14 October 2004

Il quark top a LHCAndrea Giammanco – SNS & INFN Pisa

Atlas

Importanza del top

proporzionale a Mt2

Mt>MW permette decadimento in W reale Questo da’ un decadimento “semidebole”,

cioe’ proporzionale a GF e non GF2.

Risultato: decay < hadr

(decay=1/(~1.5 GeV), hadr~1/QCD(~0.2 GeV))

Anche la sua fisica “standard” e’ inusuale!

t

b

W+ W+

Ma anche…

Nuove particelle (SUSY, risonanze) producono top

Unico quark ad avere massa dell’ordine della scala elettrodebole

Fondo per molta “nuova fisica” Calibrazione del detector

Sezione d’urto a LHC

NNLO-NNNLL: Kidonakis, Vogt, PRD 68 (03) 114014

tt(th)=825±150 pb

Significa 8 milioni di coppie tt all’anno (una al secondo) a bassa luminosita’: LHC e’ una top factory!

gg->tt: 87%qq->tt: 13%

Fondi principali: W/Z + jets

(~100 volte Tevatron)

Sezione d’urto a LHC

1.6 TeV resonance

Mtt

Sezioni d‘urto differenziali:

d/dpT: sensibile alle PDF

d/d: sensibile alle PDF

d/dmtt: sensibile alla produzione di particelle esotiche pesanti con decadimento X->tt

xBR necessaria per la scoperta

mtt [GeV/c2]

σxB

R [

fb]

30 fb-1

300 fb-1

1 TeV

830 fb

Selezione ttbarElettrone/muone + jets:

• eventi facili da triggerare (e,)• 2x(2/9)x(6/9)=29.6% degli eventi tt: 2.5M ev.@10 fb-1

• il top leptonico fa scattare il trigger, l’altro puo’ essere ricostruito in maniera completa (jjb); un taglio su |M(jjb)-Mt| riduce grandemente il fondo• il top leptonico puo’ essere ricostruito con ambiguita’ quadratica imponendo ET()= ET(missing) e Ml=MW.• misura della massa: tra i criteri di scelta della soluzione per il Pz del , M(lb)=M(jjb) ha il pregio di non introdurre biasSegnatura: 1l, 4j (2b), ET(miss)

Fondi principali:W+jets, Z+jets

S/B~20

Selezione ttbarDi-leptoni + b-jets:

• ancor piu’ facili da triggerare (esistono appositi trigger dileptonici oltre a quelli per singolo leptone)• (2/9)x(2/9)=4.9% degli eventi tt: 400K ev.@10 fb-1

• anche senza b-tagging, S/B~10• impossibile ricostruire i due neutrini• la misura della massa puo’ essere solo indiretta

Segnatura: 2l, 2b, ET(miss)Fondi principali:Drell Yan, WW, bb, Z->

pesare ogni soluzione in base ad altre informazioni dell’evento sfruttare la dipendenza di alcune distribuzioni da Mt

(significa fidarsi ciecamente del MC…)

S/B~50

Selezione ttbarStato finale totalmente adronico:

• (6/9)x(6/9)=44.4% degli eventi tt: 3.7M ev.@10 fb-1

• il tallone d’Achille principale e’ il trigger• i trigger multi-jet previsti in ATLAS e CMS arrivano solo a 4 jet• i fondi QCD ad alto numero di jet sono elevati e non abbastanza conosciuti (code di distribuzioni…)• la ricostruzione completa dell’evento e’ possibile• la corretta attribuzione dei jet ai top non e’ banale• la separazione segnale/QCD deve necessariamente fare molto uso di variabili di event shape

S/B~1/8-1/6

Massa del top

GeV4.3 178.0mt

Tevatron Run I, combinazione:

Massa dalla sezione d’urto

//~ 5~ 5mmtt/m/mtt

Estrarre Mt da tt?

Pro:• Errore statistico molto piccolo (Anche senza b-tag, si puo’ misurare tt con precisione <10% in pochi giorni a bassa luminosita’)• Sistematici completamente diversi rispetto alle misure dirette.

Contro:• L’incertezza sulle PDF: 10% PDF Mt 4 GeV• L’incertezza sulla luminosita’ (5%?)

j1

j2

b-jet

t

W

Massa del top (semilept.)Elettrone/muone + jets:

In questo canale, la migliore determinazione di Mt al Tevatron e’ data da un fit con tre vincoli.

