Analisi del top in ATLAS e CMS utilizzando i primi fb

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1 Analisi del top in ATLAS e CMS utilizzando i primi fb Andrea Dotti INFN & Università di Pisa Bari, Ottobre 2005 Leonardo Benucci INFN & Università di Pisa

2 Sommario Introduzione Produzione del top ad LHC ttbar semileptonico analisi completa selezione e ricostruzione del segnale misura della massa Commissioning dei detectors con eventi di ttbar selezione del segnale fondi misura della massa Bari, Ottobre 2005

3 Motivazioni per lo studio del quark top La massa del quark top è un parametro fondamentale del MS (assieme alla massa del W costringe la massa dell H) La fisica del top è inusuale ed interessante: τhadr>τdec, Mt > MW: decade in W reale prima di adronizzare Il top può essere usato per calibrare/studiare molti aspetti dei detector: jet-scale, b-tagging Il top è un fondo importante praticamente per tutti gli studi oltre il MS Bari, Ottobre 2005

4 Dove siamo oggi: Massa del top Bari, Ottobre 2005 Top osservato e misurato in produzione ttbar al Tevatron da CDF e D0 già dal Run 1

5 Dove siamo oggi: Massa del top Bari, Ottobre 2005 Massa del top e del W costringono la massa del bosone di Higgs Il fit EW preferisce un bosone di Higgs leggero, ancora più leggero con le nuove misure preliminari del Tevatron LHC si pone l obbiettivo di misurare la massa del top con un errore di ~1 GeV Questo errore sarà dominato dalla sistematica

6 Produzione del top ad LHC: ttbar qq->tt: ~10% gg->tt: ~90% σtt FNAL = 6.5pb (1 ± 5%scale ± 7%PDF ) σtt LHC = 840pb (1 ± 5%scale ± 3%PDF ) Principalmente da gluon fusion 8 milioni di eventi ttbar all anno (rate di 1Hz) a bassa luminosità Bari, Ottobre 2005

7 Topologia degli eventi Stato finale con 2 quark b 2 bosoni W Top decade Wb nel 99.9% dei casi Il decadimento del W leptonico fornisce una facile segnatura per il trigger Bari, Ottobre 2005

8 ttbar semileptonico tt -> lνbjjb gli eventi sono triggerati dal leptone isolato (e,µ) 2x(2/9)x(6/9)=29.6% degli eventi tt decadono in questo canale il top adronico può essere interamente ricostruito il top leptonico puo essere ricostruito con ambiguita quadratica imponendo ET(ν)= ETmiss e Mlν=MW, occorre buona precisione nella misura di ETmiss Questo è il golden-channel per la misura della massa del top, può inoltre essere usato nella prima fase di presa dati anche con performance del detector non ottimali Bari, Ottobre 2005

9 ttbar semileptonico: selezione Efficienze di selezione 1-10% (O(100000) eventi 10fb-1) Leptone isolato PT>20 GeV, Missing ET > 20 GeV almeno 4 jets con ET > 40 GeV 2 b-jets identificati Fondi principali: W/Z + jets, WW/ZZ/WZ Selezione garantisce: S/B ~ 65 Per 10 fb-1 il fondo (non combinatorio) è ridotto a ~1900 eventi, da confrontare con i del segnale Bari, Ottobre 2005

10 Selezione del segnale Numero di eventi che passano le diverse selezioni efficienza della selezione: CMS ε=1-10% Molto Bari, Ottobre 2005 importanti per sopporimere il fondo le richieste di: b-tagging Njets>=4

11 Ricostruzione del segnale L evento può essere interamente ricostruito con ambiguità quadratica proveniente dal neutrino: Si impone ET(ν)=ETmiss Si applicano i vincoli: mlν=mw, mjj=mw, mjjb=mlνb=mt Si ricava la massa del top facendo un fit a questi vincoli Questo metodo (usato al Tevatron), al crescere della statistica, richiede un ottima conoscenza miss delle distribuzioni e risoluzioni di ET Bari, Ottobre 2005

12 Misura della massa del top Si può limitare l uso di ETmiss (e del leptone isolato) al tagging dell evento e usare il top adronico per la misura della massa, tra i due b-jets viene scelto quello che dà maggiore PT(jjb) Questo metodo sarà molto utile nella prima fase di presa dati ad LHC signal Bckgl Bari, Ottobre 2005

13 Massa del top: errore M(reco) vs M(true) ATLAS M(reco) vs PT(top) ATLAS δmt(had) δmt(fit) (GeV) 0.9 (GeV) Scala jets leggeri Scala b-jets Framm. b-quark ISR FSR Fondo da combinatorio Totale δmt(stat.) <0.1 GeV già con 10 fb-1 Maggior contributo all errore viene dal FSR, contributo ISR soppresso da cut in ET dei jets b-jet scale uncertainty Bari, Ottobre % 5% 10% δ m (top) 0.7 GeV 3.5 GeV 7 GeV

