Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Fisica Corso di Laurea Magistrale in Fisica Nucleare e Subnucleare Measurement of the Z boson transverse momentum and pseudorapidity differential cross sections

Il Modello Standard della fisica delle particelle è una teoria che descrive le particelle elementari e le interazioni a cui sono sottoposte, ed è una delle teorie più importanti della fisica moderna. Elaborato negli anni ’60, nelle ultime cinque decadi è stato oggetto di numerosi test aventi lo scopo di verificarne l’accuratezza e la veridicità. I maggiori risultati ottenuti all’interno di questo modello furono la scoperta dei bosoni vettori W e Z nel 1983, da parte degli esperimenti UA1 e UA2, e del bosone di Higgs nel 2012 grazie agli esperimenti ATLAS e CMS. Sebbene descriva con successo molti processi di fisica delle particelle, rimangono escluse alcune evidenze sperimentali. Per cercare una risposta ad alcuni di questi quesiti, LHC, l’acceleratore di particelle più grande del mondo, continua il suo lavoro, migliorando la conoscenza che abbiamo del Modello Standard e cercando di superarlo. La misura della sezione d’urto dei processi del Modello Standard va proprio in tale direzione: fornisce importanti test sulla cromodinamica quantistica (QCD) e delimita alcuni parametri della teoria. In questa tesi si è studiata la sezione d’urto differenziale rispetto ad alcune osservabili cinematiche in eventi prodotti dal processo di Drell-Yan: un quark e un antiquark si annichiliscono creando un bosone Z o un fotone virtuale, che decade in una coppa di leptoni; tale studio ha permesso il confronto tra diverse funzioni di distribuzione partoniche (PDF). Queste funzioni esprimono la probabilità di trovare un partone (quark e gluoni) all’interno di un protone con una certa frazione di momento, ad una data scala di energia. Purtroppo non è possibile calcolare le PDF per via teorica, ma esse possono essere ricavate usando dati da differenti esperimenti. La conoscenza di tali funzioni è essenziale per poter determinare in modo accurato le condizioni iniziali delle particelle incidenti negli esperimenti di collisione. Le sezioni d’urto studiate in questa tesi sono espresse in funzione del momento trasverso, della pseudorapidità e della rapidità del bosone Z intermedio, e sono comparate con le previsioni teoriche fornite da tre diversi set di PDF: CTEQ6L1, CT10 e NNPDF21 100. Le coppie elettroniche usate nell’analisi sono state prodotte nelle collisioni protone-protone ad una energia nel centro di massa di 8 TeV, e sono state raccolte dall’esperimento CMS di LHC nel 2012 (corrispondente ad una luminosità integrata di 19.78 fb−1). La tesi è divisa in cinque capitoli. Il primo capitolo presenta una breve introduzione al Modello Standard, descrivendo le interazioni elettrodeboli e forti, e concentrandosi in particolare sul bosone Z ed il processo di Drell-Yan, chiudendo con un sommario sui problemi irrisolti dal modello. Il secondo capitolo descrive il Large Hadron Collider e l’esperimento CMS, includendo l’esposizione dei vari sotto-rivelatori che compongono CMS: il tracciatore, i calorimetri, i rivelatori per i muoni e il magnete solenoidale. Nel terzo capitolo è presentato il set di dati utilizzato, con particolare attenzione per il sistema di ricostruzione delle particelle e la sua performance nella ricostruzione degli elettroni. Sono descritti inoltre i generatori della simulazione Monte Carlo, MadGraph 5 e PYTHIA 6, e del rivelatore, geant4,