di Higgs a LHC b-tagging per la ricerca Scuola Normale Superiore e INFN, Pisa Incontri sulla Fisica delle Alte Energie Andrea Bocci

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1 b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Incontri sulla Fisica delle Alte Energie Pavia Scuola Normale Superiore e INFN, Pisa

2 Sommario - b-tagging per la ricerca del bosone di Higgs - Caratteristiche degli adroni con quark b e algoritmi di b-tagging Vita media Vertici secondari Leptoni soffici - Simulazioni Monte Carlo e risultati Performance ATLAS: ultime pubblicazioni risalgono al 2003 CMS: analisi recenti (Physics TDR, vol. 1 e 2) Allineamento 2

3 3 130 < mh < 180 GeV/c2 mh < 186 GeV/c2 Fit elettrodebole (95% CL. asimmetrico) Limiti teorici (Λ ~ 1019 GeV) mh > GeV/c2 Escluso dalla ricerca diretta a LEP-2 Decadimenti del bosone di Higgs

4 Caratteristiche degli adroni B - Vita media lunga τ = 1.6 ± 0.1 ps, cτ = 0.47 ± 0.03 mm p = 20 GeV/c L = 1.8 mm Parametro di impatto Decadimenti con vertice secondario - Alta molteplicità di tracce cariche <n ch > = 4.95 ± tracce cariche per decadimento - Frazioni di decadimento semileptonici 19.3 ± 0.5 % (e, µ) Soft lepton b-tagging b - Decadimento di particelle massive Alto impulso trasverso dei prodotti di decadimento 4

5 Vita media: parametro di impatto - Distanza tra la traccia carica estrapolata e il vertice primario 2D (piano trasverso, rφ) 2D + 1D (rφ + z, ATLAS) 3D (distanza euclidea, CMS) (1) parametro di impatto (2) vertice primario vertice secondario asse del jet (2) (1) Jet da B - Origine della traccia: punto di minor distanza tra la traccia e l asse del jet a valle del vertice primario: IP positivo (1) a monte del vertice primario: IP negativo (2) 5

6 Parametro di impatto (CMS) 3D S IP - Significatività del Paramero di Impatto S IP = IP / σ IP b c jet da adroni b jet da adroni c jet da adroni leggeri (u, d, s) e gluoni u, d, s flavour enriched QCD events S IP - Le tracce in jet da b mostrano una marcata asimmetria per parametri di impatto positivi - Nei jet leggeri la distribuzione è quasi simmetrica - Code non gaussiane dovute a interazione con il materiale 6 Frazione dei Jet Frazione dei Jet

7 Vita media e numero di tracce 1 traccia 2 traccia 3 traccia - Significatività del parametro di impatto 3D per le prime tracce, in ordine di significatività. - Nei jet non da b, è improbabile trovare più di una traccia con parametro di impatto grande e positivo - Discriminante: la significatività del parametro di impatto della 2 o 3 traccia aggiotaggio b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC 7 Frazione dei Jet Frazione dei Jet

8 Vita media e probabilità (CMS) - Ipotesi: per tracce dal vertice primario, la distribuzione del parametro di impatto è simmetrica rispetto a 0 - Parte negativa della distribuzione (misurabile dai dati) definisce una densità di probabilità per ciascuna traccia di venire dal vertice primario b b u, d, s c u, d, s P tr L jet - Le probabilità di tutte le tracce del jet vengono combinate per dare la likelyhood che il jet abbia origine da un adrone B c 8

9 Vita media e probabilità (ATLAS) - Le distribuzioni del parametro d impatto per jet da b e da quark leggeri vengono utilizzate per assegnare a ciascuna traccia un peso per l appartenenza ad un jet da b w tr = P b (track) / P u (track) 2D S IP b u u b S IP - I pesi di tutte le tracce del jet vengono combinati per dare la likelyhood che il jet abbia origine da un adrone B L jet 9 Frazione dei Jet Frazione dei Jet

10 Vita media: vertici secondari - L identificazione di un vertice secondario all interno di un jet è un ottima indicazione dell origine del jet da un adrone B Reiezione di vertici dovuti al decadimento di adroni neutri (V 0 ) - ATLAS - CMS Informazioni extra da combinare alla Likelyhood del jet: Massa invariante delle particelle provenienti dal vertice secondario Frazione di energia associata alle particelle provenienti dal v. secondario Numero di vertici secondari (2 tracce) associati al jet Algoritmo di b-tagging indipendente S 2D IP di tutte le tracce Massa invariante e frazione di energia delle particelle del S.V. Molteplicità delle tracce associate al S.V. Significatività della distanza tra vertice primario e secondario S 2D IP della traccia che spinge la massa invariante oltre 1.5 GeV/c 2 Rapidità rispetto all asse del jet Likelyhood per diversi tipi di S.V. e flavour del jet 10

