B-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Incontri sulla Fisica delle Alte Energie Pavia – 20 Aprile...

b-tagging per la ricerca b-tagging per la ricerca di Higgs a LHCdi Higgs a LHC

Incontri sulla Fisica delle Alte Energie

Pavia – 20 Aprile 2006

Andrea Bocci

Scuola Normale Superiore e INFN, Pisa

20 Aprile 2006IFAE 2006, Pavia

b-tagging per la ricerca di Higgs a LHCb-tagging per la ricerca di Higgs a LHCAndrea BocciAndrea Bocci

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SommarioSommario- b-tagging per la ricerca del bosone di Higgs

- Caratteristiche degli adroni con quark b e algoritmi di b-tagging Vita media Vertici secondari Leptoni “soffici”

- Simulazioni Monte Carlo e risultati Performance

• ATLAS: ultime pubblicazioni risalgono al 2003• CMS: analisi recenti (Physics TDR, vol. 1 e 2)

Allineamento



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Decadimenti del bosone di Decadimenti del bosone di HiggsHiggs

Escluso dalla ricerca diretta a LEP-2 mH > 114.4 GeV/c2

Fit elettrodebole (95% CL. asimmetrico) mH < 186 GeV/c2

Limiti teorici (Λ ~ 1019 GeV) 130 < mH < 180 GeV/c2



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Caratteristiche degli adroni BCaratteristiche degli adroni B- Vita media lunga

= 1.6 ± 0.1 ps, c = 0.47 ± 0.03 mm p = 20 GeV/c L = 1.8 mm Parametro di impattoParametro di impatto Decadimenti con vertice secondariovertice secondario

- Alta molteplicità di tracce cariche <nch> = 4.95 ± 0.06 5 tracce cariche per decadimento

- Frazioni di decadimento semileptonici 19.3 ± 0.5 % (e, ) Soft lepton b-taggingSoft lepton b-tagging

- Decadimento di particelle massive Alto impulso trasversoimpulso trasverso dei prodotti di decadimento



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Vita media: parametro di Vita media: parametro di impattoimpatto

- Distanza tra la traccia carica estrapolataestrapolata e il vertice primario 2D (piano trasverso, rφ) 2D + 1D (rφ + z, ATLASATLAS) 3D (distanza euclidea, CMSCMS)

parametro di impatto

Jet da B

vertice primario

vertice secondario

(1)(1)

(2)(2)’(2)’

(1)’(1)’

asse del jet

- Origine della traccia: punto di minor distanza tra la traccia e l’asse del jet a valle del vertice primario: IP positivoIP positivo (1)(1) a monte del vertice primario: IP negativoIP negativo (2)(2)



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Parametro di impatto (CMS)Parametro di impatto (CMS)- Significatività del Paramero

di Impatto SSIPIP = IP / σ = IP / σIPIP

jet da adroni bb

jet da adroni cc

jet da adroni leggeri (uu, dd, ss) e gluoni

- Le tracce in jet da bb mostrano una marcata asimmetria per parametri di impatto positivi

- Nei jet leggeri la distribuzione è quasi simmetrica

- Code non gaussiane dovute a interazione con il materiale

SSIPIP

Frazi

one d

ei Je

tFr

azi

one d

ei Je

t

bb

cc

u, d, su, d, s

3D SIP

flavour enriched QCD events



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Vita media e numero di tracceVita media e numero di tracce

- Significatività del parametro di impatto 3DSignificatività del parametro di impatto 3D per le prime tracce, in ordine di significatività.

