Il quark top a LHC Atlas Andrea Giammanco

Il quark top a LHC Atlas Andrea Giammanco – SNS & INFN Pisa 14 October 2004

Importanza del top W+ n n n W+ r proporzionale a Mt 2 b Mt>MW permette decadimento in W reale Questo da’ un decadimento “semidebole”, cioe’ G proporzionale a GF e non GF 2. Risultato: tdecay < thadr (tdecay=1/G(~1. 5 Ge. V), n t thadr~1/LQCD(~0. 2 Ge. V)) Anche la sua fisica “standard” e’ inusuale!

Ma anche… Nuove particelle (SUSY, risonanze) producono top n Unico quark ad avere massa dell’ordine della scala elettrodebole n Fondo per molta “nuova fisica” n Calibrazione del detector n

Sezione d’urto a LHC tt(th)=825± 150 pb (~100 volte Tevatron) NNLO-NNNLL: Kidonakis, Vogt, PRD 68 (03) 114014 Significa 8 milioni di coppie tt all’anno (una al secondo) a bassa luminosita’: LHC e’ una top factory! qq->tt: 13% gg->tt: 87% Fondi principali: W/Z + jets

Sezione d’urto a LHC Sezioni d‘urto differenziali: § d /dp. T: sensibile alle PDF § d /dh: sensibile alle PDF 1. 6 Te. V resonance σx. BR [fb] § d /dmtt: sensibile alla produzione di particelle esotiche pesanti con decadimento X->tt 830 fb x. BR necessaria per la scoperta 30 fb-1 300 fb-1 Mtt 1 Te. V mtt [Ge. V/c 2]

Selezione ttbar Elettrone/muone + jets: S/B~20 • eventi facili da triggerare (e, m) • 2 x(2/9)x(6/9)=29. 6% degli eventi tt: 2. 5 M 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(n)= ET(missing) e Mln=MW. • misura della massa: tra i criteri di scelta della soluzione per il Pz del n, M(lnb)=M(jjb) ha il pregio di non introdurre bias Fondi principali: Segnatura: 1 l, 4 j (2 b), ET(miss) W+jets, Z+jets

Selezione ttbar Di-leptoni + b-jets: S/B~50 • 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: 400 K ev. @10 fb-1 • anche senza b-tagging, S/B~10 • impossibile ricostruire i due neutrini • la misura della massa puo’ essere solo indiretta v pesare ogni soluzione in base ad altre informazioni dell’evento v sfruttare la dipendenza di alcune distribuzioni da Mt (significa fidarsi ciecamente del MC…) Segnatura: 2 l, 2 b, ET(miss) Fondi principali: Drell Yan, WW, bb, Z->tt

Selezione ttbar Stato finale totalmente adronico: S/B~1/8 -1/6 • (6/9)x(6/9)=44. 4% degli eventi tt: 3. 7 M 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

Massa del top Tevatron Run I, combinazione:

Massa dalla sezione d’urto / ~ 5 mt/mt Estrarre Mt da tt? Contro: • L’incertezza sulle PDF: 10% PDF Mt 4 Ge. V • L’incertezza sulla luminosita’ (5%? ) 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.

Massa del top (semilept. ) Elettrone/muone + jets: In questo canale, la migliore determinazione • Mln=MW di Mt al Tevatron e’ data da un fit con tre • Mjj=MW vincoli. • Mlnb=Mjjb j 1 W j 2 t b-jet 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 usare questa 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 (comprese combinazioni errate) fondi (soprattutto combinazioni errate) Il top e’ ricostruito col b-jet che da’ PT(jjb) maggiore. M(reco) vs M(true) M(reco) vs PT(top) mt 1 -2 Ge. V ATLAS

Massa del top (semilept. ) ATLAS 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.

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 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 Mt 2=MW 2+2<Mlb 2>/[1 -<cos qlb>] Accoppiamento l-b in base a minimo (corretto nell’ 85% dei casi) mt 3 Ge. V Principali sistematici: q frammentazione del b q FSR, ISR Mlb 2 da MC

Massa del top (lept. ) Di-leptoni: studio delle coppie e+m-/e-m+ mt 1. 7 Ge. V

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 Ge. V 1% jet energy scale: mt 1. 5 Ge. V

Massa del top (lept. ) Tri-leptoni: Oltre ai leptoni “duri” e isolati da W->ln, si cerca un leptone “soffice” e non isolato da b->lnc (~10%) o b ->c. X->lns. X (~10%). La massa invariante della coppia di leptoni dallo stesso top e’ molto sensibile a Mt. Vantaggi: q non dipende dalla identificazione e calibrazione dei jet q scarsa dipendenza da PT(top) Principali sistematici: q frammentazione del b q FSR, ISR mt 1. 8 Ge. V

Massa del top (semilept. ) Leptone + J/y: 1000 eventi/anno @ L=1034 Il canale J/y->mm e’ facile da identificare. Ml. J/y 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 Ge. V

