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Quark pesanti:misure di produzione e proprieta` con i rivelatori multiscopo al Large Hadron

Corso di Dottorato di Ricerca in Fisica, Universita` “La Sapienza” di Roma - A.A. 2016-2017 (22 ore di insegnamento totali) Docente: Francesco Spano` (Royal Holloway, University of London)

Pre-requisiti Laurea in Fisica, Esami di Fisica teorica e fisica subnucleare di livello magistrale, basi di tecniche di rivelazione per le alte energie (per esempio: Laboratorio di fisica subnu- cleare). Obiettivi formativi • Conoscenze: conoscere le proprieta` dei quark pesanti prodotti in collisioni adroniche, le misure che le caratterizzano e le tecniche ad esse associate e le problematiche aperte con gli ultimi dati raccolti ad LHC. • Abilita:` saper descrivere i passi tipici per la misura di una proprieta` dei quark pesanti; saper riconoscere gli oggetti da misurare e i sotto-rivelatori in gioco per diverse mis- ure coinvolgenti top e b-quarks; saper suggerire tecniche per le misure da effettuare scegliendo fra quelle gia` in uso. • Competenze: essere in grado di analizzare una misura sulle proprieta` dei quark pe- santi in maniera critica in termini di incertezze, tecniche adottate, loro limitazioni e possibili sviluppi.

Programma Sezione Generale 1 : Motivazione, 1. Introduzione ai quark pesanti (“bottom” e “top”) strumenti di • Modello Standard e questioni aperte. “Top”- e “bottom”-quarks: perche?` misura, oggetti di • scoperta del b-quark stato finale • scoperta del top-quark 2. Il : produttore di top e b-quarks. ATLAS e CMS: gli “osser- vatori” • Caratteristiche di base di LHC • ATLAS and CMS: rivelatori multi-scopo, caratteristiche e sottorivelatori a confronto

Sezione Generale 2: il b -quark + 3. Produzione di b-quarks in collisioni adroniche oggetti per stati 4. Misure di oggetti nello stato finale (parte 1): getti ad LHC finali + stima di • getti ad ATLAS e CMS fondi • tecniche di calibrazione e incertezze (anche specifiche per b- e top-quark) • Identificazione dei b-getti in ATLAS e CMS: b-tagging 5. Produzione inclusiva di b-quark nel Run1 di LHC • misure di sezioni d’urto inclusive e differenziali di produzione di getti da b-quark e di coppie di getti bb • tecniche di deconvoluzione di effetti di rivelatore: cenni di base. • misure di sezioni d’urto di produzione di Z → bb 6. Misure di oggetti nello stato finale (parte 2):leptoni ed energia trasversa mancante ad LHC • leptoni in ATLAS e CMS: elettroni, muoni • energia trasversa mancante in ATLAS e CMS 7. Produzione associata di b-quarks e bosoni (W,Z) nel Run1 di LHC • sezioni d’urto inclusive e differenziali di produzione di W+b-getti

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Sezione topica 1: produzione di top 8. Produzione di top quarks a LHC quark e stime di • produzione di coppie di top quarks (tt) fondi • produzione di top quark singolo • connessioni con predizioni di precisione (NNLO/NLO) e nuovi sviluppi teorici (WbWb, “matching and merging”) • Decadimenti del top quark: stati finali per coppie di top e top singoli 9. Fondi alla produzione di top quarks: tecniche di stima e incertezze associate • W/Z+getti • falsi leptoni • multi-getti • Z+getti e coppie di bosoni • tt e top singolo: fondo l’uno all’altro • Richiami su fondamenti di incertezze sistematiche

