10/6/2003 b e tau

Identificazione di b e

Tommaso BoccaliSNS Pisa

Fabrizio ParodiINFN Genova

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Outline

I rivelatori di tracciamento di ATLAS e CMS

Performance Tracciamento Vertici Identificazione di particelle coi tracker

Tool di selezione B-tagging (online/offline) Tau-tagging (online/offline)

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Rivelatori di tracciamento

Disegno concettualmente simile: A cipolla, con tre sistemi “diversi”

con precisione degradante con la distanza dall’interaction point

Campo magnetico: ATLAS 2 T, CMS 4 T

PixelSilicon -strips ad alta risoluzioneSilicon -strips o Trd a risoluzione

minore

m2

Com

ple

ssit

à c

ost

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zion

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on

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i h

it 3

d

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PixelATLAS CMS

Layers 3b+5d 3b+2d

Dimensioni 2.87 m2 1.06 m2

Raggio interno 50.5 mm 40.3 mm

Rivelatori 2146 14192

Dimesioni pixel (50*300÷400)m2 (150m*150)m2

Canali di acquisizione

108 4x107

Occupancy (alta

luminosità)

10-4 10-4

Lettura Pulse height(nuovo!)

8 bit

Risoluzione 12 m (r)70 m (z)

10 m (r)10 m (z)

Numeri ancora con readout a

soglia

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Silicon -strips (ID)ATLAS

SCTCMS

TIB & TID

Layers barrel 4 (4 stereo) 4 (2 stereo)

Layers endcap 4 (4 stereo) 3 (2 stereo)

Dimensioni 61 m2 ~100 m2

Rivelatori 4088 3540

Pitch (medio) 80m barrel63÷85m endcap

80,120m barrel120m endcap

Canali di acquisizione

6.3x106 2x106

Occupancy (alta luminosità)

6x10-3 10-2

Lettura Digitale a soglia 8 bit

Risoluzione 22 m (r)24 m (z)

20÷30 m (r)20÷40 m (z)

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Rivelatori “esterni”ATLAS

TRTCMS

TOB & TEC

Layers barrel ~36 punti per traccia per ||<2.5

4 (2 stereo)

Layers endcap 3 (2 stereo)

Rivelatori 370000 11608

Pitch (medio) 2 cm 120m (1 e 2)180m (3 e 4)

Canali di acquisizione

370000 ~7x106

Occupancy (alta luminosità)

15÷40% 10-2

Lettura 2 soglie (ion e TR)ToT

8 bit

Risoluzione 200 m (r) 30÷45 m (r)30÷50 m (z)

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“Staging”

Quanto realisticamente è possibile avere nel 2007?

CMS: Un cilindro e un disco dei pixel in meno a bassa

luminosità; studi fatti (vedi dopo), ma l’ipotesi sembra scongiurata

ATLAS: A partire dalla configurazione di disegno dei pixel e

del SCT (3+4 barrel), sono stati studiati 2+4 più critico per la fisica 3+3

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Performance

Punti per traccia carica Risoluzione Se disponibile, importanti

per particle-id

3d

2d

Info

rmazi

on

e s

u

pu

lse h

eig

ht

o T

oT

Inefficienza di readout +

geometrica (poca)

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Materiale

Purtroppo la scelta all-silicon di CMS ha contribuito ad un aumento sostanziale del materiale presente prima dei calorimetri

Non è un problema del silicio, ma del cooling, dell’elettronica, dei cavi…

0t

d

dM

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Tracciamento Efficienza:

Tracciamento in condizioni ideali (singoli muoni) completamente efficiente

Per pioni + pile up a alta luminosità efficienze comunque maggiori del 90%

Per tracce all’interno di jet efficienza comunque maggiore dell’80% e numero di tracce ghost contenuto al di sotto del percento

Pile-up non importante per l’efficienza, solo per i tempi del tracciamento

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Risoluzioni del tracciatore

=1 PT=20 GeV

CMS (PT)~1.5%

ATLAS (PT)~2%

=1 PT=20 GeV PT=20 GeV

CMS (z0)~40m

(d0)~20m

ATLAS

(z0)~95m

(d0)~15m

ATLAS pixel size minore in r

CMS minore in z

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Abbiamo bisogno di tanto? No! Il disegni dei tracker sono altamente ridondanti,

possiamo risparmiare tempo ATLAS: tracking a LVL2, con algoritmi più veloci e usando solo i

pixel. Performance di b-tagging degradate rispetto a offline, ma non biasate; essendo a LVL2 (e non a HLT) permette di abbassare la soglia di LVL1

CMS usa gli stessi algoritmi offline, ma limita il tracking a pochi hit (7)

Supponendo allineamento

perfetto!!!(errore residuo <<

risoluzioni)

Effetto sul b-tagging

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Vertici

1. Trovare il vertice primario Rende il pile-up meno

importante Importante per es. in H Efficienza del primario

~95% (~indipendente dal canale)

2-jet

H (40m)

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Particle id dE/dx

CMS: disponibili ~15 letture a 8 bit per traccia

Separazione p-K meno di una Separazione p-e meno di due

ATLAS: pixel danno solo 4 hit, ma TRT dà in media 36 letture di ToT; in più la doppia soglia degli hit nella TRT permette una certa discriminazione

Elettroni da TR ATLAS: TRT dà

~ 36 letture

ATLAS

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Come selezionare b e t?

