Observation de la production lectrofaible du quark top
Observation de la production électrofaible du quark top à DØ. Chercher une aiguille dans un botte de foin Benoit Clément Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie Université Joseph Fourier – Grenoble I Séminaire – CEA Saclay – 2 mai 2007
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Une troisième famille de fermions ? 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 1974 : Deux familles de leptons et de quarks: 1975 : SPEAR (SLAC - LBL) Evénements e+e- e-(+) μ+(-)+Emis Nouveau lepton lourd : 1977 : Fermilab Découverte de la résonance : nouveau quark b. Résonance dans le spectre μ+μ- Désintégration à : 3 corps 2 corps Cinématique de désintégration -> neutrino ? Evidence directe en 2000 (DONUT Fermilab) Lepton (logbook de M. J Pearl) B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 4
. Le partenaire électrofaible du b 1975 Petra (DESY) 1980 1985 1990 1995 2000 2005 Le nouveau quark b fait-il partie d’un doublet d’isospin faible ? 1984 : JADE (Petra, DESY) Mesure de l’asymétrie de charge avant-arrière dans e +e- bb La distibution de cosθ est de la forme: Le Modèle Standard prédit : isodoublet AFB = -25. 2% (vert) isosinglet AFB = 0% (rouge) Mesure : -22. 8 ± 6 % Partenaire du quark b : top. masse s/c/b : 0. 5/1. 5/4. 5 -> mtop~15 Ge. V/c 2 ? ? ? B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 5
. . A la recherche du top 1975 Petra (DESY) 1980 SPS (CERN) 1985 - TRISTAN (KEK) LEP I (CERN) - 1990 pp- : UA 1 recherche W->tb->lvbb 2 ou 3 jets, 1 lepton de grand p. T. 1995 2000 2005 UA 1 : Candidats top mtop • 1984 (~100 nb-1): 9 evts de signal / 0. 2 evts de fond -> mtop= 40 Ge. V. Mais bruit de fond W+jets sous-estimé ! m. W • 1988 (~600 nb-1): limite mtop>44 Ge. V. e+e- : Résonances «toponium» : PETRA (mtop>23 Ge. V), TRISTAN (mtop>30 Ge. V) - : LEP/SLC (m >45 Ge. V) Z->tt top Mesures de précision à LEP 1 -> 1989 -1995. Paramètres EW sont sensibles à mtop: - Corrections radiatives à la masse du Z (~m 2 top) - Vertex Zbb (Rb = Z->bb / Z->hadrons) mtop ~ 170 Ge. V B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 6
. Les débuts du Tevatron 1975 1980 SPS (CERN) 1985 - : Te. Vatron, 1989, CDF pp Te. Vatron Run. I (FNAL) LEP I (CERN) 1990 1995 Recherche production de paire de top : - -> tt- -> W*b pp Avec un W* leptonique (W*->lv) et un W* hadronique (W*->qq’) Bruit de fond: W+jets, W on-shell Signal : t -> W*b : W off-shell (mtop< m. W ) Utilise la masse transverse du W leptonique pour séparer signal et fond 2000 2005 1 jet Contrôle du fond W+jets ≥ 2 jets Recherche du signal Aucun excès vu -> limite : mtop > 77 Ge. V Il faut recher un top plus lourd que le W !!! B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 7 Mtop = 70 Ge. V/c²
La découverte du top 1975 1980 SPS (CERN) 1985 Te. Vatron Run. I (FNAL) LEP I (CERN) 1990 t 1995 2000 2005 1992 : DØ rejoint CDF dans la chasse au top Production de paires top - antitop : • mtop > MW : tt -> W+b. W-b , boson W on-shell • top lourd : faible section efficace de production • Fonds W+jets importants et imitant la signature -> ~ 20 candidats / expérience DØ Découverte en 1995 par CDF et DØ DØ : mtop = 199 ± 20 Ge. V CDF: mtop = 176 ± 12 Ge. V Masse en accord avec le fit électrofaible B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 8
Te. Vatron Run II 1975 1980 SPS (CERN) 1985 Te. Vatron Run. I (FNAL) LEP I (CERN) 1990 t 1995 2000 2005 Mesure des propriétés Masse Section efficace : paires tt et single top Résonnance X->tt Charge Hélicité du W… B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 . Te. Vatron Run. II (FNAL) 9 LHC
