cuts
L3 Cuts
L2 Cuts
L3 Cuts
Max Eta
2.5
2.5
Max Eta
2.5
2.5
Min n. hits
0
0
Min n. hits
0
0
Max Dr (cm)
no cut
0.02
Max Dr (cm)
no cut
0.02
Max Dz (cm)
no cut
no cut
MaxDz (cm)
no cut
no cut
MinPt(GeV)
37
37
MinPt(GeV)
10
10
NSigma Pt
3.9
2.2
NSigma Pt
3.9
2.2
L2 Cuts
L3 Cuts
Max Eta
2.5
2.5
Min n. hits
0
0
Max Dr (cm)
no cut
0.02
MaxDz (cm)
no cut
MinPt(GeV)
NSigma Pt
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L2 Cuts
L3 Cuts
Max Eta
2.5
2.5
Min n. hits
0
0
Max Dr (cm)
no cut
0.02
no cut
MaxDz (cm)
no cut
no cut
19
19
MinPt(GeV)
7
7
3.9
2.2
NSigma Pt
3.9
2.2
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21
HLT Combinato μ-e/γ
Efficienze di trigger
L1+HLT per path
combinati e/γ-μ
MH= 150 GeV
Single-μ Iso
Double-μ Iso
Double-μ NoIso

Doublee
Double-e
Noiso
Double-γ
0.956
0.943
-
0.891
-
0.791
0.844
-
-
1μ 1e
2μ 2e
e/γ
L1seed
0.921
0.803
e/γ
ET
0.785
0.704
e/γ
HCAL Iso
0.779
0.701
e/γ
0.761
0.638
-
Pixel
match
e/γ
E/p
0.695
0.623
-
e/γ
Tk Iso
0.673
0.599
μ
L1Seed
0.963
0.960
μ
L2pre
0.924
0.778
μ
L2Iso
0.903
0.775
μ
L3Pre
0.861
0.685
μ
L3Iso
0.837
0.684
eventi (2  2e)
Single-e
0.909
Cuts
eventi (L1   HLT i  2 2e)
Trigger
0.856
-
Double-γ
0.797
OR logico di tutti i path di leptone singolo o doppio
 (dMu || sMu || dE || sE )  0.980  0.004
Risultati presentati al CERN
per l’Higgs WG di CMS
24/09/07
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22
Prospettive per l’analisi
24/09/07
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23
Variabili ricostruite
pT(μ)max
•Manca la normalizzazione
dei fondi (efficienza di HLT)
Δ(ZZ)
Analisi qualitativa sulle
variabili di selezione
(consistente con gli studi in
generazione)
La risoluzione in massa
invariante per i muoni
(σM(μμ)~2.5 GeV )
diminuisce all’aumentare
della massa invariante,
mentre quella degli
elettroni (σM(ee)~8 GeV)
aumenta.
24/09/07
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24
Sommario
•Studi sulla cinematica del canale HZZ 2μ 2e
•tagli cinematici standard per individuare una particella “pesante”:
pT, massa di-leptone per i fondi riducibili sembrano funzionare
•tagli angolari per discriminare il fondo irriducibile
confermati a livello ricostruito
•Esercizio sull’efficienza di trigger per il canale HZZ2μ2e
•efficienze dei paths di elettroni e fotoni
•efficienze dei paths combinati elettroni/fotoni + muoni
•individuazione di un possibile trigger per la presa dati
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25
Back-up Slides
24/09/07
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26
EWSB nel Modello Standard
Lagrangiana di interazione:
1
1
i

Lgauge   W Wi  B  B
4
4
+
'
g
g
g'
i

L fermions  L i (   i B Y  i  iW  ) L  R i (   i B Y ) R
2
2
2
i
W
  Wi   Wi  g ijkWjWk

