F. Chevallier (LPSC) 1 La production simple du quark Top au LHC PLANIntroduction Le single top dans...
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F. Chevallier (LPSC) 1
La production simple du quark Top au LHC
PLANPLAN
IntroductionIntroduction● Le single top dans le Modèle Standard● Motivations au LHC
Stratégie de mesure de la voie sStratégie de mesure de la voie s● Phénoménologie : signal et fonds● Variables discriminantes et sélection
PerformancesPerformances● Sensibilité : statistique et systématique● Mesure des voies t et W+t
ConclusionConclusion
F. ChevallierF. Chevallier
A. Lleres,A. Lleres,
A. LucotteA. Lucotte
LPSC (Grenoble)LPSC (Grenoble)
F. Chevallier (LPSC) 2
Contexte et motivations
Production dans le MSProduction dans le MS● Vertex W-t-b (Interaction faible)
W-g (voie t) W+t (Production associée) W* (voie s)
MotivationsMotivations● Mesures directes du vertex : |Vtb|
● Mesure de polarisation du W ● Recherche de nouvelle physique
Couplages anormaux, FCNCBosons de jauge supplémentaires W’ (GUT, KK) Bosons de Higgs charges (2HDM)
● Contraintes sur les PDF du b● Fond principal pour de nombreuses analyses
Higgs, SUSY, …
W’/H±
Jamais vu à ce jour !
W’/H±
F. Chevallier (LPSC) 3
Le single top aujourd’hui : le TeVatron
Stratégie de rechercheStratégie de recherche● Canaux d’étude
Seules les voies s et t sont accessibles σ(voie t) = 1.98 pb, σ(voie s) = 0.88 pb
● Fonds importantsWQQ (Q=b, c)W+jetsPaires de top
Faible rapport S/B
Résultats actuelsRésultats actuels● Limites supérieures sur σ(voies s, t)
σ(voie t)<4.4 pb, σ(voie s)<5.0 pbRésultats limités par la statistique
● Incertitudes systématiques (hors luminosité)Identification et échelle d’énergie des jets (~6%) b-tag, taux de mauvaise identification (6%)Déclenchement (~5%), fragmentation des jets (5%), lepton ID
(4%)Méconnaissance des fonds (2-18%)
CDF-Hiver 2006
Extrapolations Run II :découverte voies (s+t) pour > 4 fb-1 par expérience
F. Chevallier (LPSC) 4
Stratégie de recherche dans ATLAS
SignalSignal● Production asymétrique
voie s : tb ~ 2/3 et tb ~ 1/3
● Décroissance du top Wb (100% MS)● Utilisation du W leptonique + jets b
voie s : W* t b (lb) bvoie t : q’g tq b (lb) q bvoie W+t : b* t W (lb) qq’
Fonds principauxFonds principaux● Paires de top
tt dileptons (l=e, μ, τ)tt l+jets (l=e, μ, τ)
● W/Z (+jets)W+jets, Z+jets, Dibosons
● QCDMultijets + fake lepton
CanalCanal σσ x BR (pb) x BR (pb)
W-gW-g 54.254.2
W+tW+t 17.817.8
W*W* 2.22.2
ttbar ttbar 246246
Wbb Wbb 66.766.7
W+jetsW+jets 3,8503,850Incertitudes théoriques très importantes :paires de top : 10%W+jets : 15 % Nécesssité d’utiliser les données
b
bp p
E T
jet
jet
Ex : Voie s
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Préselection : variables discriminantes
PrésélectionPrésélection● Lepton & mET
Lepton central, isolé de haut-pT, véto sur 2e lepton
Seuil sur mET
● Jets légersJets centraux (s, W+t) énergétiquesMultiplicité : 2 jets
● Jets étiquetés b2 jets centrauxε = 60 % (pT
bjet>30GeV/c)Multiplicité
variable importante
F. Chevallier (LPSC) 6
Préselection : variables discriminantes
PrésélectionPrésélection● Lepton & mET
Lepton central, isolé de haut-pT, véto sur 2e lepton
Seuil sur mET
● Jets légersJets centraux (s, W+t) énergétiquesMultiplicité : 2 jets
● Jets étiquetés b2 jets centrauxε = 60 % (pT
bjet>30GeV/c)Multiplicité
variable importante
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Analyse de la voie s : sélection topologique
Energie totale transverse : HEnergie totale transverse : HTT
● Somme de ET de tous les objets
HT= Σ ET(jet) + pT(l) + mET
● Pouvoir discriminant : WQQ, W+jets : HT faible valeur
Paires de top : HT grande valeur
● Limitations :Connaissance de mET, échelle d’E
Masse du top leptonique : MMasse du top leptonique : Mlvblvb
● Reconstruction du pZ du neutrino
mET interprétée comme pT()
Contrainte sur MW equation du 2e degré en pZ(v)
Determination de pZ(v)
● Reconstruction du candidat topCombinatoire associée au choix de pZ(v)
Combinatoire associée au choix du jet étiqueté b
● Limitations :Connaissance de mET, échelle d’E…
W* t b
W* t b
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Résultats attendus voie s (W*)
Sensibilité statistiqueSensibilité statistique● Sélection du signal
ε ~ 1-2 %
● Principaux fondsPaires de topSingle top voie t
Incertitudes systématiques importantesIncertitudes systématiques importantes● Systématiques expérimentales
Modélisation des ISR/FSREtiquetage des b, mauvaise identificationEchelle d’énergie des jets Luminosité (normalisation sur des processus MS?)
