Sección eficaz y masa del quark top en las
desintegraciones dileptónicas de un par topantitop en el experimento CMS del LHC
Jesús Vizán, Javier Cuevas
Univ. Oviedo, Spain.
Septiembre 2007
Jesús Vizán
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Importancia del Top en el LHC.
Redescubrimiento del top… Commisioning 2008
o JES para bJet y jets ligeros
o Eficiencia del b-tagging
Medidas de precisión … 2009 en adelante
o Medidas de presisión para tt, mt, |Vtb|
Búsquedas de nueva física
o El top es un fondo importante para muchos nuevos
procesos.
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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.
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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 protónprotón 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…
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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.
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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
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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)
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.
Ventajas
Desventajas
2 leptones cargados
2 neutrinos
-buena resolución en energía
-pérdida de información
Menos jets
No W jets
-fondo menor
-menor dependencia del JES
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-no se puede hacer
calibración in-situ del JES
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Esquema del detector CMS.
Cámaras de Muones.
•Medida alta resolución muones.
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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.
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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.
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Selección de sucesos: Leptones.
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.
• 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).
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Selección de sucesos: Muones.

Traza
PT
 PT
Trazas
Eficiencia de Reconstrucción
para muones ~98.5%
Eficiencia criterio
aislamiento
muones ~80%
Muon
 R  0 .3

Traza
PT
 PT
Muon
Trazas
Excelente Resolución en
momento
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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%
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E/P
Re c
ET
 ET
Gen
Gen
ET
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Selección de sucesos: MET
•La presencia de 2 neutrinos en este canal produce una alta MET
•Se requiere alta MET
medida en el suceso:
>40GeV.
Supone ~80%
eficiencia para la
señal.
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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
–Jet.
es del 70%.
Septiembre
2007 a Jet
–Fake
de electron
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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%.
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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 leptón
Drell-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.
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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 PTjet:
PTjet =(1±)Ptjet
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 lineal de [20,50GeV]→[10%,3%]
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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,
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Medida de la masa del quark top
(2/4)
Septiembre 2007
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Medida de la masa del quark top
(3/4)
• 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.
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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.
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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)
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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.
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