Sezione topica 2: misure di sezione 10. Misure di precisione della produzione di top quarks a LHC d’urto di pro- • produzione di tt duzione di top • produzione di top singolo quark • misure di Vtb • risultati combinati 11. Produzione di Top quarks: misure differenziali • sezioni d’urto di produzione tt differenziali in variabili cinematiche, molteplicita` dei getti, attivita` adronica • sezioni d’urto di produzione di top singolo differenziali in variabili cinematiche • il futuro e` “boosted” (parte 1): – l’emergenza dei top quarks ad altissimo impulso trasverso – riconoscimento di getti da top quark: tecniche basate su sottostruttura dei getti – misure di sezioni d’urto differenziali tt ad altissimi impulsi trasversi – richiami su deconvoluzione di effeti di rivelatore: unfolding • confronto con lo stato dell’arte delle predizioni (generatori di eventi NLO e calcoli a NNLO)

Sezione topica 3: misura della massa 12. La massa del top quark del top quark • il significato della massa del top: ambiguita` e incertezze intrinseche. • massa del top quark e stabilita` del vuoto • tecniche per la misura della massa del top quark 13. Misura massa del top quark a LHC (e ) • misure “standard” di massa del top quark a ATLAS e CMS • risultati combinati LHC-Tevatron • misure “alternative” di massa del top quark a ATLAS e CMS

Sezione topica 4: misura delle altre 14. Misure di altre proprieta` del top quark (oltre alla massa) proprieta` del top • carica elettrica quark • spin del top quark: elicita` del bosone W in decadimenti di top quarks • correlazioni fra spin nella produzione di tt • accoppiamenti top+X (W/Z) • asimmetria di carica nella produzione di tt

Sezione topica 5: Top quark e bosone 15. Il top quark e il bosone di Higgs di Higgs • importanze dell’accoppiamento di Yukawa tra il top quark e l’Higgs • ricerca della produzione associata a ATLAS e CMS: ttH

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Sezione topica 6: top quark e nuova 16. Il top quark come finestra su fisica oltre il modello standard: nuova fisica in pro- fisica; prospettive duzione del top quark (top “partners”) per il Run2 di LHC 17. Il futuro e` “boosted” (parte 2): top quarks ad altissimi impulsi trasversi • riconoscimento “avanzato” di getti da top quark: i top taggers • ricerche di top quarks ad altissimi impulsi trasversi : vector-like top “partners” e risonanze tt 18. Nuove direzioni di ricerca in eventi con top quarks: fit di teorie effettive, nuove particelle “leggere”, materia oscura 19. Prospettive per il Run2 di LHC • Prospettive per LHC • Prospettive per il rivelatori • Prospettive sulle misure degli oggeti di stato finale • Prospettive sulle misure di sezioni d’urto di produzione di top quark • Prospettive per la misura della mass del top quark • Prospettive per l’osservazione di tt+ Higgs • Prospettive per ricerche di nuova fisica con i top quarks

Bibliografia Con- Testo con strumenti di base: QCD & Collider Physics (Cambridge Monographs on Par- sigliata ticle Physics, Nuclear Physics and Cosmology) Paperback, Cambridge University Press - Chapter 10. Heavy quarks; Articoli di Revisione/Riferimento di base: 1. S. Frixione, M. L. Mangano, P. Nason and G. Ridolfi, “Heavy quark production,” Adv. Ser. Direct. High Energy Phys. 15, 609 (1998) [hep-ph/9702287]. 2. M. L. Mangano, “Two lectures on heavy quark production in hadronic collisions,” In *Varenna 1997, Heavy flavour physics* 95-137 [hep-ph/9711337]. 3. A. Quadt, “Top quark physics at hadron ”, Eur. Phys. J. C 48, 8351000 (2006) DOI 10.1140/epjc/s2006-02631-6 4. J. H. Kuhn, “Theory of top quark production and decay”, In *Stanford 1995, The top quark and the electroweak interaction* 1-64 [hep-ph/9707321]. 5. S. Willenbrock, “The Standard model and the top quark,” NATO Sci. Ser. II 123 (2003) 1 [hep-ph/0211067]. 6. Chris Quigg, Top-ophilia, -FN-0818-T Articoli con risultati aggiornati saranno indicati a lezione sulle singole “slides” per ogni argomento.

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