- Nei jet non da b, è improbabile trovare più di una traccia con parametro di impatto grande e positivo

- DiscriminanteDiscriminante: la significatività del parametro di impatto della 2° o 3° traccia

Frazi

one d

ei Je

tFr

azi

one d

ei Je

t

1° traccia1° traccia 3° traccia3° traccia2° traccia2° traccia

aggiotaggio peraggiotaggio per



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Vita media e probabilità (CMS)Vita media e probabilità (CMS)- IpotesiIpotesi: per tracce dal vertice primario, la distribuzione del

parametro di impatto è simmetrica rispetto a 0

- Parte negativanegativa della distribuzione (misurabile dai dati) definisce una densità di probabilità per ciascuna traccia di

venire dal vertice primario

- Le probabilità di tutte le tracce del jet vengono combinate per dare la likelyhood che il jet abbia origine da un adrone B

bb

ccu, d, su, d, s

bb

ccu, d, su, d, s

Ptr Ljet



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Vita media e probabilità Vita media e probabilità (ATLAS)(ATLAS)- Le distribuzionidistribuzioni del parametro d’impatto per jet da bb e da

quark leggeriquark leggeri vengono utilizzate per assegnare a ciascuna traccia un peso per l’appartenenza ad un jet da b wtr = Pb(track) / Pu(track)

- I pesi di tutte le tracce del jet vengono combinati per dare la likelyhood che il jet abbia origine da un adrone B

LjetSSIPIP

Frazi

one d

ei Je

tFr

azi

one d

ei Je

t

uu

2D SIP

bb

uu

bb



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Vita media: vertici secondariVita media: vertici secondari- L’identificazione di un vertice secondario all’interno di un jet è

un’ottima indicazione dell’origine del jet da un adrone B Reiezione di vertici dovuti al decadimento di adroni neutri (V0)

- ATLAS Informazioni extra da combinare alla Likelyhood del jet:

Massa invarianteMassa invariante delle particelle provenienti dal vertice secondario Frazione di energiaFrazione di energia associata alle particelle provenienti dal v. secondario NumeroNumero di vertici secondari (2 tracce) associati al jet

- CMS Algoritmo di b-tagging indipendente

SSIPIP2D2D di tutte le tracce

Massa invarianteMassa invariante e frazione di energiafrazione di energia delle particelle del S.V. MolteplicitàMolteplicità delle tracce associate al S.V. Significatività della distanzadistanza tra vertice primario e secondario SSIPIP

2D2D della traccia che spinge la massa invariante oltre 1.5 GeV/coltre 1.5 GeV/c22

RapiditàRapidità rispetto all’asse del jet Likelyhood per diversi tipi di S.V. e flavour del jet



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Decadimenti semileptoniciDecadimenti semileptonici Adroni con quark b:

decadimento diretto Br = (10.7 ± Br = (10.7 ± 0.2) %0.2) %

b → W-* q, W-* → ℓ-ℓ

decadimento a cascata Br = (8.0 ± Br = (8.0 ± 0.2) %0.2) %

b → W-* c, c → ℓ+ℓX

decadimento a cascata con “segno sbagliato” Br = (1.6 ± Br = (1.6 ± 0.4) %0.4) %

b → W-* q, W-* → cq → ℓ-ℓX

i decadimenti diretto e con “segno sbagliato” sono mutuamente esclusivi

assumendo che il decadimento a cascata sia statisticamente indipendente

Br(b→ℓBr(b→ℓ±±X) = (19.3 ± 0.5) %X) = (19.3 ± 0.5) %

Adroni con quark c: decadimento diretto Br = (9.7 ± Br = (9.7 ±

0.3) %0.3) %c → W+* q,

W+* → ℓ+ℓ

Adroni leggeri (u, d, s): decadono in mesoni leggeri (π, Κ)



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b-tagging con leptonib-tagging con leptoni- L’identificazione di un leptone all’interno di un jet è un buon

indice dell’origine del jet da un adrone B

- Branching Ratio per famiglia leptonica: 19%19% Bassa efficienza intrinseca Efficienza di identificazione dei leptoni con basso impulso

- Utile per Alta purezza / reiezione di jet non da quark b Indipendente dalla vita del quark b

- Miglior reiezione utilizzando variabili cinematiche del leptone: Parametro di impatto Impulso trasverso, rispetto all’asse del jet Rapporto p/E lungo la direzione del jet (rapidità) Distanza pseudoangolare (piano ηφ) dall’asse del jet