Selezione inclusiva di jet da b e Caratteristiche salienti

b: Vita media ~ 1.2 ps; c ~ 470 m Alta molteplicità carica nei decadimenti Decadono spesso in leptoni con pT grosso Massa elevata degli adroni

Tau: Jet molto collimati 1, 3 tracce cariche cluster calorimetrico associato Vita media 0.3 ps; c ~ 90 m Presenza di 0

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b-tagging (tool) Parametro d’impatto -

Abbastanza semplice da essere utilizzato a livello trigger; può essere 3d o nel piano trasversoNumero di tracce Likelihood ratio

Selezione unbiased, ottima per HLT

Dipende criticamente dal segnale e dal fondo, poco usabile a HLT

Almeno 2 tracce con Calcolare la distribuzione di probabilità di S per segnale e fondo, e costruire un estimatore

thresholdIPσ

IPS

iu

ib

Sf

SfW

ATLAS usa come test segnale da H(100

GeV)bb;i risultati possono

dipendere fortemente dal canale.

CMS usa jet da QCD

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b-tagging online (time limited!)

Confronto a livello di trigger: per b=50%, reiezione•ATLAS ~20•CMS a 100 GeV ~30÷100 ()•CMS a 50 GeV ~50 offline~online

online peggio di offline (tracking differente, siamo solo a LVL2); a livello HLT,

dovrebbe agevolmente recuperare il gap on/off

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Non male!

Dal punto di vista di potere di separazione, la situazione è già molto buona

Ricordarsi che qui siamo online!

CMS

Miglior curva di selezione

di ALEPHATLAS

Molto bello, ma la sistematica?

Include:

•Pile-up a bassa lumi

•Allieneamento perfetto

•Inefficienze di read-out nei pixel

•Ultime stime di Material budget

50GeV

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b-tagging offline

Usare il tracciamento ideale Il parametro d’impatto rimane

l’osservabile più discriminante, ma possiamo utilizzarlo meglio

Likelihood ratio o approccio probabilistico

Soft lepton tag Vertexing

Probabilità che le tracce del jet siano compatibili

con venire dal primario (e quindi con parametro

d’impatto ~0)

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Lepton tag - e

Usa i decadimenti blX o bclX (~20% per b quark)

Problemi Materiale nel tracker Efficienza inerentemente bassa, limitata superiormente dal BR

Il BR…

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Performance

Mettendo tutto insieme dove si può pensare di arrivare?

In particolare, per alcuni canali (susy, top) si vuole un fattore di reiezione sugli u ~O(1000)

Reiezione per b=50%

Benchmark quotati

ATLAS: b% con reiezione

300÷400

CMS:100÷1000 ()

H(100GeV)bb

H(400GeV)bb

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Come confrontare?

Atlas: H(100-400GeV)bb CMS: posso confrontare

con jet di pT~50 GeV

H(100GeV)bb

H(400GeV)bb

ATLAS: reiezione 400 a 100 GeV

CMS: reiezione 200÷1000 ()

Risultati a 200 GeV non disponibili per

CMS

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Non male! - offline

Riguardiamo LEP per le performance offline (LEP è per definizione offline) – jet da 50 GeV e H(100 GeV)bb

CMS

Curva di selezione di

ALEPH

ATLAS

Molto bello, ma la sistematica?

Include:

•Pile-up a bassa lumi

•Allineamento perfetto

•Inefficienze di read-out nei pixel

•Ultime stime di Material budget

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Sistematiche?

Detector Allineamento: può essere davvero critico. In questi

studi, si assume il disallineamento residuo molto minore della risoluzione. Per i pixel, vuol dire allineare a 1m!A questi livelli un detector non può nemmeno essere considerato un corpo rigido.ATLAS e CMS hanno proof of concept con allineamento tramite tracce, ma nulla di definitivo è stato provato.

Conoscere davvero bene material budget e campo magnetico

Fisica Grosse assunzioni sui rate QCD e sul minimum bias

(meno critico)

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E i charm?

ATLAS: La reiezione non

supera 10÷12 per b=50%

CMS: Anche meno. Per

un’efficienza sui b del 50%, l’efficienza sui c è poco meno del 10%

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Cosa manca?

Avere molta fede nelle sistematiche … Mass tag, dovrebbe permettere una

buona reiezione dei charm Voglio far notare un’ultima volta come il

confronto non sia in realtà esatto CMS: inclusivo ATLAS: canale/i specifico

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Effetti dello staging

Tutto questo in situazione ideale. Come cambiano le cose con lo staging?