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Le complexe d’accélération Paquets / tour s (Te. V) Luminosité (cm-2 s-1) Run IIa Run IIb 6 6 36 36 36 1. 8 1. 96 1. 6 1030 1 1032 3 17 50 Temps de croisement (ns) 3500 396 Interactions/croisement 2. 5 2. 3 8 92/98 01/06 06/09 Ldt (pb-1/semaine) Periode amélioration de la production d’antiprotons: recycleur d’antiprotons (automne 2004) electron cooling (été 2005) B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 11
Luminosité depuis avril 2002: ~ 2. 85 fb-1 délivrés ~ 2. 41 fb-1 enregistrés 1. 5 fb-1 Linst= 2. 8 1032 cm-2 s-1 Efficacité : ~84% 1 fb-1 Données analysées : Août 2002 – décembre 2005 Luminosité intégrée : ~ 910 pb-1 B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 12
Le détecteur DØ Calorimètre : Cu / U – Argon liquide Détecteur de muons : Chambres à dérive et scintillateurs Toroïde Fibres scintillantes (CFT) Solénoïde de 2 T Trajectographe Détecteur de vertex silicium (SMT) B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 13
Description d’une collision hadronique Un parton porte une fraction x de l’impulsion totale du proton -> densités de parton (PDF) Permet de couvrir une large gamme d’énergie de collision. L’énergie totale de la collision est inconnue. LHC Collison pp- : seules des sous-structures du proton (partons) interagissent: • Quark de valence (u, d) • Quark de la mer (u, d, s, c, b, t) • Gluons Tevatron Fragmentation/hadronisation : Quarks et gluons s’habillent en hadron. ISR, FSR : radiation de gluon/photon B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 14
Déclenchement Au total : Pour L=1032 cm-2 s-1 70 mb ~ 7. 106 événements / seconde 6 ~ 20. 10 paires bb / heure ~ 700 bosons W / heure ~ 3 paires tt / heure Importance du déclenchement Détecteur 1. 7 MHz hardware 7 pb Niveau 1 2 k. Hz software 50 Hz Niveau 3 1 k. Hz Offline B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 15 Niveau 2
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Production électrofaible du top Modes de production du top Production par couplage fort -> gluon paires de top (7 pb) -> mode dominant (découverte) Production du top par couplage électrofaible : -> top isolé (single top) -> 3 diagrammes : voies s, t et Wt Voie s (tb) σNLO = 0. 88 ± 0. 14 pb Section efficace ~ |Vtb|² Sensible à de la nouvelle physique : H+, W’, 4ème famille. Signature (voies s et t): Désintégration du top : 1 jet b central, de grand p. T 1 lepton isolé de grand p. T et ET 1 ou 2 autres jets (dont un 1 b) Voie t (tqb) Wt σNLO = 1. 98 ± 0. 30 pb σNLO = 0. 21 ± 0. 03 pb B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 17
Diagramme dominant en voie t Quark b dans la voie d’entrée peut provenir d’une conversion de gluon. Contribution des 2 diagrammes (problèmes de double comptage) B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 18
Principaux fonds Production associée W+jets, W+légers (σ≈O(100) pb), W+bb (σ≈O(1) pb), irréductible Wbb tt -> l + jets Paire de quarks top (σ≈7 pb ) dans les canaux lepton+jet et dileptons Evénements multijet (‘’QCD‘’) avec un ‘’faux‘’ lepton isolé : - électron : jet identifié comme un électron. - muon : muon provenant de la décroissance d’un hadron beau ou charmé, apparaissant isolé. B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 19