14 Calibrazione dei jets CMS ATLAS Bari, Ottobre 2005 La precisione richiesta nella scala dei jet leggeri può essere ottenuta dagli eventi di top stesso, tramite una procedura di in-situ calibration imponendo la massa del W alle coppie Questo metodo permette di raggiungere il livello richiesto dell 1% La calibrazione dei b-jets può essere studiata negli eventi Z+b

15 Commissioning dei detectors Il top può essere usato nella fase iniziale di presa dati per commissionare il detector Si usa il golden-channel semileptonico (si triggera sul leptone e si ricostruisce il top adronico) Si può usare il W adronico per calibrare in-situ i jets leggeri Negli eventi ttbar due jets provengono da quark b, è un campione ricco a priori di b-jets: si possono fare studi di b-tagging E possibile anche in uno scenario pessimistico : no b-tagging, jet-scale non calibrata Bari, Ottobre 2005

16 Commissioning con il top Selezione segnale: 1 leptone isolato PT> 20 GeV 4 jets ( R=0.4) con ET > 40 GeV Ricostruzione: Combinazione 3 jets con più alto PT Bari, Ottobre 2005 Scenario pessimistico: no b-tag, jet non calibrati buona identificazione leptoni

17 Segnale W CANDIDATE TOP CANDIDATE Ben visibile il picco del top Il fondo è dovuto al non corretto assegnamento dei jets Le masse misurate sono spostate verso il basso mtop = 162.7±0.8 GeV m(tophad) Dovuto alla non corretta calibrazione dei jets MW = 78.1±0.8 GeV m(whad) L=300 pb-1 S B III Workshop Italiano sulla Fisica S/B = 1.20di ATLAS e CMS Bari, Ottobre 2005 S/B = 0.5

18 Commissioning con il top CMS Start up scenario: no b-tag no carica dei jets no vincolo al vertice primario J. Heyninck, PRS meeting 21 settembre 05 Il picco di massa invariante è visibile sopra il fondo da combinatorio Bari, Ottobre 2005

19 Fondi Fondi principali: Errata identificazione/associazione jets Non-W (QCD) W+jets, Wbbar, Wccbar Wc WW,WZ,ZZ Z tt Single top Il fondo principale è dovuto al W+jets Bari, Ottobre 2005 W->lν

20 Fondo W+4jets Questo fondo non può essere da Pythia o Herwig, occorre un generatore dedicato: AlpGen, grosse incertezze Andrà misurato precisamente dai dati stessi: misura di Z+4jets dai dati Misura del rapporto W+4jets/Z+4jets (MC) W + 3 partons (80 pb*) W Bari, Ottobre 2005 Inoltre W+3,5jets possono risultare in W+4jets (splitting/merging jets) Non ancora inclusi: double counting... W + 4 partons (32 pb*) lν W parton is reconstructed as 2 jets lν W + 5 partons (15 pb*) W lν 2 parton reconstructed as single jets

21 Segnale più fondo Incluso il background (W+4jets): il fondo è circa tre volte più grande Vi sono molte incertezze nella sezione d urto del fondo m(tophad) m(whad) S L=300 pb-1 B S/B = 0.45 Bari, Ottobre 2005 S/B = 0.27

22 Segnale più fondo E possibile migliorare S/B richiedendo solo gli eventi con m(jj)-m(w) <10 GeV m(tophad) m(whad) S m(tophad) L=300 pb-1 S/B = 1.77 B S/B = 0.45 Bari, Ottobre 2005

23 Segnale più fondo E anche possibile sfruttare il top leptonico richidedendo m(lνb) ~ mt m(tophad) L=300 pb-1 S m(tophad) m(jlν)-mt <30 GeV B S/B = 0.45 Bari, Ottobre 2005 S/B = 1.11

24 ttbar come campione di b-jets Se tutte le associazioni del top adronico sono corrette, il 4 jet deve essere un b-jet: possibile studi di performance del b-tagging con b-tag disponibile è possibile migliorare la selezione Standard analysis (for comparison) S/B = 0.45 ttbar W+jets Bari, Ottobre 2005 Cut on b signal probability > 0.90 on 4th jet S/B = 1.36 ttbar W+jets

25 Conclusioni Cosa occorre: Il top può servire per: Efficiente trigger leptone singolo Stimare la scala dei jet leggeri (W->jj) Efficiente identificazione del leptone Stimare l efficienza di btagging (campione ricco a priori di jet b) E possibile anche con performance ridotte: b-tag jet-scale Bari, Ottobre 2005 Occorre lavorare ulteriorimente: Fondi (W+ n jets) Influenza degli algoritmi di ricostruzione dei jet Allineamento realistico nella simulazione

