jesús vizán, javier cuevas univ. oviedo, spain

Septiembre 2007 Jesús Vizán 1

Jesús Vizán, Javier CuevasUniv. Oviedo, SpainUniv. Oviedo, Spain.

Sección eficaz y masa del quark top en las desintegraciones dileptónicas de un par top-antitop en el experimento CMS del LHC


Importancia del Top en el LHC.Redescubrimiento del top… Commisioning 2008

o JES para bJet y jets ligeroso Eficiencia del b-tagging

Medidas de precisión … 2009 en adelanteo Medidas de presisión para tt, mt, |Vtb|

Búsquedas de nueva físicao El top es un fondo importante para muchos nuevos

procesos.


Producción de Top en el LHC.• La mayor parte de los tops en el LHC se producirán en forma de pares

top-antitop.– La Sección eficaz de producción de pares top en el LHC es ~830pb (NLO)– 90% de estos pares se producen mediante colisiones gluon-gluon.

– el 10% restante se produce mediante colisiones qq

• También hay producción de tops individuales.


Generación, Simulación y Reconstrucción de los datos (1/2).

• Generación:– LLevada a cabo con programas (externos a CMS)

como Pythia, Alpgen, Herwig, TopRex…– Generación de sucesos para física de altas energías:

produce ficheros formateados con la información de las partículas (posición y momento) producidas por las interacciones entre dos partículas (colisiones protón-protón con 14 TeV en centro de masa en este caso).

– Implementan modelos teóricos para diferentes aspectos físicos: fragmentación, funciones de distribución de los partones, radiación del estado inicial y final…


Generación, Simulación y Reconstrucción de los datos (2/2).

• Simulación:– LLevada a cabo con OSCAR (Object oriented

Simulation for CMS Analysis and Reconstruction), programa basado en Geant4.

– Simulación de los procesos físicos asociados al paso de las partículas (obtenidas en la generación) a través de los diferentes materiales que constituyen el detector.

– Resultados de la interacción de las partículas con la materia se guardan en el formato de ¨simulated hits¨.

• Reconstrucción:– LLevada a cabo con ORCA (Object oriented

Reconstruction for CMS Analysis)– Simulación de la respuesta electrónica a los ¨hits¨ en el

detector.


Clasificación de las desintegraciones de los pares top-antitop.

• El top se desintegra casi exclusivamente dando lugar a un quark b y a un bosón W.

• Los pares top-antitop se clasifican por tanto en función de los productos de desintegración del sistema W+W-

Posibles estados finales (Excluyentes):

oTotalmente Hadrónico (4/9) → 6 jets

oSemileptónico (4/9) → 4 jets + 1 leptón + 1 neutrino

oDileptónico (1/9) → 2 jets + 2 leptones + 2 neutrinos


Desintegraciones dileptónicas de un par top-antitop.

Estado final relativamente claro, compuesto por tt y algunos fondos de SM. Representa una pequeña fracción de los estados finales de un par tt (4/81)

Ventajas Desventajas2 leptones cargados 2 neutrinos-buena resolución en energía -pérdida de información-fondo menorMenos jets No W jets-menor dependencia del JES -no se puede hacer

calibración in-situ del JES

Signatura:• 2 leptones carga opuesta, alto PT.•µ+µ-, e+e- (1/81).•eµ (2/81).•Alta MET proveniente de los 2 neutrinos.•2 b-tagged jets con alta ET.


Esquema del detector CMS.Detector de píxeles (del tracker):•Gran granularidad permite identificar vértices secundarios (hadronización de un quark b)Tracker:•Gran cantidad detectores de silicio.•Medida alta resolución en momento de electrones y muones de alto PT.Ecal (Calorímetro Electromagnético):•Cristales de wolframato de plomo.•Electrones depositan casi toda su energía en agrupación de varios cristales (SuperCluster).

HCAL (Calorímetro Hadrónico):•Láminas de Cobre.•Hadrones depositan la mayor parte de su energía en este detector.

Cámaras de Muones.•Medida alta resolución muones.


Canal dileptónico en CMS.• Este canal utiliza información de todos los subdetectores

del CMS:– Muones: Cámaras de Muones + Tracker.– Electrones: Calorímetro Electromagnético + Tracker.– Jets procedentes de b-quarks:

• Calorimetría Electromagnética y Hadrónica para la reconstrucción del jet procedente del quark b.

– Jet: Obtenido a partir deposiociones energías en ambos calorímetros en un cono R fijo (En este caso 0.5, calculándose el centro del cono mediante algoritmo iterativo).

– Posteriormente se calibra la energía en función ET y η (MC; sucesos γ+jets)

• Detector de píxeles para realizar el b-tagging: debido al no despreciable tiempo de vuelo del quark b en el detector es posible determinar la probabilidad de que un jet proceda de un quark b en función de la distancia entre la posición del origen del jet (vértice secundario) y la posición de la colisión (vértice primario).

– Energía no medida (neutrinos): Balance de Energía en las dimensiones transversas usa información de todos los subdetectores.


Selección de sucesos: Leptones.

• Leptones: Esperamos tener 2 leptones con alta ET (y carga opuesta):

• Et > 20 GeV para ambos leptones.• Carga Opuesta.• |η| < 2.4 muones y |η| < 2.5 para electrones.• Criterio de aislamiento (para evitar leptones que se

producidos en la desintegración de mesones o bariones).