• Ml=MW

• Mjj=MW

• Mlb=Mjjb

Questo metodo richiede una eccellente conoscenza di ET(miss) e della sua risoluzione. Prima che l’estrazione di ET(miss) sia affidabile, ci si puo’ limitare a usarequesta variabile (e la presenza del leptone) per il tag dell’evento, estraendo Mt=Mjjb

(Problema: calibrazione dei jet)

Atlas

Massa del top (semilept.)

segnale

fondi

Il top e’ ricostruito col b-jet che da’ PT(jjb) maggiore.

M(reco) vs M(true) M(reco) vs PT(top)

ATLAS ATLAS

(soprattutto combinazioni errate)

mt 1-2 GeV

fondi

segnale(comprese

combinazioni errate)

Massa del top (semilept.)Un raffinamento del precedente metodo richiede PT(top) molto elevato, in modo che top e antitop siano prodotti back-to-back, riducendo cosi’ sia i fondi sia la percentuale di abbinamenti scorretti, dato che i prodotti di decadimento tenderanno a occupare due emisferi distinti.

Inoltre, l’energia media maggiore dei jet ridurra’ la sensibilita’ alla calibrazione.

ATLAS

Massa del top (semilept.)Variante del precedente metodo: dato che nel campione ad alto PT(top) il boost elevato tende a dare overlap dei jet, cosa che rende difficile l’analisi standard, si ricostruisce Mt dall’energia depositata nelle celle calorimetriche in un dato cono.

Questo rende l’analisi meno sensibile alle calibrazioni dei jet e ai limiti degli algoritmi di ricostruzione dei jet (energy sharing, FSR, ecc.) riducendo l’errore sistematico.

Per evitare una dipendenza dall’apertura del cono dovuta all’Underlying Event va sottratta l’ET media delle celle fuori dal cono.

Massa del top (lept.)

Di-leptoni + b-jets: studio delle coppie lb

Mt2=MW

2+2<Mlb2>/[1-<cos lb>]

da MC

Accoppiamento l-b in base a minimo Mlb2

(corretto nell’85% dei casi)

Principali sistematici: frammentazione del b FSR, ISR

mt 3 GeV

Massa del top (lept.)

Di-leptoni: studio delle coppie e+-/e-+

mt 1.7 GeV

Massa del top (lept.)Di-leptoni + b-jets: energia dei jet

Metodo dei template applicato alla somma delle energie dei due jet di maggior ET. Vengono generate distribuzioni MC della variabile per diversi valori di Mt, alle quali confrontare la distribuzione sperimentale.

mt (stat) 0.4 GeV1% jet energy scale:

mt 1.5 GeV

Massa del top (lept.)Tri-leptoni:

Oltre ai leptoni “duri” e isolati da W->l, si cerca un leptone “soffice” e non isolato da b->lc (~10%) o b->cX->lsX (~10%).La massa invariante della coppia di leptoni dallo stesso top e’ molto sensibile a Mt.

Vantaggi: non dipende dalla identificazione e calibrazione dei jet scarsa dipendenza da PT(top)

Principali sistematici: frammentazione del b FSR, ISR

mt 1.8 GeV

Massa del top (semilept.)Leptone + J/:

1000 eventi/anno @ L=1034

Il canale J/-> e’ facile da identificare.MlJ/ dipende da Mt.

• Indipendente dalla scala dei jet• Irrealistico a bassa luminosita‘• Promettente ad alta luminosita‘• Tra i principali sistematici: frammentazione del b

mt 1 GeV

Massa del top (adr.)Decadimenti totalmente adronici:

mt 3 GeV

Tabella riassuntiva

Errore:Errore: qqbblqqbbl qqbblqqbbl(alto p(alto pTT))

bblbblll tt qqbblqqbbl(+J/(+J/))

statisticostatistico 0.100.10 0.250.25 0.90?0.90? <0.05<0.05 <1.0<1.0

light jet E scalelight jet E scale 0.200.20 1.2?1.2? -- -- --

b-jet E scaleb-jet E scale 0.600.60 0.600.60 0.600.60 -- --

ISR/FSRISR/FSR 1.5?1.5? 0.2?0.2? 1.01.0 ?? 0.30?0.30?

framm. del bframm. del b 0.250.25 0.100.10 0.700.70 -- 0.600.60

fondifondi 0.150.15 0.100.10 0.10?0.10? negl.negl. 0.200.20

PDFPDF negl.negl. negl.negl. negl.negl. 4.04.0 0.200.20

Totale <2.0? <2.0? <2.0? <4.0? <1.3?

Errori previsti per le principali analisi, per esperimento:

Nota: I sistematici sono correlati (tra le analisi, e tra ATLAS e CMS)

L’obiettivo mt < 1 GeV dovrebbe essere realistico.

