Single top quark studies at CMS

Questo lavoro è dedicato alla ricerca e allo studio della produzione di singolo quark top a CMS: anche se questa particella è stata scoperta al Tevatron più di dieci anni fa, attualmente esistono solo misure della produzione in coppie (t tbar). Una misura della produzione diretta di singolo top per via elettrodebole è importante per verificare la nostra conoscenza attuale del Modello Standard, porre limiti all’esistenza di una quarta generazione di fermioni controllando l’unitarietà della matrice di mixing V_CKM, e misurare la polarizzazione del top; è inoltre necessaria per poter esaminare altri canali di fisica per cui il single top costituisce un fondo importante come H -> W W -> lv lv e le ricerche di bosoni di Higgs carichi, quali quelli presenti nei modelli supersimmetrici. Nella prima parte sarà fornito un quadro sintetico della teoria iniziando dai fondamenti del Modello Standard, la teoria che riassume la nostra attuale conoscenza delle particelle elementari. Verranno anche riassunte le importanti nozioni di densità di probabilità partoniche, necessarie per interpretare le sezioni d’urto a LHC e Tevatron in termini delle interazioni elementari fra partoni (quark e gluoni), gli effetti radiativi e l’adronizzazione che porta alla produzione dei jet. L’introduzione teorica sarà completata riassumendo la fenomenologia specifica del quark top, con particolare riferimento alla produzione elettrodebole di singolo top. Nella seconda parte, dopo una rapida descrizione del collider LHC in preparazione al CERN di Ginevra, sarà descritto l’esperimento CMS, volto a esplorare completamente la fisica delle particelle fino alla scala del TeV: sarà dato un quadro generale di tutte le parti del rivelatore (tracciatore al silicio, calorimetri, camere per i muoni), degli algoritmi di ricostruzione per le tracce, i vertici e gli “oggetti finali” come elettroni, muoni e jet, e del funzionamento del trigger; maggiore spazio sarà dato a quelle componenti che entreranno più direttamente nell’analisi del singolo quark top. Sarà fatta anche una breve digressione su alcuni aspetti specifici della costruzione e del test del tracciatore interno, realizzato in parte nei laboratori INFN di Pisa e di cui ho avuto un’esperienza diretta. La terza parte sarà dedicata specificamente alla ricerche di singolo quark top. Dopo aver presentato i risultati recenti dell’esperimento CDF a Tevatron, si introdurranno alcuni concetti e strumenti che saranno utili per le ricerche di 1 singolo top in tutti e tre i canali d’interesse per CMS, che saranno poi trattati nel dettaglio: t-channel (qb -> tq'), caratterizzato da una sezione d’urto più grande e un segnale visibile anche con una luminosità integrata di 1 fb-1 e che sarà probabilmente osservato a Tevatron nei prossimi anni; produzione associata tW (qg -> tW), più difficile da separare dal fondo e invisibile a Tevatron a causa di una minore sezione d’urto, ma alla portata di un anno di LHC (10 fb-1); s-channel (q qbar'-> t bbar), per il quale esistono predizioni teoriche assai precise ma caratterizzato da una sezione d’urto estremamente ridotta e che quindi rappresenterà una sfida difficile anche a LHC. Le analisi dei tre canali che saranno pubblicate nel Physics Technical Design Report di CMS sono state portate avanti abbastanza indipendentemente da tre gruppi di ricerca all’interno di CMS, e ho avuto modo di contribuire personalmente all’analisi del canale tW. In questo lavoro di tesi si rivisiteranno tutti e tre i canali cercando di riprodurre, e se possibile anche migliorare, in parte i risultati precedenti trattando gli elementi comuni dei tre canali in modo uniforme e sfruttando su tutti e tre le conoscenze e gli strumenti trovati singolarmente in ciascuna delle analisi, o anche in altre analisi simili quali lo studio della produzione di coppie t tbar e le ricerche di H -> W W