Para seleccionar los pares top-antitop dileptónicos, se aplican cortes en variables cinemáticas en función de la signatura del canal: PT de los leptones, ET de los Jets, MET del suceso y B-tagging.


Selección de sucesos: Muones.

Trazas

MuonT

TrazaT PP

Eficiencia criterio aislamiento muones ~80%

MuonT

R

Trazas

TrazaT PP

3.0Eficiencia de Reconstrucción para muones ~98.5%

Excelente Resolución en momento


Selección de sucesos: Electrones.• Se usa un criterio similar al de los

muones para el aislamiento• Se requieren cortes adicionales:

– E/H<0.05 (Energía asociada ECal/ Energía HCal).

– 0.8<E/P< 3 (Energía Ecal / Momento traza Tracker).

Eficiencia de Reconstrucción para electrones ~90%

E/P

GenT

GenT

cT

EEE Re


Selección de sucesos: MET

•Se requiere alta MET medida en el suceso: >40GeV.

Supone ~80% eficiencia para la señal.

•La presencia de 2 neutrinos en este canal produce una alta MET


Selección de sucesos: Jets• Se requiere que haya 2 Jets con ET > 20 Gev y |η|<2.5• Para eliminar fakes de electrones a jets se usa el siguiente

criterio:– Se acepta el jet si la energía del supercluster más cercano

al jet (R < 0.2) es menor que el 75% de la energía del jet–Fracción de los sucesos para los que ambos jets seleccionados son los originados por los quarks b es del 70%.–Jet.

–Fake de electron a Jet


Selección de sucesos: b-tagging• Se requiere que para los jets seleccionados se haya medido un

vértice secundario. Eficiencia ~20%. Alta supresión de todos los fondos (excepto resto desintegraciones tt)

• Fracción de los sucesos para los que ambos jets seleccionados son los originados por los quarks b aumenta al 95%.


Fondos Principales para el canal.•Fondos Físicos.

Dibosones (WW/WZ/ZZ) estados finales leptónicos + jets.

•Leptones Reales, MET Real, jets procedentes de radiación del estado inicial/final.•Se espera medir estos fondos usando simulación de MC.

•Fondos Instrumentales.Falsos leptones.

•W + jets; QCD con un jet mal identificado como un leptónDrell-Yan (Z/γ* → l+l-); Z + jets

•MET falsa obtenida de leptones o jets mal medidos.

•Sección eficaz enorme.•Se espera estimar estos fondos a partir de los datos.


Resumen de la selección y sistemáticos.

•Selección.Tras la selección completa se obtiene ~5% eficiencia para la señal y contaminación de fondo <10%.El fondo más importante se ha estimado como el producido por sucesos Z + jets.•Sistemáticos:Diferentes causas afectan a la selección de señal y fondo y en consecuencia a la medida de la sección eficaz.ISR, FSR, función de distribución de los partones, framentación.

oEstudiadas mediante nuevas muestras obtenidas modificando parámetros teóricos en la fase de generación (simulación rápida del detector)

JES (para jets provenientes de quarks pesados)oEstudiada modificando los valores medidos de PT

jet:PT

jet =(1±)Ptjet lineal de [20,50GeV]→[10%,3%]


Medida de la masa del quark top (1/4)

• Los métodos de medida de la masa del top se basan en reconstruir una cantidad observable sensible a MTop.

• En este caso se parte de la medida de los momentos de los leptones y de los jets (tras aplicar la calibración).

• Suponiendo conocida la masa del W y del propio top y haciendo el balance de energía en las dimensiones transversas a la colisión se puede reconstruir la cinemática de los 2 neutrinos,



• Comparando ciertas variables cinemáticas asociadas a los neutrinos reconstruidos con los espectros predichos en el SM se puede asignar un peso a la solución obtenida.

• Para cada suceso se puede resolver el sistema de ecuaciones haciendo un barrido en Mtop. Pudiéndose asignar al suceso el valor de Mtop del barrido que proporciona un mayor peso.

• La variable obtenida de esta manera tiene una gran sensibilidad a Mtop.


Medida de la masa del quark top(4/4)•Observable obtenido

usando MTop = 175 GeV en la obtencion de las predicciones del SM para las variables cinemáticas empleadas para pesar las soluciones.

Sistemático mt(GeV)

ISR FSR 0.3

Anchura nula Mw, Mt 0.1

JES (1fb-1) 4.2

JES (1-10fb-1) 2.9

JES (10fb-1) 1


Conclusiones.• Selección sucesos y sección eficaz.

– Para los sucesos tt dileptónicos es posible posible seleccionar los sucesos con una eficiencia del 5% y una contaminación de sucesos de fondo de menos del 10%, para una luminosidad integrada ~10fb-1.

– En esas mismas condiciones la medida de la sección eficaz estaría dominada por los sistemáticos. Obteniéndose /=11%(sist)+0.9%(estad)+3%(lumi)

• Método medida Mtop.– La mayor fuente de errores proviene de la JES.– Tras 10fb-1 (calibracíones Z+jet y γ+jet) sería posible

estimar Mtop con un error ~1 GeV. La mejor medida posible junto con la del canal semileptónico.

jesús vizán, javier cuevas univ. oviedo, spain

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