Prospettive per lo SM

Aspettative di Tevatron Aspettative di LHC (mt 3 GeV) (mt 1 GeV)

Correlazioni di spin

MC senza corr. di spin MC con corr. di spin

Dato che decay< hadr, l’informazione sullo spin non e’ perduta nell’adronizzazione

Distingue tra qq->tt (A = -0.469) e gg->tt (A = +0.431 )Miglior canale:

tt -> bbll

A/A=11%(st)9%(sys) (30 fb-1)CMS:

ATLAS:

~5 σ da 0 gia’ con 10 fb-1

(ricostruzione dei top da vincoli cinematici pesando le soluzioni)

A/A=7%(st)19%(sys) (30 fb-1)

Polarizzazione del W

0Γ

1)Γ(h

0.703Γ

0)Γ(h

2.37mm

21

-1)Γ(h0)Γ(h

0.297Γ

1)Γ(h

tot

W

tot

W

2

W

t

W

W

tot

W

Lo SM predice la frazione di W da t->W

polarizzati longitudinalmente

Accettanza e smearing del detector

precisione sulla frazione di W pol. long.: 0.023 (stat) 0.022 (sys)

*:angolo tra il leptone nel SR del W e il W nel SR del top

Trasv.: cos *)2

Long.: sen2*

long.

trasv.

tot.

Singolo top elettrodeboles-channel

t-channelWt-channel

Tevatron da’ solo un limite superiore a tX

Dipende direttamente da |Vtb| Sensibile a nuova fisica: FCNC (t-ch.), nuovi bosoni di

gauge (s-ch.)… Fondo per tt e alcune ricerche di nuova fisica (H+->tb,

WH->lbb ,…)

=10 pb =247 pb =56 pb

Singolo top: strategia 1 leptone isolato 2 jet ad alto Pt (3 per il Wt-channel) almeno 1 b-jet (2 per l’s-channel) Missing Et M(lb) in una finestra attorno a M(top) Q(lept)×(light jet) per il t-channel, in

collisioni ppbar (quindi non LHC!)Il jet leggero in eventi t-ch. tende a stare nello stesso emisfero del p (anti-p) uscente quando e’ prodotto un t (anti-t).

(Trigger)

M(jj) in una finestra attorno a M(W) per il Wt-channel (jet anti-b-taggati)

L’s-channel e’ il golden channel!

|Vtb| dal singolo top

Vtb/Vtb=½=½[(S+B)½/S + th. err.]~|Vtb|2

Studiando gli eventi W Drell-Yan (tantissimi a LHC), l’errore sulle PDF per l’s-channel diminuira’ moltissimo.

4% 10%

4% 5%

5% 2%

s-channel: t-channel:

PDF

renorm. scale

Mt (±2GeV)

Wt-channel: 50% errore teorico (range di valori in letteratura)

(ATLAS err. stat.: s-ch. 5.4%, t-ch. 0.71%, Wt 2.8%)

Separazione s-ch./t-ch.

s-channel

t-channel

2 b-jet, quasi back-to-back

Jet di “rinculo”

1 b-jet di basso Pt

(solitamente fuori accettanza)

1 b-jet di alto Pt

1st jet: b from t2nd jet: j

3rd jet: b(mostly undetectable)

t-channel

CMSCMS

Pt

Polarizzazione nel canale t• Test di consistenza dello SM: i top da W devono essere polarizzati• Molti esempi di nuova fisica danno |gR|>0

(d/)/d(cos )=½(1+Acos )

A(l)=+1, A(b)=-0.40 , A()=-0.33

Nel limite ultrarelativistico, chiralita’~elicita’. Per il top non vale.

Mahlon (hep-ph/9811219): nel sistema di riferimento del top, l’asse di spin e’ sempre lungo la direzione del quark “basso”.

Nel canale t e’ approssimata dall’asse del jet di rinculo.

: angolo leptone/asse di chiralita’.

ATLAS: ±1.6% precisione sulla pol. del top @10 fb-1

Singolo top e SUSY

bg->tW±:• asimmetria in cos• nessuna dipendenza da tanbg->tH±:• nessuna asimmetria in cos• dipendenza da tan

Beccaria, Renard, Verzegnassi (hep-ph/0410089)Calcolo all’ordine NLL della produzione di singolo top in uno scenario SUSY “leggero” (350-400 GeV).