U(1) B   B    B
×
SU(2)L
mancano termini di massa del tipo
1 2 i
1

 ml (lRlL  lLl R )  ml l l
mW W Wi  m 2 B B B 
2
2
che violerebbero l’invarianza di gauge locale della teoria

2


Potenziale scalare (l>0, <0) V        l  



doppietto scalare    
 0 
complesso di SU(2)
 

2
Dopo la rottura spontanea di simmetria e la scelta del gauge unitario:
Z 
1  0 



2  v  h 
24/09/07
 g B  gW3
g 2  g 2
1
M  g 2v 2
4
2
W
W 
1
W1  iW2
2




1
M  g 2  g 2 v 2
4
2
Z
M. Musich - Presentazione Laurea Magistrale

A 
 gB  g W3
g 2  g 2
M 0
2
A
Restano
4 campi vettoriali
di cui 1 massless
27
LHC e il bosone di Higgs
• Collisioni pp a 14 TeV nel C.M.
• Luminosità:
Start up: 1×1032 cm-2s-1
Low: 2×1033 cm-2s-1 (3 yr) → ~20 fb-1/ yr
High: 1×1034 cm-2s-1
→ ~100 fb-1/ yr
Uno degli scopi principali di
LHC è l’osservazione del
bosone di Higgs
A LHC (a seconda della massa dell’H):
σH = 1 ÷ 10 pb
104 ÷ 105 Higgs nel primo anno
24/09/07
M. Musich - Presentazione Laurea Magistrale
28
Limiti sulla massa dell’Higgs
(LEP-2, Tevatron, SLC)
mH > 114 GeV (ricerca diretta)
95%
mH < 182 GeV (fit EW globale)
C.L.
La ricerca dell’Higgs ad alta massa non è però esclusa:
• parametri SM ~ log mH (dipendenza debole)
• risultati fit frequentemente aggiornati.
Considerazioni di consistenza dello SM pongono limiti
superiori ad inferiori a mH , in funzione di Λ, scala di
energia di validità dello SM.
Considerazioni sulla larghezza dell’Higgs,
pongono un limite a
mH < 1.4 TeV.
24/09/07
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29
CMSSW
CMSSW = CMS SoftWare
CMSSW è basato sull’EDM: EVENT DATA MODEL
Evento = oggetto sw contenente tutte le informazioni ottenute durante un evento fisico
triggerato
Gli eventi passano attraverso una sequenza di moduli
Un modulo può leggere o scrivere sull’evento a seconda della sua funzione:
I diversi moduli “parlano” tra di loro
esclusivamente attraverso l’evento
Il framework sw di CMS contiene un
unico eseguibile (cmsRun)
configurabile dall’utente (mediante un
file .cfg)
24/09/07
Producers: (scrittura dati nell’evento.) trigger,
simulazione, ricostruzione
Filtri: controllo del flusso dei dati processati,
utilizzati nel trigger
Analyzer: analisi dell’utente (istogrammi e
sommari dell’evento)
Input/Output: moduli utilizzati per
leggere/scrivere l’evento su supporto
permanente
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31
Catena di Simulazione
PYTHIA
Generazioni di eventi MC
file HepMC ascii con i
quadrimomenti delle particelle
CompHep
TopRex…
parton shower e adronizzazione
con Pythia
GEN
Simulazione del passaggio della
radiazione nella materia mediante
GEANT4
ROOTTree
Trasformazione degli hit nel detector nel
fomatodi output dell’elettronica di CMS:
digitalizzazione
SIM
DIGI
EDFilters del
Ricostruzione  Oggetti di
fisica di alto livello (elettroni,
fotoni,muoni, jet,MET,…)
Trigger L1+HLT
RECO
Ricostruzione HLTtrigger-word scritta
sull’evento
Evento ricostruito salvato su un ROOTTree
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analisi ROOT
32
Confronto gg fusion – VV fusion
Le discrepanze non
sono sufficientemente
significative da
giustificare analisi
separate
Possibile
discrimine tra
i 2 meccanismi
di produzione
24/09/07