Stratégie de l’analyse Données electron muon selection =1 b-tag ≥ 2 b-tags Analyse multivariable Distribution du discriminant Fit bayesien Section efficace - tt, signal • Sélection des événements MC. • Facteurs correctifs Donnés/MC. • Normalisation sur la luminosité. W+jets • Sélection des événements MC • Normalisation totale et normalisation relative des saveurs (Wbb, Wcc, Wjj) grâce aux données réelles. Multijet • Construction d’un lot de données orthogonal au lot d’analyse. • Normalisation sur les données réelles. B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 20
Sélection des événements Jets • 2 Nb. Jets 4 • Leading jet : p. T > 25 Ge. V , | | < 2. 5 • Autres jets : p. T > 15 Ge. V , | | < 3. 4 • Exactement 1 ou au moins 2 b-tags Lepton chargé Exactement 1 lepton isolé : p. T>15 Ge. V Neutrino 15 Ge. V < ET < 200 Ge. V Coupures « triangulaires » L’Energie manquante peut provenir artificiellement d’un objet (jet, électron, muon) mal reconstruit : Coupures dans le plan : Δφ(xx, ET) vs ET. (xx=e, μ ou jet) 2 jets 3 jets 4 jets Luminosité 910 pb-1 Voie s (tb) 16 ± 3 8 ± 2 2 ± 1 Signal / Bruit : Voie t (tqb) 20 ± 4 12 ± 3 4 ± 1 Paires de top 59 ± 10 135 ± 26 154 ± 34 W+jets 531 ± 68 248 ± 31 70 ± 9 Multijet 95 ± 19 77 ± 15 29 ± 6 Total 686 ± 131 460 ± 75 253 ± 42 Data 697 455 246 2 jets : 5. 3 % 3 jets : 4. 3 % 4 jets : 2. 4 % B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 21
Quelques distributions Centralité Jet de plus grand p. T - Bruits de fond dominent le signal. Masse invariante de tous les jets - Aucune variable n’est réellement discriminante Analyse multivariable B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 22
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Analyse discriminante Comment séparer le signal du fond? Définir un jeu de variables discriminantes. Ces variables forment un espace à n dimensions. Déterminer une mesure dans cet espace qui maximise la distance entre signal et fond. Définir un critère d’optimisation : - Maximiser la pureté - Maximiser la significance statistique Différents critères : optimisation d’une coupure S/B, S/√B optimiser la séparation : sensibilité de l’analyse, limite attendue, courbe de performance Nombreuses méthodes : • Coupures successives • Discriminant de Fisher • Fonction de vraisemblance • Réseaux de neurones • Arbres de décisions B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 24
Arbres de décision Structure mathématique d’arbre. Encore très peu utilisé en HEP. Chaque nœud est associé a une variables : - Les événements sont séparés en deux lots selon une coupure - Les nœuds terminaux sont les feuilles Pour un nœud -> pureté en signal ou en fond ps = s/(s+b) pb=b/(s+b) Entrainement : Pour un nœud -> choisir une variable et sa coupure Maximiser le pouvoir séparateur -> « mesure d’impureté » : - symérique en s et b - maximale pour s=b (pas de séparation) - minimale pour s=0 ou b=0 (séparation totale) Création d’une feuille : pureté suffisante ou statistique trop faible B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 25
Boosting Le boosting est une technique récente qui permet d’améliorer la sensibilité d’un classificateur peu discriminant (arbre de décision, réseaux de neurones…) From Previous Méthode utilisée sur les arbres de décision par GLASTVersion et Mini. Boone. of Analysis Ancienne analyse Moyenne le résultat de plusieurs arbres. « Diluer » la nature discrète de l’arbre. Améliore le pouvoir séparateur. sans boosting Pour l’analyse singletop : “Adaptive boosting algorithm”: • Entrainer l’arbre Tk • Compter les évenements de signal mal classés • Déterminer un poids pour l’arbre wk • Augmenter le poids des événements mal classés • Entrainer l’arbre Tk+1 20 cycles de boosting Après boosting Valeur du discriminant pour l’événement i : B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 26