Principale osservazione: l’unico parametro SUSY rilevante e’ tan

Effetti >10% in tutti i canali e in particolare nella produzione associata (bg->tY, Y=W,H).Forte dipendenza da tan

bg->tW±

bg->tH±

Atlas

Qt = +2/3Qt = -4/3

Carica elettrica del topIn linea di principio, il TEVATRON potrebbe non aver scoperto il “vero” top quark, bensi’ uno pseudo-quark di carica 4/3.

CDF e D0 non sono ancora in grado di distinguere (W+b)(W-bbar) e (W-b)(W+bbar): non c’e’ ancora abbastanza statistica per stabilire una correlazione QW/Qb con gli usuali metodi di determinazione della carica del b (leptoni nel jet, carica del jet come somma pesata sui Pi°Pjet…).

Il fit globale elettrodebole e’ consistente con questa ipotesi (e una massa del “vero” top di ~230 GeV). D. Chang, W.F. Chang, E. Ma, Physical Review D 59 (1999) 091503

Esistono studi per l’estrazione di |Qt| da: accoppiamento: rate di eventi tt e t->bW determinazione della carica del b-jet

Possibile gia’ con 10 fb-1

Qt da singolo top, canale t La sezione d’urto a LHC non e’ piccola (250 pb, contro 825 pb per ttbar) La topologia molto caratteristica permette di selezionare campioni molto puri E’ possibile ricostruire il top senza ambiguita’ di assegnazione (un solo b nell’accettanza) L’incertezza nel segno di Q(b) si traduce direttamente in incertezza sul segno di Q(t)

i

κ

i

i

κ

ii

bjet

pj

pjqq

b b-

Studio di ATLAS: separazione b/b possibile gia’ nei primi anni di LHC

-

Decadimenti SM del top

BR(t->bX):

Si misura R(2b/1b)=BR(t->bX)/BR(qX)=|Vtb|2

CDF: R(2b/1b)=0.99±0.29 ovvero |Vtb|>0.76@95%CL

LHC: R/R~0.2%(stat) @ 10 fb-1 ovvero Vtb~1‰

BR(t->WX):

Si misura R(2l/1l)=BR(W->l)~2/9 (e,)

LHC: R/R~0.5%(stat) @ 10 fb-1

deviazioni dal 100% dovute solo a nuova fisica (t->H±X,…)

Sistematico dominante: incertezze sul b-tagging (da stimare)

Decadimenti SM del top test dei modelli di frammentazione del b: BR(t->B-X)~BR(t->B0X)~40%, BR(t->BsX)~BR(t->bX)~10%

t->sW: (1.23-1.76)x10-3

t->dW: (0.16-1.71)x10-4

t->bWZ: O(10-6)E’ vicino alla soglia cinematica (Mt~Mb+MW+MZ) per cui la sua sezione d’urto e’ molto sensibile a Mt.

ATLAS: Sensibilita’ a BR(tbWZ) ~ 10-4 @ 100 fb-1

In alcuni modelli con settore di Higgs esteso, BR(tqWZ)~10-2

Nello SM, i decadimenti FCNC del top hanno BR < 10-13-10-11

La loro osservazione sarebbe quindi prova di nuova fisica t Zq (CDF: BR<32%@95%CL) (indiretto: LEP2: BR<7%@95%CL)

SM: O(10-13), SUSY senza R-parita’: O(10-4), quark esotici: O(10-2) Si cercano coppie di leptoni in una finestra di massa attorno a MZ e coppie Zj

in una finestra attorno a Mt

ATLAS: Sensibilita’ a BR(t Zq) = 2 X 10-4 @ 100 fb-1

CMS: Sensibilita’ a BR(t Zq) = 2 X 10-4 @ 100 fb-1

t q (CDF: BR<3.2%@95%CL) (indiretto: HERA: BR<0.66%@95%CL) SM: O(10-13), SUSY senza R-parita’: O(10-5) , quark esotici: O(10-5) ATLAS: Sensibilita’ a BR(t q) = 1 X 10-4 @ 100 fb-1 CMS: Sensibilita’ a BR(t q) = 3.4 X 10-5 @ 100 fb-1

t gq (indiretto: Tevatron: BR<29%@95%CL) SM: O(10-11), SUSY senza R-parita’: O(10-3) , quark esotici: O(10-4) Molto difficile separare il segnale dal fondo QCD Per questo accoppiamento conviene studiare la produzione (prossima slide)

Decadimenti FCNC

Risoluzione energetica per :ATLAS 1.1 GeV, CMS 0.8 GeV

FCNC nella produzione di top

Incremento nella sezione d’urto di singolo top in t-channel

Incremento nella sezione d’urto ttbar (puo’ essere visto come deviazione dallo SM a grande ET o Mtt)

Produzione di coppie dello stesso segno.Segnatura di-leptonica molto facile da riconoscere: stessa cinematica di ttbar, ma segno dei leptoni uguale!