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PerformancePerformance

cc

u, d, su, d, s

gg

u, d, su, d, s u, d, su, d, s

u, d, su, d, su, d, su, d, s

gg gg

gg

gg

cccc

cc cc

Track countingTrack counting Jet probabilityJet probability Secondary vertexSecondary vertex

Soft muonSoft muon Soft electronSoft electron

●

●

●●

Plots: CMSQCD jetsFull simulation

• : ATLAS

eventi WH (b, u)ATLFAST jets



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Performance (ii)Performance (ii)

- Probabilità di mis-identificaione per un’efficienza di b-tagging di 0.50.5 al variare di Impulso trasversoImpulso trasverso del jet (partone iniziale) PseudorapiditàPseudorapidità

QCD, Secondary vertexQCD, Secondary vertex QCD, Secondary vertexQCD, Secondary vertex

cc

u, d, su, d, s

gg

cc

u, d, su, d, s

gg



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Performance – tt, ttHPerformance – tt, ttH

- CMS: vertice secondario, eventi tt, full simulation● ATLAS, 3D, realistico (jet da quark u)

- ATLAS: probabilità con I.P. 2D, rivelatore ideale No pile up, inefficienze, vertice MC, jet isolati

cc u, d, su, d, s cc u, d, su, d, s●

●

tt, Secondary vertextt, Secondary vertex

tt + ttH, 2Dtt + ttH, 2D



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AllineamentoAllineamento

- Eventi tt / ttH, rivelatore realistico

- CMS: ideale, 10 fb-1 (1 μm strip + 10 μm pixel), 1 fb-1 (10 μm)

pixel disallineati (30 μm)

- ATLAS: 3D I.P., con 0 / 5 / 20 μm (rφ), 0 / 10 / 60 μm (z)

cc u, d, su, d, s●

●

tt, Secondary vertextt, Secondary vertex tt, Secondary vertextt, Secondary vertex

●●

●●



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ConclusioniConclusioni- Tools di b-tagging disponibile e pronti per essere utilizzati per

eventi di fisica: Topologia dei jet semplice…

• WH (ATLAS)• di-jet QCD (CMS)

…e complessa• ttH, H→bb (segnale)• ttjj… (fondo)

- Tools basati su lunga vita media lunga vita media maturimaturi Parametro di impattoParametro di impatto Vertice secondarioVertice secondario

- Soft lepton b-tagging Soft lepton b-tagging recenterecente (CMS) o meno studiato (ATLAS)

- Applicazione a diversi algoritmi di ricostruzione dei jet kTkT, …

- È indispensabile migliorare la reiezione dei jet leggeri migliorare la reiezione dei jet leggeri (u, d, s, gluoni) per abbassare il fondo di QCD !



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Slides di backupSlides di backup



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Applicazione: ttH, H→bbApplicazione: ttH, H→bb

- Eventi ttH (segnale) e ttjj (fondo)

- Efficienza di selezione in funzione del taglio: vertice secondario

- L’aggiunta delle informazioni sui leptoni permette di migliorare del 10% la purezza di selezione a parità di efficienza

- Canale di scoperta per Higgs leggero (mH < 135 GeV/c2)

- H→bb è sommerso dal fondo QCD: produzione associata a coppia tt

(definizione “fisica” del flavour del jet)(definizione “fisica” del flavour del jet)



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Soft muon b tagging: ttSoft muon b tagging: tt

- Buona indipendenza dal tipo di jet sotto esame

- Eventi di-jet artificialmenteartificialmente ricchi in gluon splittinggluon splitting

flavour enriched di-jetflavour enriched di-jet tt + QCDtt + QCD



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Soft muon b-tagging: no IPSoft muon b-tagging: no IP

- Il b-tagging con leptoni può essere utilizzato in assenza delle in assenza delle informazioni sulla vita media del binformazioni sulla vita media del b (parametro di impatto) indipendenteindipendente da altri algoritmi di b-tag utile per la prima presa dati a CMSprima presa dati a CMS: no pixel detector

- Perdita di reiezione dell’ordine delle unità (fattore ~ 3fattore ~ 3)

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