● Incertitudes théoriquesmtop, μF, μR, PDF ~ 6-8% sur σ
Connaissance des fonds et du signal σ, forme des distributions
S/B ~ 14%S/√B ~ 15
√(S+B)/S ~ 10% (stat)
30 fb-1
Nécesssité d’utiliser les données pour les fonds, et effets systématiques
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… un des intérêts de la voie s…
Single top et Higgs chargéSingle top et Higgs chargé● Extension du MS : 2 doublets de Higgs
5 higgs: 3 neutres (A,h,H) + 2 chargés (H±) Spectre prédit par SUSY
● Phénoménologie : Couplage dépend de mH± et tan β
Higgs léger affecte σ(tt)Higgs lourd affecte voie s
● Ajout d’un graphe supplémentaireModifie le taux d’événements observés
● RésultatsSensibilité en fonction de (mH±, tan β)
Statistiques + systématiques
H±
+W*
Etude sur le single top et sensibilité à H±
(note : ATL-COM-PHYS-2006-003)
F. Chevallier (LPSC) 10
Autres études du groupe : voies t et W+t
Performances voie t (W-g)Performances voie t (W-g)● Sélection du signal
ε ~ 0.4 %
● Principaux fondsPaires de topW+jets + WQQ
Performances canal W+tPerformances canal W+t● Sélection du signal
ε ~ 0.9 %
● Principaux fondsPaires de topSingle top voie t
S/B ~ 3S/√B ~ 140
√(S+B)/S ~ 1.4% (stat)
30 fb-1
S/B ~ 15%S/√B ~ 22
√(S+B)/S ~ 4% (stat)
30 fb-1
Mesures dominées par les systématiques. Optmisation “W+t” en cours.
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Conclusion
Sections efficaces du single top Sections efficaces du single top ● Des mesures de précision sont possibles au LHC @ 30 fb-1
Voie s Précision statistique : quelques %Sensibilité à un boson de Higgs H±
Voie W+t Fonds principaux : paires de top Précision statistique attendue : quelques %
Voie t σ importante Précision statistique : ~1-2%
● Mesures dominées par les sytématiquesIncertitudes liées aux jets : ISR/FSR , échelle d’énergie, …Etiquetage / mauvaise identification des bNécessite une bonne compréhension des fonds
Programme : 1Programme : 1èresères données et comissioning données et comissioning● Connaissance des fonds
Validation des générateursEtudes des fonds sur les données
● b-tagging avec soft lepton
Analyse en Full Simulationen cours -- Rome
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BACKUP SLIDES
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Résultats voie t (W-g)
Criteres de sCriteres de sélectionélection● N(jets) = 2● Exactement 1 b-jet énergétique
|η|<2.5, pT>50GeV/cL’autre b échappe a l’acceptance du
détecteur● 1 jet énergétique a grand η
|η|>2.5, pT ≥ 50GeV/c
● Fenêtres en HT et mlvb
Rejettent QCD et W+jets
PerformancesPerformances● Sélection du signal
ε ~ 0.4 %● Principaux fonds
ttW+jets
S/B ~ 3S/√B ~ 140
√(S+B)/S ~ 1.4% (stat)
30 fb-1
F. Chevallier (LPSC) 14
Résultats voie W+t channel
Criteres de sCriteres de sélectionélection● N(jets) = 3● Exactement 1 b-jet énergétique
|η|<2.5, pT>30GeV/c
● Reconstruction du W hadronique60 < Mjj < 95 GeV/c2
● Fenêtres en HT et mlvb
PerformancesPerformances● Sélection du signal
ε ~ 0.9 %
● Principaux fondsttSingle top voie t
S/B ~ 15%S/√B ~ 22
√(S+B)/S ~ 4% (stat)
30 fb-1
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Résultats voie s (W*)
Criteres de sCriteres de sélectionélection● N(jets) = 2● Exactement 2 b-jet énergétique
|η|<2.5, pT>50GeV/c pT>30GeV/c
L’autre b échappe a l’acceptance du détecteur
● Veto contre 3e jet (pT ) Reduction de tt
● Veto 2e lepton energetique
● Fenêtres en HT et mlvb
PerformancesPerformances● Sélection du signal
ε ~ 2 %
● Principaux fondsttSingle top voie t
S/B ~ 12%S/√B ~ 15
