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Reconstruction des paires (tt) et masse du quark top

Anne-Isabelle ETIENVRE,Jean-Pierre MEYER,

Jérôme SCHWINDLING

DAPNIA-Saclay

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• Les observables électrofaibles dépendent fortement de la valeur de la masse du top (via les corrections radiatives)

Haute précision sur mt requise pour:• des tests de précision du Modèle Standard • contraintes sur la masse du boson de Higgs au sein du Modèle Standard• grande sensibilité à la physique au-delà du Modèle Standard

• Actuellement (Tevatron) : mt = 172.0 ± 2.7 GeV/c2

mH < 186 GeV/c2 (95% C.L.)

• Qu’apporterait mt ~ 1 GeV/c2 ? SimW = 15 MeV/c2 , mtop = 175 GeV/c2

et pour les valeurs actuelles de ((mmHH/m/mHH 32%) 32%)

Si mW = 15 MeV/c2 et ((mmHH/m/mHH 25%) 25%)

Une mesure précise de la masse du quark top : motivations

221863 Hm

201673 Hm

453291 Hm

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Statistiques attendues @ LHC

Prise de données Luminosité

(cm-2s-1)

Luminosité intégrée

(fb-1)

Nombre d’événements inclusifs tt

Démarrage

(été 2007)

1032 10 jours : 0.1 ≈ 80 000

Basse luminosité

(2008)

1033 100 jours : 10 ≈ 8 000 000

Haute luminosité

(2010)

1034 100 jours : 100 ≈ 80 000 000

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Plan• Le canal lepton + jets

• Reconstruction du côté hadronique• principe• mesure de la masse• comparaison des générateurs• calibration des jets légers • estimation des erreurs systématiques

• Reconstruction du côté leptonique

Pour plus de détails: ATL-COM- 2005-002

Etudes utilisant des événements « de Rome » (tt non inclusif)

Analyses basées sur les AOD

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Le canal (lepton + jets) : caractéristiques2.5 Millions/an @ basse luminosité

• Principaux bruits de fond

• Sélection des événements

Processus (pb)

Signal 250

bb l+ jets 2.2 106

W + jets l + jets 7.8 103

Z + jets l+l- + jets 1.2 103

WW l + jets 17.1

WZ l + jets 3.4

ZZ l+l- + jets 9.2

Avant toute coupure,S/B ≈ 10-4

Sélection du lepton 1 lepton reconstruit (e, µ) isolé, PT (lepton) > 20 GeV/c , || < 2.5 ET

miss > 20 GeV Précalibration de l’énergie des jets (à mieux que 1 %) Sélection des jets 2 jets b , PT > 40 GeV/c, || < 2.5 2 light-jets, PT > 40 GeV/c, || < 2.5

Après sélection,S/B ≈ 30

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Reconstruction du côté hadronique• Masse invariante mjj pour les événements avec seulement 2 jets légers:

• Choix de la paire de jets légers et étalonnage en énergie: 2 basé sur M(W) :

Minimisation du 2 choix de la paire de jets légers (j1, j2) et détermination des facteurs de calibration (1,2)

Reconstruction du W hadronique, gardé comme candidat si | M(W) – 80.4 | 2 W

<Mjj> = 79.6 ± 0.4 GeV/c2

jj = 8.8 ± 0.5 GeV/c2

Sélection des candidats W hadroniques dans une fenêtre en masse de ± 5 jj autour de <mjj>

2

2

222

1

112

212 )1()1()2,(

j

j

j

j

W

Wjj EEMM

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Reconstruction du côté hadronique

• Mesure de la masse: association W – b : jet b donnant le top de plus grand PT

Reconstruction de la masse du quark top résultant :

Pour une masse du top générée = 175 GeV/c2 :M(top) = 176.1 ± 0.6 GeV/c2

top= 11.9 ± 0.7 GeV/c2

Erreur statistique pour 10 fb-1 : 0.05 GeV/c2

ATLAS(MC@NLOand full sim.)

