B-tagging e top

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Verso il top: B-tagging

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Sapori pesanti

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Sapori pesanti• Finora abbiamo parlato di partoni in generale (g, q)• ma ci sono sostanziali differenti tra i quark piu’ leggeri (u,d,s) e quelli piu’ pesanti(c,b,t)

• top e’ molto piu’ pesante degli altri: ha moltissima energia per decadere subito (vita media 10-24s, t->W+b)• b e c devono essere molto virtuali q2<<m2 per essere contenuti nel protone ==> pdf conosciuta molto meno bene che u/d/s

• loro produzione meno ben predetta teoricamente

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Vita media quark b• Un’altra caratteristica dei quark b e’ inoltre importante: la sua

lunga vita media

• Dato che mb<<mt, la vita media e’ molto piu’ lunga anche se il decadimento e’ debole in entrambi i casi

• Inoltre, specialmente nel caso di decadimento t->Wb, il b ha un grosso boost di Lorentz

• nel sistema del LAB: l’adrone B che contiene il quark b viaggia molto

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A Tevatron

• γ= E/m. E~50-100 GeV, m=4.5 GeV=>γ~10-20

• β=|p|/E ~ 1 (trascurando m)

• c=3 10-4 m/ps

• τ=1.5 ps

• L=βγcτ = 4.5 10-4 10-20 m = 450 μm * 10-20 ~ 5-10 mm

Moderni rivelatori di vertice da tracce hanno risoluzioni spaziali di

~10-20 μmSi puo’ sfruttare L per identificare

se in un jet c’e’ un b!

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Parametro d’impatto• Misuriamo le tracce dei prodotti di decadimento del b da vertice di decadim. B•Sperimentalmente conviene definire il parametro d’impatto d0 (proiezione di L su piano trasverso a direzione traccia i, passante per PV)

• d0 e’ per particella/traccia• per piccoli angoli indipendente da βγ (boost), ma solo legato a vita media del b (vedi dimostrazione slide in back-up)

α

vertice decadimento (B)

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Misura e risoluzione d0

•Tipicamente il tracciamento si fa con rivelatori a silicio (semi-conduttori) o pixel• Migliore risoluzione spaziale, segmentazione (numero di elementi/unita’ di superficie) maggiore

Tipico andamento dovuto al fatto che, a bassa energia, una particella cambia direzione urtando contro il rivelatore

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Identificazione di b-jets

• Quindi un jet che contiene un quark b che decade e’ identificabile in 2 modi principali:

• si misura d0 di tutte le tracce in un jet e si combina in modo da assegnare una probabilita’ che vengano da un b

• tracce che vengono da interazioni nucleari col rivelatore (niente a che vedere con un b) mostreranno un grande d0 --> falsi positivi

• si cerca esplicitamente di ricostruire il vertice di decadimento del B cercando l’intersezione delle tracce nel jet con un algoritmo

• piu’ complicato->minore efficienza; ma anche piu’ puro data l’esplicita richiesta spaziale

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algoritmo complicatousa anche lui d0 internamente

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Prestazioni • Efficienza=probabilita’ di identificare un jet come “da b” se

c’e’ un b dentro

• Mistag rate=probabilita’ di chiamare “b” un jet da gluone o quark leggero (u d, s, c)

• illustrativo per mostrarvi valori “tipici” (50-70% eff, qualche % mistag rate)• Campioni di calibrazione ad hoc per misurare prestazioni su dati veri• poi confrontati con simulazione

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• Efficienza=probabilita’ di identificare un jet come “da b” se c’e’ un b dentro

regione a piccolo boost

regione a piccolo angolo (tracce allineate con congiungente PV-SV)

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Cercare un leptone di bassa energia da decadimento b

quindi vicino ad un jet!• efficienza bassa (rapporto di decadimento b in leptoni)• purezza ~10 x algo che cerca SV