√(S+B)/S ~ 7% (stat)
30 fb-1
F. Chevallier (LPSC) 16
SystematicsSystematics● Experimental systematics
Light jet & b-jet Energy Scale (pT, HT, mt cuts)
Background estimation (normalization, shapes of distributions)
b-tagging efficiency & mistag ratesInput Top mass (affects selection
efficiency) Absolute σ(W*) : luminosity ∆L/L ~ ±5%
Normalization with Wlv production could help >>> All systematics are being estimated with full
simulation
● Theoretical uncertaintyISR/FSR uncertainty (5/10% on S and ΣB)Shape of the distribution of kinematic
variableshence PT,HT,mt, …
Mtop, μF, μR, PDF ~ 6-8% of sg-top xsections
Background cross-sections :(∆σ/σ)tt = 12% (NLO)
(∆σ/σ)WQQ = 30% ?
(∆σ/σ)Wjets = 50% ?
Systematic uncertainties
Use of data is mandatory
F. Chevallier (LPSC) 17
High pT b-tagged jet : pT
CharacteristicsCharacteristics● Jet b-tagging
Jet Cone ∆R= 0.4|ηb-jet | ≤ 2.5
pT > 30 GeV/c
● Discriminating power :Leading b-jet spectra is harder for top events than for
WQQ/W+nj events.
F. Chevallier (LPSC) 18
Discriminant Variable : HT
CharacteristicsCharacteristics● Sum of all objects ET in the event
HT= ΣpT(jet)+pT(l)+mET
Note : can also use Mtot, Ptot..
● Discriminating power : WQQ, W+jets : HT lower than top events
ttbar events : HT higher than single-top
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Discriminant Variable : Mlvb
Determination of M(lDetermination of M(lb)b)● (1) Determination of pl()
Interpret missing ET as pT()
Compute pl() using the W-mass constraint
pl() solutions : 2-fold ambiguity
no solution : MWT > MW use real part for pl()
● (2) Detemination of M(lb)Take pL() and b-jet giving the highest pT(top)
F. Chevallier (LPSC) 20
High pT jets and N(jet)
Jet DefinitionJet Definition● Characteristics
- ParticleJetContainer- Cone R = 0.7- Acceptance : |η| < 5.0
- Momentum : pT(jet) ≥ 25 GeV/c
● FullSim vs AtlFast:Atlfast shows softer spectra (Cone 0.4)
● Discriminating powerTop events have harder spectra than W+n(jet), QCD…Third Jet Veto against ttbar as f(pT)
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High pT jets and N(jet)
Jet DefinitionJet Definition● Characteristics
- ParticleJetContainer- Cone R = 0.7- Acceptance : |η| < 5.0
- Momentum : pT(jet) ≥ 20 GeV/c
● FullSim vs AtlFast:Atlfast shows softer spectra (Cone 0.4)
● Discriminating powerTop events have harder spectra than W+n(jet), QCD…Third Jet Veto against ttbar as f(pT)
ATLFAST
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High pT jets and N(jet)
Jet DefinitionJet Definition● Characteristics
- ParticleJetContainer
- Cone ∆R = 0.7- Acceptance : |η| < 5.0
- Momentum : pT(jet) ≥ 15 GeV/c
● Number of jets :N(jet) = 2 used for s-channel, t-channelN(jet) ≤ 3 reduce ttbar Reasonable agreement with AtlFast (Cone 0.4…)
Cone 0.4Cone 0.7
ATLFAST
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High pT b-tagged jet : pT
CharacteristicsCharacteristics● Jet b-tagging
Jet Cone ∆R= 0.7
|ηb-jet | ≤ 2.5
Likelihood L > 0.9
pT > 30 GeV/c
● Discriminating power :N(b-tag) = 1 exactly for W+t analysis
N(b-tag) = 2 exactly for W* analysis FullSim vs Atlfast :
● FullSim vs Atlfast : Consistent results (cone 0.7 in FullSim…)
F. Chevallier (LPSC) 24
High pT b-tagged jet : N(b-jet)
CharacteristicsCharacteristics● Jet b-tagging :
Jet Cone ∆R= 0.7 |ηb-jet | ≤ 2.5
Likelihood L > 0.9pT > 30 GeV/c
● Discriminating power :N(b-tag) = 1 exactly for W+t analysis N(b-tag) = 2 exactly for W* analysis
● FullSim vs Atlfast :Consistent results (cone 0.7 in FullSim, cone 0.4 AtlF.)