Massa del top (adr. ) Decadimenti totalmente adronici: mt 3 Ge. V

Tabella riassuntiva Errori previsti per le principali analisi, per esperimento: Errore: qqbbl (alto p. T) bbl l tt qqbbl (+J/ ) statistico 0. 10 0. 25 0. 90? <0. 05 <1. 0 light jet E scale 0. 20 1. 2? - - - b-jet E scale 0. 60 - - ISR/FSR 1. 5? 0. 2? 1. 0 ? 0. 30? framm. del b 0. 25 0. 10 0. 70 - 0. 60 fondi 0. 15 0. 10? negl. 0. 20 PDF negl. 4. 0 0. 20 Totale <2. 0? <4. 0? <1. 3? Nota: I sistematici sono correlati (tra le analisi, e tra ATLAS e CMS) L’obiettivo mt < 1 Ge. V dovrebbe essere realistico.

Prospettive per lo SM Aspettative di Tevatron Aspettative di LHC ( mt 3 Ge. V) ( mt 1 Ge. V)

Correlazioni di spin Dato che tdecay< thadr, l’informazione sullo spin non e’ perduta nell’adronizzazione Distingue tra qq->tt (A = -0. 469) e gg->tt (A = +0. 431 ) MC senza corr. di spin MC con corr. di spin Miglior canale: tt -> bbl l (ricostruzione dei top da vincoli cinematici pesando le soluzioni) CMS: A/A= 11%(st) 9%(sys) (30 fb-1) ATLAS: A/A= 7%(st) 19%(sys) (30 fb-1) ~5 σ da 0 gia’ con 10 fb-1

Polarizzazione del W Lo SM predice la frazione di W da t->W polarizzati longitudinalmente q*: angolo tra il leptone nel SR del W e il W nel SR del top Trasv. : (1 cos q*)2 Long. : sen 2 q* tot. long. Accettanza e smearing del detector trasv. Þ precisione sulla frazione di W pol. long. : 0. 023 (stat) 0. 022 (sys)

Singolo top elettrodebole s-channel =10 pb n n t-channel =247 pb Wt-channel =56 pb Tevatron da’ solo un limite superiore a t. X 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->lnbb , …)

Singolo top: strategia n n n 1 leptone isolato (Trigger) 2 jet ad alto Pt (3 per il Wt-channel) almeno 1 b-jet (2 per l’s-channel) Missing Et M(lnb) in una finestra attorno a M(top) Q(lept)×h(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). n M(jj) in una finestra attorno a M(W) per il Wt-channel (jet anti-b-taggati)

|Vtb| dal singolo top ~|Vtb|2 Vtb/Vtb=½ / =½[(S+B)½/S + th. err. ] s-channel: t-channel: 4% 10% renorm. scale 4% 5% Mt (± 2 Ge. V) 5% 2% PDF Wt-channel: 50% errore teorico (range di valori in letteratura) (ATLAS err. stat. : s-ch. 5. 4%, t-ch. 0. 71%, Wt 2. 8%) Studiando gli eventi W Drell-Yan (tantissimi a LHC), l’errore sulle PDF per l’s-channel diminuira’ moltissimo. L’s-channel e’ il golden channel!

Separazione s-ch. /t-ch. 2 b-jet, quasi back-to-back CMS 3 rd jet: b (mostly undetectable) s-channel t-channel Jet di “rinculo” 1 b-jet di alto Pt 2 nd jet: j 1 b-jet di basso Pt (solitamente fuori accettanza) t-channel 1 st jet: b from t Pt

Polarizzazione nel canale t • Test di consistenza dello SM: i top da W devono essere polarizzati • Molti esempi di nuova fisica danno |g. R|>0 (d. G/G)/d(cos q)=½(1+Acos q) A(l)=+1, A(b)=-0. 40 , A( )=-0. 33 q: angolo leptone/asse di chiralita’. 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. ATLAS: ± 1. 6% precisione sulla pol. del top @10 fb-1

Singolo top e SUSY bg->t. H± Beccaria, Renard, Verzegnassi (hep-ph/0410089) Calcolo all’ordine NLL della produzione di singolo top in uno scenario SUSY “leggero” (350 -400 Ge. V). Principale osservazione: l’unico parametro SUSY rilevante e’ tanb Effetti >10% in tutti i canali e in particolare nella produzione associata (bg->t. Y, Y=W, H). Forte dipendenza da tanb. bg->t. W±: • asimmetria in cosq • nessuna dipendenza da tanb bg->t. H±: • nessuna asimmetria in cosq • dipendenza da tanb

Carica elettrica del top Atlas Qt = +2/3 Qt = -4/3 In linea di principio, il TEVATRON potrebbe non aver scoperto il “vero” top quark, bensi’ uno pseudo-quark di carica 4/3. CDF e D 0 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 Ge. V). D. Chang, W. F. Chang, E. Ma, Physical Review D 59 (1999) 091503 Esistono studi per l’estrazione di |Qt| da: v accoppiamento: rate di eventi ttg e t->b. Wg v determinazione della carica del b-jet Possibile gia’ con 10 fb-1