Réseau de neurones bayesien Réseau de neurones (Perceptron multicouches): - association de neurones élémentaires - sortie d’un neurone j: , S : fonction sigmoïde - apprentissage : correction des poids x 1 x 2 Réseau de neurones caractérisé un ensemble de poids 1 réseau = 1 occurrence des poids w Voie t Network output Wbb Dans l’approche Bayesienne: sortie du réseau -> proba d’être du signal : P(s|w, xi) théorème de Bayes -> P(w|s, xi) : poids du réseau w BNN : Moyenne de différents réseaux, pondérés par leur probabilité Moins sensible à la structure du neurones Moins de risque de sur-entrainement. B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 27
Eléments de matrice Fonction de vraisemblance : L= Psignal(x) / (Psignal(x) + Pbruit(x) ) Discriminant optimal (Nieman-Pearson), si les densités de probabilités sont correctemeent évaluées !!! Technique « éléments de matrice » : La section efficace différentielle, en fonction des objets reconstruit sert de densité de probabilité. CTEQ 6 Pdf Element de matrice LO + espace de phase Fonction de transfert W(x, y) : Passage des partons générés aux jets/leptons reconstruits -> résolution du détecteur, efficacité de reconstruction Technique développée à l’origine pour la mesure de la masse du quark top (DØ Run. I, DØ et CDF Run. II). Autres analyses à DØ : Single Top, Higgs : WH -> lv bb B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 28
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Stratégie de l’analyse (2) - Données electron muon selection =1 b-tag ≥ 2 b-tags Analyse multivariable Distribution du discriminant Fit bayesien Amélioration de la sensibilité Pour chaque analyse différents ensembles de discriminants : - nature du lepton : électron / muon - nombres de jets b identifiés =1 b-tag / ≥ 2 b-tags - nombre total de jets 2, 3 ou 4 jets Section efficace B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 30
Les discriminants Variables - cinématiques (PT, HT) - topologiques (angles, masses) Arbres de décision : 45 variables - variables supplémentaires ne dégrade pas la séparation - permet d’identifier les «meilleures» variables. Réseau de neurones : 25 variables - sélectionnés parmi les 45 du DT BNN, voie s+t μ+3 jets, =1 b-tag ME, voie t e/μ+2, 3 jets, >=1 b-tag Signal : voie s, voie t ou les 2. Fond : W+jets, Wbb+jets, tt (sauf ME) B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 31
Section efficace et significance Distribution du discriminant Densité de proba de la section efficace Approche Bayesienne Section efficace = max de probabilité - Densité de proba attendue pour signal MS -> sensibilité. - Densité de proba observée -> résultat. Résultat DT : σs+t = 4. 9 ± 1. 4 pb Significance Probabilité d’obtenir le une section efficace plus grande que celle mesurée via une fluctuation statistique Génération de pseudo-expériences. DT : 3. 4σ Observation ! B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 32
Section efficaces mesurées Voie s DT 1. 0 ± 0. 9 pb Voie t Voies s+t 4. 2+1. 8 -1. 4 pb 4. 9 ± 1. 4 pb 3. 4 σ 4. 6+1. 8 -1. 5 pb 2. 9 σ 3. 7+2. 0 -1. 8 pb 5. 0 ± 1. 9 pb 2. 6 σ 1. 98 ± 0. 30 pb 2. 86 ± 0. 40 pb ME BNN 3. 8 ± 1. 5 pb théorie 0. 88 ± 0. 14 pb Signif • Analyse fortement corrélées mais combinaison possible • Même algorithme de combinaison que pour la section efficaces tt σs+t = 4. 8 ± 1. 3 pb @ 3. 5 σ B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 33