CMS: a parità di reiezione, 10÷20% peggio

ATLAS: studiati effetti sulla fisica e in generale. Per il b

tagging, degrado delle prestazioni del 30% se viene

tolto il secondo layer dei pixel; solo del 10% con una layer di

SCT in meno. Nel canale H(400 GeV)bb, l’ effetto si traduce in minore significatività pari a 6% e 2% (effetto trascurabile rispetto

alle sistematiche)

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Tau tagging

Tau adronico: Cluster calorimetrico associato Missing ET

Jet molto collimati 1, 3 tracce cariche Vita media 0.3 ps; c ~ 90 m Presenza di 0

Tau leptonico: BR(ee)~18% ricade nel caso precedente 1 prong BR()~17% è più o meno perso

In ogni caso, pT(leptone)~1/3 pT() e quindi non è eccezionale per taggare

Utilizzabile online /

offline

Utilizzabile offline

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Cosa è stato fatto?

ATLAS: Studi di trigger a livello 1 per canali specifici Studi offline per tools di -tagging Manca ancora il livello HLT

CMS: Livello 1 + HLT Qualcosa offline, ma ricalca abbastanza da

vicino l’HLT

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Livello 1

Identificazione calorimetrica! Jet + isolamento Non mi ci soffermo troppo…

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…

Primo jet da Lvl1 In un canale di benchmark A/H il livello 1 è efficiente più del 70%

Vari canali di trigger utilizzati; principale è comunque + Emiss

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Lvl 1 Rate

L’ efficienza di selezione è buona, ma a livello 1 bisogna più che altro combattere col rate di QCD !

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A livello 2 calorimetrico è possibile migliorare la risposta dei calorimetri utilizzando (inter-)calibrazioni e maggiore granularità

L’isolamento può essere migliorato con il tracker. Se tutto quello che serve è contare le tracce in un certo range di R intorno al jet calorimetrico, possono bastare i pixel

Se si vuole anche calcolare / utilizzare la distribuzione in pT della traccia leading del jet, serve anche il resto del tracker

Visto che la selezione di per sé non è molto interessante, canali di benchmark per 2 tau jets e per 1 tau jet sono H e H+.

Livello HLT

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Calorimetro a livello 2

Usare il calorimetro elettromagnetico Circa il 90% dell’energia del t-jet è contenuta in un

cono di “raggio” R=0.2, il 98% in R=0.4

H

Se P è piccolo, il jet è molto collimato

Perdita di eff ~ 10% a fronte di un fattore tre di reiezione prima di usare il

tracker

Pisol = 5.6 GeV

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CMS

Usare come guida la direzione del jet calorimetrico, e cercare tracce in un cono definito da R<Rm (Rm~0.1)

La traccia con pT maggiore è la leading track, e ridefinisce la direzione del candidato jet di tau

Altre tracce da decadimento n-prong del sono cercate all’interno del cono R<Rs (Rs~0.07)

Viene richiesto che nessuna traccia sia presente nel cono di isolamento Rs

<R<Ri (Ri~0.2÷0.5) Il tracciamento può essere fatto solo

con i pixel o con un tracking con pochi hit

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Online CMS: isolamento calorimetrico + pixel e/o tracker Numeri rispetto al livello 1!

H+Reiezione 30 con ~40%

Taglio in pT sull LT

A/HReiezione 1000 con ~40%

richiedendo 2

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ATLAS Diverso approccio: tagging come tool offline Misurare la curva di reiezione QCD – in modo il più

unbiased possibile: Prendere A/H, far decadere un tau leptonico su cui agisce il

trigger e poi considerare l’altro

•Rem: raggio del jet nel calorimetro e.m.

•Frazione di energia contenuta fra 0.1<R<0.2

•Tracce cariche entro R=0.3

Rem Rem QCD15<pT<30GeV70<pT<130GeV

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ATLAS

A parità di efficienza, la reiezione dipende pesantemente dal pT

del -jet

Per =50%, Reiezione QCD

20÷200

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Tau tagging offline

Ottimi risultati già raggiunti per la -selection

Cosa si può fare di più offline? Sfruttare la vita media (piccola) del Cercare di ricostruire i 0

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Parametro d’impatto per i

Somma in quadratura i parametri d’impatto dei due tau (solito canale di benchmark)

Reiezione presente, ma

selezione offline non studiata fino

in fondo

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0

In teoria si potrebbe cercare l’isolamento anche per le tracce neutre: 0!!!

Non mi risulta lo abbia fatto ancora nessuno, non è banale visto che i tracker non sono troppo trasparenti ai fotoni…

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Staging

Visto che il parametro d’impatto è non troppo usato, gli effetti sul tau tagging sono meno preoccupanti

Quello che conta dal punto di vista del tracker è semplicemente il poter ricostruire le tracce; questo è assicurato con tutte le possibili configurazioni di staging per i tracciatori

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Conclusioni

Tante cose sono ancora work in progress CMS ha puntato più sulla parte HLT ATLAS più sulla offline

Ma sta per uscire il TDR sull’ HLT!

Rivelatori di tracciamento diversi sulla carta, ma alla fine con performance paragonabili in molti aspetti Tracciatura B-tagging

Selezioni di b- e - disponibili sia a livello trigger e a livello offline, spesso molto avanzate La fisica di scoperta è “salva”

I tracciatori di CMS e ATLAS sono sulla carta i migliori tool di selezione di b e mai costruiti!