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Quark Top

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• 6. quark, scoperto nel 1995 a Tevatron• ma postulato dalla scoperta del quark b (fine anni 70, sempre a Tevatron)

• Puzzle: massa 40 volte maggiore del b -- non scala come gli altri quark• Vita media: 5 10-25 s

• al contrario degli altri, non ha tempo di adronizzare (τHAD~ 3 10-24 s)

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Produzione in coppia a Tevatron

~85% of total xsec(10% at LHC pp)

~15% of total xsec(90% at LHC pp)

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ttbarTevatron (ppbar) ~ 7-8 pb

LHC(7 TeV, pp) ~ 163 pbLHC(8 TeV, pp) ~ 232 pbLHC (13 TeV, pp) ~ 742

pb

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Decadimento

3 colori per i quark (W->ud,cs)

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Segnature sperimentali

l+jets dileptonico20

l+jets dileptonico

• almeno 4 jets• di cui 2 con b quarks

• Energia mancante da ν• 1 leptone di alta energia e isolato --> trigger

• almeno 2 jets• entrambi con b quarks

• Molta energia mancante da ν• 2 leptoni di alta energia e isolati --> trigger

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Domanda • Quale e’ il fondo preponderante per il caso

con 2 leptoni?

• E per quello con 1 leptone?

• A VOI LA RISPOSTA!

• suggerimento: hanno a che fare con oggetti elettro-deboli che rinculano contro jet (da quark leggeri)

• Modo migliore per rigettarli: b-tagging

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Articolo di scoperta

http://journals.aps.org/prl/issues/74/14

(accesso gratuito da dentro la rete internet Roma3)

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Sommario x-sec (Tevatron)

=1.96 TeVs cross section (pb) at t tA pp

CDF dilepton -18.8 fb 0.83± 7.09 0.67± 0.49 ±

CDF ANN lepton+jets -14.6 fb 0.56± 7.82 0.41± 0.38 ±

CDF SVX lepton+jets -14.6 fb 0.71± 7.32 0.61± 0.36 ±

CDF all-jets -12.9 fb 1.28± 7.21 1.18± 0.50 ±

CDF combined 0.50± 7.63 0.39± 0.31 ±

DØ dilepton -15.4 fb 0.85± 7.36

DØ lepton+jets -15.3 fb 0.74± 7.90

DØ combined 0.59± 7.56 0.56± 0.20 ±

Tevatron combined = 172.5 GeVtm

0.41± 7.60 0.36± 0.20 ±

=1.96 TeVs cross section (pb) at t tA pp6 7 8 9

Tevatron Run II

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Sommario x-sec (LHC)

[TeV]s2 4 6 8 10 12 14

cro

ss s

ectio

n [p

b]t

Inclu

sive

t

10

210

310 WGtopLHC

ATLAS+CMS Preliminary Mar 2016)-1Tevatron combined 1.96 TeV (L = 8.8 fb)-1 7 TeV (L = 4.6 fbµATLAS e

)-1 7 TeV (L = 5 fbµCMS e)-1 8 TeV (L = 20.3 fbµATLAS e

)-1 8 TeV (L = 19.7 fbµCMS e)-1 8 TeV (L = 5.3-20.3 fbµLHC combined e

)-1 13 TeV (L = 3.2 fbµATLAS e)-1 13 TeV (L = 43 pbµCMS e

)-1 13 TeV (L = 85 pbµµATLAS ee/)-1ATLAS l+jets 13 TeV (L = 85 pb

)-1CMS l+jets 13 TeV (L = 42 pb

WGtopLHC

NNLO+NNLL (pp))pNNLO+NNLL (p

Czakon, Fiedler, Mitov, PRL 110 (2013) 252004 uncertainties according to PDF4LHCSα ⊕ = 172.5 GeV, PDF topm

[TeV]s13

600

800

1000

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Massa

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Back-up

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Dimostrazione

Particle Physics Experiments at High Energy Colliders

 Di John Hauptman

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