De l’autre coté de l’anneau Analyse d’environ 1 fb-1 Pas d’excès -> limites à 95% CL Techniques similaires : – σs+t < 2. 7 pb Fonction de vraisemblance – σs+t < 2. 6 pb Réseau de neurones – σs+t = 2. 7 ± 1. 5 pb Eléments de matrice (significance : 2. 3 σ) B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 34
Matrice CKM : mesure de Vtb Section efficace |Vtb|² -> Densité bayesienne pour |Vtb|² Contrainte : |Vtb|²> 0 -> |Vtb| = 1. 3 ± 0. 2 Contrainte : 0 <|Vtb|² < 1, couplage V-A -> 0. 68 < |Vtb| ≤ 1 @ 95% CL B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 35
Conclusion DØ a observé pour la première fois la production électrofaible du quark top. Section efficace en accord avec le MS: σs+t = 4. 8 ± 1. 3 pb @ 3. 5 σ Première mesure directe de |Vtb| : |Vtb| = 1. 3 ± 0. 2 Analyse délicate : - bruit de fond dominant (S/B<5%) - signal difficile à discriminer Techniques multivariables innovantes Arbres de décision “boostés” Réseaux de neurones bayesiens Eléments de matrice Application à la recherche du Higgs B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 Bientôt le LHC - voie t : σ~240 pb - voie s : σ~10 pb - Wt : σ~65 pb Bruit de fond au Higgs et à la Susy 36
Une collision hadronique (simplifiee) 4. Parton Shower 3. Vertex d’interaction particules de grand p. T 5. Fragmentation 2. Radiations dans l’état initial : gluons, photons p p- 1. Distributions de partons B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 6. Décroissances 7. Partons spectateurs 3’. Intéractions multiples 37
Reconstruction des jets Calorimètre organisé en tours pseudo -projectives : ΔηxΔφ = 0. 1 x 0. 1 Couverture : | | < 4. 2 Jets reconstruit à partir des tours du calorimètre avec un algorithme de cône : R= √(Δη²+Δφ²) = 0. 5 Correction d’énergie des jets (JES) Jet calorimétrique -> jet de particules Eoffset : Energie ne provenant pas du vertex d’intéraction (bruit uranium, underlying event). Rjet : réponse du calorimètre. Scône: Energie en dehors du cône. B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 38
Identification des jets b - Important pour étudier le top, mais aussi le Higgs (H->bb) ou la SUSY Hadrons beaux : désintégration par interaction m faible, grande durée de vie (~10 -12 s) - Traces à grand paramètre d’impact (IP) -> JLIP, CSIP - Vertex secondaire (distance de vol ~ qq mm) IP -> SVX Combinaison des 3 algo -> réseau de neurones - réduction du taux de mauvaise ID - réduction des erreurs systématiques Pour l’analyse single top jets beaux : 50 % efficacité: jets charmés : 10 % jets “légers” (udsg) : 0. 5 % B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 39
Cinématique au niveau partonique Voie t pseudorapidité Voie t impulsion transverse Lepton Quark b issu du top Autre quark b Quark léger (voie t) Voie s, pseudorapidité Voie s impulsion transverse B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 40
Au-delà du Modèle Standard Section efficace de production sensible à de la nouvelle physique Papier de 2002 (ref? ) : quelques exemples Affectent différement voies s et t Voie s Nouveau boson de jauge chargé : GUT Nouveau boson scalaire chargé : 2 HDM, technicouleur Voie t Nouvelles familles de quark -> modification de Vtb Couplage non standard : FCNC (gluon->tc , Z->tc) B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 41
Analyses dédiées : FCNC et W’ Recherche de FCNC en SU(3) pp -> gluon -> tc / tu Limites sur les couplages Recherche de boson vecteur lourd W’ Limite dans le plan MW’ – Section efficace x BR(W’->tb) B. Clément – Séminaire CEA Saclay – 2 mai 2007 42
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