Mauvais b Mauvais W

Caveat : contamination attendue due à des événements tt jjb jjb

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Reconstruction du côté hadronique

• Performances

Efficacité (%)

(/ événements semileptoniques

Pureté W (%) Pureté b(%) Pureté top (%)

Fenêtre complète

2.70 ± 0.05 56.0 ± 0.9 63.2 ± 0.9 40.5 ± 0.9

± 3 (Mtop) 1.82 ± 0.04 69.1 ± 0.8 75.8 ± 0.8 58.6 ± 0.8

64000 events @ 10 fb-1

• Bonne linéarité de la méthode

Mas

se r

econ

stru

ite

Masse générée

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Reconstruction du côté hadronique

• Contribution négligeable du bruit de fond dominant (W + jets) à la mesure de la masse:

W + 4 jets

Signal seul : M(top) = 176.1 ± 0.6 GeV/c2

= 11.9 ± 0.7 GeV/c2

Signal + bdf: M(top) = 176.2 ± 0.6 GeV/c2

= 12.1 ± 0.7 GeV/c2

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Reconstruction du côté hadroniqueComparaison des générateurs: MC@NLO % TopRex (CBNT)

Multiplicité des jets PT (jet de plus haut PT) (GeV/c) PT (lepton) (GeV/c)

MC@NLO (CBNT) : M(top) = 175.5 ± 0.6 GeV/c2 (top) = 12.8 ± 0.7 GeV/c2

TopReX (CBNT): M(top) = 175.8 ± 0.6 GeV/c2 (top) = 12.4 ± 0.7 GeV/c2

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Reconstruction du côté hadronique• Compréhension de la calibration des jets

légers (Méthode développée pour Z ee)

• Génération de « templates » mjj à partir de W qq PYTHIA avec ensembles de (échelle d’énergie , résolution )

• 2 (template – données) minimum Fit simultané de et

• Résultats avec données = 100 fb-1 PYTHIA– global à 0.6 % avec 500 pb-1

– en fonction de E (bins 20 GeV) – permet aussi de retrouver la résolution en

fonction de E (reconstruit = injecté)

• Résultats avec données = Rome (500 pb-1) – attendu ~ 0.96 – 0.97– fitté = 0.960 ± 0.005– trop grand à comprendre

injecté

reconstruit

3 templates (parmi quelques milliers)

Qualité du fit de (en fonction de l’énergie)

Ejet / Equark

Echelle d’énergieattendue

1%

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Reconstruction du côté hadroniqueErreurs systématiques

Source d’erreur Mtop (GeV/c2)

Echelle d’énergie des jets légers (1 %) 0.2

Echelle d’énergie des jets b (1 %) 0.7

Fragmentation des quarks b 0.1

ISR 0.1

FSR 1.

Bdf combinatoire 0.1

Total 1.3

Erreur statistique 0.05

Fragmentation des quarks b : erreur estimée en changeant le paramètre de Peterson (-0.006 ) à l’intérieur de son incertitude (0.0025) ISR, FSR : erreur estimée comme 20% de |mt(ISR,FSR - on) - mt(ISR,FSR - off) |

Chiffresdatant du TDR(simulation rapide)

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Reconstruction du côté leptonique• Idée : utiliser pleinement le côté leptonique (réduction de la combinatoire,…)

• Reconstruction du neutrino:

pT (): hypothèse : ETmiss = pT ()

approximation : désintégrations leptoniques (b,c) non prises en compte + problèmes dans la reconstruction de ET

miss dans les événements de Rome

pz() : M(W) = 80.4 = M(l Résolution d’une équation du second degré en pz() 33 % des cas : pas de solution sinon, 2 valeurs de pz()

Pxmiss,reco – px(MC neutrino)

px = 0.15 ± 0.05= 17.60 ± 0.05

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Reconstruction du côté leptonique

Reconstruction des masses des 2 quarks top:

• Pour chaque paire (jet b 1, jet b 2), calcul de m = mtop(hadronique) – mtop (leptonique)

associations (W,b) des 2 côtés: celles qui minimisent m

• Pureté du b : 63.5 % côté hadronique, 65.2 % côté leptonique gain faible / utilisation du côté hadronique seul mais améliorations possibles

(fit cinématique, ETmiss mieux comprise,…)

Pour une masse du top générée = 175 GeV/c2 :M(top) = 174.1 ± 0.6 GeV/c2

(top) = 14.6 ± 0.7 GeV/c2

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Conclusion et perspectives

• Mesure de la masse du top dans le canal lepton + jets :

erreur statistique négligeable, très rapidement une précision de 1 GeV/c2 sera atteinte au LHC

compréhension de certaines erreurs systématiques (FSR) à parfaire

exploitation du côté leptonique à développer

• Autres canaux de mesure :

di-leptons : mesure indirecte, faible statistique, mais canal très pur hadronique : bruit de fond QCD important sensibilité distincte aux différentes sources d’erreurs systématiques

Il sera utile et fiable de croiser les différentes méthodes