11 Decadimenti semileptonici Adroni con quark b: decadimento diretto Br = (10.7 ± 0.2) % b W - * q, W - * l - ν l decadimento a cascata Br = (8.0 ± 0.2) % b W - *c, c l + ν l X decadimento a cascata con segno sbagliato Br = (1.6 ± 0.4) % b W - * q, W - * cq l - ν l X i decadimenti diretto e con segno sbagliato sono mutuamente esclusivi assumendo che il decadimento a cascata sia statisticamente indipendente Br(b l ± X) ) = (19.3 ± 0.5) % Adroni con quark c: decadimento diretto Br = (9.7 ± 0.3) % c W + * q, W + * l + ν l Adroni leggeri (u, d, s): decadono in mesoni leggeri (π, Κ) 11

12 b-tagging con leptoni - L identificazione di un leptone all interno di un jet è un buon indice dell origine del jet da un adrone B - Branching Ratio per famiglia leptonica: 19% Bassa efficienza intrinseca Efficienza di identificazione dei leptoni con basso impulso - Utile per Alta purezza / reiezione di jet non da quark b Indipendente dalla vita del quark b - Miglior reiezione utilizzando variabili cinematiche del leptone: Parametro di impatto Impulso trasverso, rispetto all asse del jet Rapporto p/e lungo la direzione del jet ( rapidità) Distanza pseudoangolare (piano ηφ) dall asse del jet 12

13 Performance c g u, d, s c g u, d, s g u, d, s c Track counting Jet probability Secondary vertex Soft muon Soft electron c c g u, d, s g u, d, s Plots: CMS QCD jets Full simulation : ATLAS eventi WH (b, u) ATLFAST jets 13

14 Performance (ii ( ii) c c g g u, d, s u, d, s QCD, Secondary vertex QCD, Secondary vertex - Probabilità di mis-identificaione per un efficienza di b-tagging di 0.5 al variare di Impulso trasverso del jet (partone iniziale) Pseudorapidità 14

15 Performance tt, tth c u, d, s c u, d, s tt,, Secondary vertex tt + tth,, 2D - CMS: vertice secondario, eventi tt, full simulation ATLAS, 3D, realistico (jet da quark u) - ATLAS: probabilità con I.P. 2D, rivelatore ideale No pile up, inefficienze, vertice MC, jet isolati 15

16 Allineamento c u, d, s tt,, Secondary vertex tt,, Secondary vertex - Eventi tt / tth, rivelatore realistico - CMS: ideale, 10 fb -1 (1 µm strip + 10 µm pixel), 1 fb -1 (10 µm) pixel disallineati (30 µm) - ATLAS: 3D I.P., con 0 / 5 / 20 µm (rφ), 0 / 10 / 60 µm (z) 16

17 Conclusioni - Tools di b-tagging disponibile e pronti per essere utilizzati per eventi di fisica: Topologia dei jet semplice WH (ATLAS) di-jet QCD (CMS) e complessa tth, H bb (segnale) ttjj (fondo) - Tools basati su lunga vita media maturi Parametro di impatto Vertice secondario - Soft lepton b-tagging recente (CMS) o meno studiato (ATLAS) - Applicazione a diversi algoritmi di ricostruzione dei jet kt, - È indispensabile migliorare la reiezione dei jet leggeri (u, d, s, gluoni) per abbassare il fondo di QCD! 17

18 Slides di backup 18

19 Applicazione: tth,, H bb H - Canale di scoperta per Higgs leggero (m H < 135 GeV/c 2 ) - H bb è sommerso dal fondo QCD: produzione associata a coppia tt (definizione fisica fisica del flavour del jet) - Eventi tth (segnale) e ttjj (fondo) - Efficienza di selezione in funzione del taglio: vertice secondario - L aggiunta delle informazioni sui leptoni permette di migliorare del 10% la purezza di selezione a parità di efficienza 19

20 Soft muon b tagging: tt flavour enriched di-jet tt + QCD - Buona indipendenza dal tipo di jet sotto esame - Eventi di-jet artificialmente ricchi in gluon splitting 20

21 Soft muon b-tagging: b no IP - Il b-tagging con leptoni può essere utilizzato in assenza delle informazioni sulla vita media del b (parametro di impatto) indipendente da altri algoritmi di b-tag utile per la prima presa dati a CMS: no pixel detector - Perdita di reiezione dell ordine delle unità (fattore ~ 3) 3 21