f. chevallier (lpsc) 1 la production simple du quark top au lhc planintroduction le single top dans...

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)

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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±

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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

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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

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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

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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)

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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

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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

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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

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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.

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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)

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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) ≥ 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…)

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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

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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

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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

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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