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

Decadimenti SM del top BR(t->b. X): Si misura R(2 b/1 b)=BR(t->b. X)/BR(q. X)=|Vtb|2 CDF: R(2 b/1 b)=0. 99± 0. 29 ovvero |Vtb|>0. 76@95%CL LHC: R/R~0. 2%(stat) @ 10 fb-1 ovvero Vtb~1‰ Sistematico dominante: incertezze sul b-tagging (da stimare) BR(t->WX): v deviazioni dal 100% dovute solo a nuova fisica (t->H±X, …) Si misura R(2 l/1 l)=BR(W->ln)~2/9 (e, m) LHC: R/R~0. 5%(stat) @ 10 fb-1

Decadimenti SM del top v test dei modelli di frammentazione del b: BR(t->B-X)~BR(t->B 0 X)~40%, BR(t->Bs. X)~BR(t->Lb. X)~10% v t->s. W: (1. 23 -1. 76)x 10 -3 v t->d. W: (0. 16 -1. 71)x 10 -4 v t->b. WZ: 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(t b. WZ) ~ 10 -4 @ 100 fb-1 In alcuni modelli con settore di Higgs esteso, BR(t q. WZ)~10 -2

Decadimenti FCNC n n Nello SM, i decadimenti FCNC del top hanno BR < 10 -13 -10 -11 La loro osservazione sarebbe quindi prova di nuova fisica t Zq Ø Ø 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 Ø Ø Ø (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 Ø (CDF: BR<32%@95%CL) (indiretto: LEP 2: BR<7%@95%CL) (indiretto: Tevatron: BR<29%@95%CL) Risoluzione energetica per g: ATLAS 1. 1 Ge. V, CMS 0. 8 Ge. V 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)

FCNC nella produzione di top Incremento nella sezione d’urto di singolo top in t-channel Per k(gtq)/L = 1 Te. V-1: (ug t + cg t)~5 x 104 pb >> (tt | SM) !!! 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!

“Commissioning” l A inizio presa dati: § b-tag: b, c, x solo da MC manca calibrazione dei jet § buona lepton id § Assegnazione dei jet al top adronico in base al massimo Pt(top) risultante L = 150 pb-1 (few days low lumi) Il campione ttbar semileptonico e’ ben triggerato dal leptone l I jet da W di questo M (Ge. V) campione possono essere usati per la calibrazione Anche senza b-tag, il picco di l Gli altri due jet sono b-jet: massa del top e’ ben visibile dopo pochi giorni a bassa efficienza di b-tagging e luminosita’! calibrazione dei b-jet l top

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 4 j (2 b), ET(miss) § I due jet non taggati come b-jet sono usati per ATLAS 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 Ptjet che va da 50 Ge. V a 200 Ge. V. § Per Ptjet ~50 Ge. V il problema e’ tenere conto opportunamente delle FSR (coni piu’ larghi…) § Per Ptjet >200 Ge. V gli effetti di overlap tra i due jet diventano significativi, e la statistica per jet ben separati non e’ piu’ molto elevata

Influenza sulla massa M(jjj) Senza calibrazione dei jet Con calibrazione dei jet CMS

Conclusioni n n n 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 Ge. V 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 u b W+ b t n b W+ l+ u t n b W+ l+ s-channel t-channel EW vertex d W+ momentum spin ½ spin 1

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 Q(lept)×h(light jet) separa t-ch. /s-ch. Ht= Pt(miss) + Pt(l) + SPt(jets) Expected cross sections: • s-channel: =0. 88± 0. 11 pb • t-channel: =1. 98± 0. 24 pb M(l b) discrimina top/non top Run II (162 pb-1): § s+t channels: <13. 7 pb @95% CL § t-channel only: <8. 5 pb @95% CL

j 1 Top mass: Semi-leptonic case j 2 SN-ATLAS-2004 -040 t Isolated lepton PT>20 Ge. V l ETmiss>20 Ge. V l 4 jets with PT>40 Ge. V ΔR=0. 4 l >1 b-jet ( b 60%, ruds 10 -2, rc 10 -1) l b-jet Hadron side: Require |MW-Mjj|<20 Ge. V l light jet calibrated with MW l Lepton side: |ml b -<mjjb>|<35 Ge. V l Kinematic fit with MW constraint l 70% purity and 1. 2% efficiency l Background (<2%): l W/Z+jets, WW/ZZ/WZ… l (Slide da E. Monnier – Physics at LHC, Vienna, 16/7/04)

Metodo della jet charge b b Separazione b/b possibile gia’ dopo primi anni LHC

FCNC, limiti previsti

FCNC, limiti per analisi Tradotti in termini di G(t q. V)/GSM(=1. 56 Ge. V):

FCNC: Conversione k/L -> BR