26 Conclusioni ATLAS e CMS potranno ri-scoprire il top già dal primo periodo di presa dati Il top nel canale semileptonico potrà essere studiato e misurato anche con performance dei rivelatori non ottimizzate: b-tagging, scala di energia dei jets,... Tuttavia le misure di precisione (δmt<1gev) richiederanno detector ottimali e comprensione dettagliata degli effetti sistematici Nella prima fase di presa dati il top sarà uno strumento preferenziale per comprendere e calibrare i detector Bari, Ottobre 2005

27 Backup slides Bari, Ottobre 2005

28 JetRec m(t) m(w) Cone algoritm R=0.7 worse m(t) m(w) KT algoritm worst Bari, Ottobre 2005 Ivo van Vulpen

29 Produzione del top ad LHC: top singolo s-channel t-channel σ=10 pb σ=247 pb Wt-channel σ=56 pb Sensibile a nuova fisica: FCNC, nuovi bosoni di Gauge Dipende direttamente da Vtb Fondo per ttbar e per nuove ricerche di fisica (H+->tb, WH>lνbb) Ogni canale richiede strategie differenti Bari, Ottobre 2005

30 Sezione d urto e background per il top singolo 1.96 TeV 14 TeV Single top (s-channel) 0.88±0.12 pb 10±1 pb Single top (t-channel) 1.98±0.22 pb 245±17 pb (x120) Single top (Wt channel) 0.15±0.04 pb 60±10 pb (x400) ttbar pairs pb 825±150 pb (x120) Wjj (*) ~1200 pb ~7500 pb (x6) bb+other jets (*) ~2.4x105 pb ~5x105 pb (x2) (*) Belyaev, Boos, and Dudko [hep-ph/ ] Bari, Ottobre 2005 (x10)

31 Selezione del segnale 1 leptone isolato 2 jet ad alto Pt (3 per il Wt-channel) almeno 1 b-jet (2 per l s-channel) Missing ET M(lνb) in una finestra attorno a M(top) M(jj) in una finestra attorno a M(W) per il Wtchannel (jet anti-b-taggati) Bari, Ottobre 2005

32 -1 single top a 10fb? Precisione statistica (a 30 fb-1) è di qualche % nei tre canali -> O(10%) Incertezze sistematiche critiche nella prima fase di presa dati: Scala di energia dei jets è errore sistematico dominante E cruciale avere ben sotto controllo il b-tagging: efficienze, regezioni La conoscenza del background è molto importante e va estratta dai dati stessi Studi in full-simulation sono appena iniziati Nuovi risultati sono attesi Bari, Ottobre 2005

33 Bari, Ottobre 2005

34 separazione s-ch./t-ch. 2 b-jet, quasi back-to-back CMS 3rd jet: b (mostly undetectable) s-channel t-channel Jet di rinculo 1 b-jet di alto Pt 2nd jet: j 1 b-jet di basso Pt (solitamente fuori accettanza) t-channel Bari, Ottobre st jet: b from t Pt

35 ttbar di-leptonico BR~5% degli eventi: evt per 10 fb-1 Selezione: 2 leptoni opposti high-pt ETmiss 2 jets high-pt S/B~10 Ricostruzione dell evento: Faccio un ipotesi di mt e risolvo la cinematica nelle incognite momenti dei neutrini associando... Sistematici dominati da: PDF b-jets scale Bari, Ottobre 2005

36 ttbar totalmente adronico eventi puramente adronici (BR~45%) Possibile ricostruzione completa dell evento Menù di trigger multi-jet prevedono fino a 4 jets Molto difficile separare il segnale dal fondo di QCD Selezione: 6 jets centrali di alto PT di cui 2 b-jets Questo porta evt (10fb-1), ma con S/B~1/19 Tenendo solo eventi con PTtop>200 GeV e 130<mjjb<200 si hanno 3300 eventi di segnale e S/B~18/1 Sicuramente il canale più difficile Sistematici dominati dalla FSR e dalle scale dei jets Bari, Ottobre 2005

37 Metodo complementare Selezione tracce alto PT back-to-back in emisferi opposti Si richiede un leptone isolato (PT>30 GeV, ETmiss>30 GeV) e ETtot>450 GeV Si chiede un b-jet nello stesso emisfero del leptone e tre jets (di cui 1 b-jet) con ET>40 GeV nell emisfero opposto Il top viene ricostruito in questo emisfero richiedendo PT(jjb)>250 GeV Il background è ridotto a livelli trascurabili Ma vi è una maggiore probabilitàdi sovrapposizione dei jets Bari, Ottobre 2005

38 ttbar semileptonico: J/ψ Bari, Ottobre 2005 Il canale con J/y in stato finale è facile da triggerare grazie alla coppia mm MlJ/y dipende da Mt Ha il vantaggio di non dipendere dalla scala dei jet Possibile solo ad alta luminosità: 1000 evt/anno