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33
Variabili generate
Massa invariante dei 4 leptoni
M(H)=150 GeV
ΓH (MH=150GeV)~ O(100MeV)
Plot normalizzato alla
stessa luminosità integrata
24/09/07
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34
Variabili angolari (Lab)
Variabili angolari considerate:
Δθ(μ+μ-) angolo tra muoni
opposite sign
Δθ(ZZ) angolo tra le 2
candidate Z
Δθmax(μ± μ±) angolo maggiore
tra muoni opposite sign
Δθmin(μ±μ±) angolo minore tra
muoni like-sign
Le Z sono “ricostruite” a
partire dai muoni e non sono
stati richiesti ulteriori tagli
cinematici rispetto a quelli in
generazione
24/09/07
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35
Variabili generate (Angoli)
Distribuzioni normalizzate alla stessa area
Δ(ZZ)
Δ(μe)ptmin
Δ(μμ)
Plot normalizzati alla
stessa area
Δ(ee)
24/09/07
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36
Trigger di livello L1
Low Luminosity
High Luminosity
Il seed (insieme degli hit
delle tracce) degli eventi
che hanno passato il filtro
di primo livello viene passato
al livello 2
24/09/07
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37
High Level Trigger
Ricostruzinone HLT dei Muoni/Elettroni
Livello 2: Stand Alone on-line Regional Reconstruction
(ricostruzione regionale nelle camere a , conferma L1 e migliora la risoluzione in pt)
Livello 3: Global on-line Regional Reconstruction
(si includono le informazioni del Tracker, migliora decisamente la risoluzione il pt)
Muon/Electron Isolation
Livello 2: Calorimeter Isolation
(Somma di Et entro il cono)
Livello 3: Pixel Isolation o Tracker Isolation
(Somma di pt entro il cono)
HLT Muon Selection
Gli algoritmi di selezione che riguardano i muoni/elettroni sono detti:
-Singolo Muone Non Isolato
-DiMuone Non Isolato
-Singolo Muone isolato
-DiMuone Isolato
-Singolo Elettrone Isolato
-Singolo Elettrone Non Isolato
-DiElettrone Isolato
-...
24/09/07
HLTPath implementate all’interno di CMSSW
( L1 reconstruction, L1 filter, L2 reconstruction,
L2 filter, L3 reconstruction, L3 filter)
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38
Luminosità start-up
e/γ (elettrone/fotone) trigger per L= 1032 cm-2 s-1
Start-up
Low Lumi
Singolo elettrone
15
26
Doppio elettrone
10
12
Doppio elettrone No Iso
12
19
Singolo fotone
30
80
Doppio fotone
20, 20
30, 20
Doppio fotone No Iso
20, 20
30, 20
Efficienze
Efficienze per eventi “filtrati” almeno 2mu 2e
ε( sMu || sE ) = 0.957
ε( sMu || sE ) = 0.978
ε( dMu || dE ) = 0.842
ε( dMu || dE ) = 0.896
ε( sMu || sE || dMu || dE) = 0.968
ε( sMu || sE || dMu || dE) = 0.987
 abs
eventi (L1  HLT)

eventi generati
24/09/07

eventi (L1  HLT  2 2e)
eventi (2  2e)
M. Musich - Presentazione Laurea Magistrale
39
Efficienza ricostruzione e risoluzione
Global Muon resolution
Global Muon reconstruction
StandAlone Muon resolution
StandAlone Muon reconstruction
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M. Musich - Presentazione Laurea Magistrale
40
Un sentito ringraziamento va a tutto
il gruppo di CMS Torino: in
particolare ai dottori Ernesto
Migliore e Chiara Mariotti, alla
professoressa Alessandra Romero a
Giorgia, Sara, Roberto, Susy e “last
but not least” Ale, Cri e Dani!
24/09/07
M. Musich - Presentazione Laurea Magistrale
41