ATLFAST
F. Chevallier (LPSC) 25
High pT b-tagged jet : efficiency
DefinitionDefinition● Jet b-tagging :
Jet Cone ∆R= 0.7 |ηb-jet | ≤ 2.5
Likelihood L > 0.9pT > 30 GeV/c
● Discriminating power :N(b-tag) = 1 exactly for W+t analysis N(b-tag) = 2 exactly for W* analysis
● FullSim vs Atlfast :Consistent results (cone 0.7 in FullSim, cone 0.4 AtlF.)
M. Cobal, M.P. Giordani, S. Rolli, C. Roda
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Discriminant Variable : HT
CharacteristicsCharacteristics● Sum of all objects ET in the event
HT= ΣpT(jet)+pT(l)+mET or PT= ΣpT(jet)
Note : can also use Mtot, Ptot..
● Discriminating power : WQQ, W+jets : HT lower than top events
ttbar events : HT higher than single-top
● FullSim vs AtlFast :Reasonable agreement for all samples
(smaller dependence in cone algorithms)
ATLFAST
F. Chevallier (LPSC) 27
Single Top cross-section : Influence of NLO/LO corrections
Signal and Background Signal and Background ● Computation @ NLO available for W* and W-g :
Affect pT(jet) distribution, HT etc…
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S-channel : 3rd jet Veto
Sequential analysisSequential analysis● Selection criteria
Number of jets : N(jet) = 2Presence of two high pT jets
Presence of two central, high-pT b-tagged jets
Wg usually have 1 b-jet escaping the acceptance
Reconstruct Mlvb within mtop ± 25 GeV/c2
Window in HT
F. Chevallier (LPSC) 29
S-channel : future improvements
Improved AnalysesImproved Analyses● Classify the analyses
According to Nb of b-tagged jets
● Use of more refined techniquesLikelihoods defined against ttbar and WQQ
Lttb and LWQQ (“a la DØ”)
Neural Net
● Discriminant VariablesEvent global shapes are usefulAngular correlations (lepton-b, b-b ..)Total Invariant mass, energy sum etc…In all cases N(jet) appears to be a “relevant” parameter
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S-channel : systematics
SystematicsSystematics● Experimental systematics
Main sources that degrades the expected precision by Input Top mass Uncertainty by ~ 12%b-tagging efficiency & mistag rates by ~ 10%(b)-jet Energy scale : ~ 20% (pT, HT, mt cuts)
Absolute σ(W*) : luminosity ∆L/L ~ ±5%
● Theoretical uncertaintiesAffects pT distributions (hence PT,HT,mt, …)
Affects cross-sections : (∆σ/σ)ttb = 12% (NLO) (∆σ/σ)Wg= 3.5% (NLO)
(∆σ/σ)WQQ = 30% ? (∆σ/σ)Wjets = 50% ?
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Lepton and missing ET
Lepton DefinitionLepton Definition● Characteristics
- Reconstruction : ElectronCollection- Highest electron : pT ≥ 20 GeV/c
- Acceptance : |η| < 2.5 Matched with Truth electron
Missing EMissing ET T DefinitionDefinition● Characteristics
- MissingEtContainer = “MET_Final”- mET ≥ 20 GeV/c