Per k(gtq)/ = 1 TeV-1:(ugt + cgt)~5x104 pb >> (tt | SM) !!!

Mtop(GeV)

L = 150 pb-1

(few days low lumi)

A inizio presa dati: b-tag: b,c,x solo da MC manca calibrazione dei jet buona lepton id

Il campione ttbar semileptonico e’ ben triggerato dal leptone I jet da W di questo campione possono essere usati per la calibrazione Gli altri due jet sono b-jet: efficienza di b-tagging e calibrazione dei b-jet

“Commissioning”Assegnazione dei jet al top adronico in base al massimo Pt(top) risultante

Anche senza b-tag, il picco di massa del top e’ ben visibile

dopo pochi giorni a bassa luminosita’!

B-tagging

Le efficienze degli algoritmi di b-tagging vanno calibrate, oltre che da MC, dai dati con campioni molto puri.Gli eventi ttbar semileptonici contengono 2 jet da b e 2 jet nonb, sono abbondanti e facilmente selezionabili, come appena visto.Con tagli cinematici stretti si puo’ avere un campione molto puro.I 2 jet non b sono identificabili richiedendo M(jj)~MW

In alternativa, anche gli eventi ttbar completamente leptonici possono dare un campione molto puro di jet di b

Calibrazione dei jet Selezione di eventi ttbar semileptonici 1 leptone di alto Pt, almeno 4j (2b), ET(miss) I due jet non taggati come b-jet sono usati per ricostruire il W I 4-vettori dei due jet sono riscalati per avere Mjj=MW

Con questo metodo si puo’ ottenere una precisione dell’1% sulla scala energetica dei jet, in un range di Pt

jet che va da 50 GeV a 200 GeV. Per Pt

jet ~50 GeV il problema e’ tenere conto opportunamente delle FSR (coni piu’ larghi…) Per Pt

jet >200 GeV gli effetti di overlap tra i due jet diventano significativi, e la statistica per jet ben separati non e’ piu’ molto elevata

ATLAS

Influenza sulla massa

Senza calibrazione dei jet

Con calibrazione dei jet

M(jjj)

CMSCMS

Conclusioni

LHC sara’ una top factory Per la prima volta misure di precisione nel

settore del top Il limite saranno i sistematici Sara’ opportuno usare diversi metodi, con

sistematici diversi Misurare la massa a 1 GeV sembra fattibile La prima fisica di LHC sara’ “fisica standard”,

tra cui il top fara’ la parte del leone.

Backup slides

Spin flow nel top singolo

d

uW+

W+

b

t

b

l+

momentum spin ½ spin 1

d uW+

W+

b

t

b

l+

t-channel s-channel

EW vertex

Distrib. angolare t->W->l

b

Il b e’ relativistico e left-handed.Il W puo’ essere left-handed o longitudinale.

Nel c.m. del W ho uno stato finale di elicita’ +1 cui accedo da (1,0) o (1,-1).

Singolo top a Tevatron

Ht= Pt(miss) + Pt(l) + Pt(jets)

Q(lept)×(light jet) separa t-ch./s-ch.

M(lb) discrimina top/non top

Expected cross sections:• s-channel: =0.88±0.11 pb• t-channel: =1.98±0.24 pb

Run II (162 pb-1): s+t channels: <13.7 pb @95% CL t-channel only: <8.5 pb @95% CL

Top mass: Semi-leptonic caseSN-ATLAS-2004-040

Isolated lepton PT>20 GeV ETmiss>20 GeV 4 jets with PT>40 GeV ΔR=0.4 >1 b-jet (b60%, ruds10-2, rc10-1)

Hadron side: Require |MW-Mjj|<20 GeV

light jet calibrated with MW

Lepton side: |mlb -<mjjb>|<35 GeV

Kinematic fit with MW constraint

70% purity and 1.2% efficiency Background (<2%): W/Z+jets, WW/ZZ/WZ…

j1 j2

b-jett

(Slide da E. Monnier – Physics at LHC, Vienna, 16/7/04)

Metodo della jet charge

i

κ

i

i

κ

ii

bjet

pj

pjqq

b b

-

Separazione b/b possibile gia’ dopo primi anni LHC-

FCNC, limiti previsti

FCNC, limiti per analisiTra

dotti in

term

ini d

i(t

qV

)/S

M(=1

.56

GeV

):

FCNC: Conversione k/ -> BR