La Londe 03/05/04Correlation de spin1 Corrélation de spin dans la production tt F. Hubaut, E. Monnier, P. Pralavorio (CPPM) 1.Motivations 2.Etat des lieux.

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1 La Londe 03/05/04Correlation de spin1 Corrélation de spin dans la production tt F. Hubaut, E. Monnier, P. Pralavorio (CPPM) 1.Motivations 2.Etat des lieux théorique 3.Analyse expérimentale 4.Résultats 5.Conclusions et perspectives

2 La Londe 03/05/04Correlation de spin2 1. Motivations Le top décroît sans s’hadroniser (t~3x10 -25 s) : production et décroissance du top : QCD perturbative et calculs NLO spin conservé entre production et désintégration transmission directe aux produits de la désintégration Etude des observables reliées au spin du top : recherches des couplages non standard dans les décroissances du quark top (test de la structure V-A) sensibilité à la nouvelle physique : nouveaux mécanismes de production, test des symétries discrètes (CP),... tests du Modèle Standard

3 La Londe 03/05/04Correlation de spin3 2. Introduction théorique (1) Wbl +,d,sv,u,c  (NLO)0.40-0.401.-0.32 Dans le repère du top, les effets de polarisation (S) sont observés en mesurant les distributions angulaires des particules filles :  i angle entre une particule de la décroissance du top et l’axe de quantification du spin du top s  i degré avec lequel l’angle de cette particule est lié au spin du top t W b l +  q1q2 s

4 La Londe 03/05/04Correlation de spin4 Corrélations entre les spins des quarks t et t 2. Introduction théorique (2) Etudes aux collisionneurs hadroniques : 1.‘Single’ top car le top est produit polarisé (~300 pb au LHC) 2.Paires tt (~800 pb au LHC) non polarisées (< 1%) mais … (dans la base hélicité) Invariance sous CP : Invariance sous P : Mtt (GeV)  (u.a.)

5 La Londe 03/05/04Correlation de spin5 2. Introduction théorique (3)  1 (  2 ) : angle entre une particule fille dans le repère du top (anti-top) et une direction a (b), axe de quantification du spin du top (anti-top). Connaissant A et  on peut écrire : Le choix des axes (a, b) conditionne la mesure de la corrélation de spin

6 La Londe 03/05/04Correlation de spin6 2. Introduction théorique (4) LHC: ~90% gg vs 10% qq, g(x) à petit x (~ 0.02) Asymétrie maximale dans la base ’hélicité’ (A=0.33), pas de base optimale Tevatron: ~15% gg vs 85% qq, g(x) à grand x (~ 0.2) Plusieurs choix de base possibles : optimal pour off-diagonale, i.e. A(qq)=1 au LO Avantages du LHC : Grande statistique (  x 100 Tevatron) Corrections QCD petites (1-10%) Incertitudes théoriques plus faibles (améliorations d’ici le démarrage) Hélicité (A=-0.35) Off-diag (A=0.78) Beamline (A=0.78)

7 La Londe 03/05/04Correlation de spin7 3. Monte Carlo TopReX 4.05 : matrice de densité de spin au LO pour la production et la décroissance des paires tt (développé par CMS et intégré dans ATHENA) Pythia 6.2 : hadronisation, fragmentation et décroissances Tauola+Photos : décroissance du lepton  et corrections radiatives Atlfast 2.60 : simulation rapide d’ATLAS + reconstruction avec fonction de structure CTEQ5L, ISR-FSR, pas de pile-up. Remarque : la plupart des générateurs (Pythia, Herwig, MC@NLO) n’ont pas la corrélation de spin implémentée La génération des événements s’effectue à l’aide de :

8 La Londe 03/05/04Correlation de spin8 3. Résultats au niveau partonique Distributions angulaires avec 2 leptons ‘analyseurs de spin’ : C=0.00C=0.33 PythiaTopReX Estimateur non biaisé de C: -9 -9 * CosΘ 1 · CosΘ 2 TopReX reproduit l’asymétrie attendue au LHC

9 La Londe 03/05/04Correlation de spin9 Différents canaux de décroissance des paires tt (LHC 10 4 pb -1 ) : Dileptonique (0.4M): ee, e ,  Prague Semileptonique (2.5M): e+jets,  +jets CPPM Tout hadronique (3.7M): jets Difficile … Bruit de fond intrinsèque (1.7M) :  +X 3. Décroissances des paires tt

10 La Londe 03/05/04Correlation de spin10 3. Canal dileptonique (1) Sélection des événements : 2 leptons (e ou  ) reconstruits de charge opposée avec p T > 25 GeV, |  |< 2.5 E T miss > 40 GeV (2 ) 2 jets de b avec p T > 25 GeV,  < 2.5 |M ll -M Z | > 5 GeV, |M bb -M Z | > 5 GeV pour BdF Signal : 80 000 evts/an (  = 20%)

11 La Londe 03/05/04Correlation de spin11 3. Canal dileptonique (2) Bruit de fond tt : tt   + X Bruit de fond non tt : Processus Drell-Yan associés avec des jets Z   associés avec des jets WW bb  ll S/B~10 S/B~8.5 Reconstruction de la topologie de l’événement: Ensemble de 6 équations à 6 inconnues (p et p ) résolu dans 98% des cas (>=1 solution) avec ~70% de pureté (solution correcte) au niveau partonique Signal : 60 000 evts/an (  = 15%)

12 La Londe 03/05/04Correlation de spin12 3. Canal semileptonique (1) : lej (  ~ 0.5) ou W, b (  ~ 0.4) Sélection des événements : 1 lepton (e ou  ) avec p T > 20 GeV, |  |< 2.5 E T miss > 20 GeV (1 ) 4 jets avec p T > 40 GeV,  < 2.5 dont 2 b Signal : 20 000 evts/an (  = 0.8%) Signal : 100 000 evts/an (  = 4.0%) Coupures de qualité :  M W REC -M W | < 20 GeV et |M t REC -M t | < 35 GeV Pour augmenter l’asymétrie : M(tt) < 500 GeV (A~0.33  0.5) Mtt (GeV)  (u.a.)

13 La Londe 03/05/04Correlation de spin13 3. Canal semileptonique (2) Reconstruction de la topologie de l’événement: M~173 GeV  ~ 11 GeV tlepthad M~175 GeV  ~ 11 GeV Bruit de fond non tt : W+4jets simulé grâce à AlpGen Z + jets  ll + jets WW, WZ, ZZ, Wbb : faible  bb  lv + jets 40<S/B<200 Bruit de fond tt : tt   + X tt  jets S/B~15

14 La Londe 03/05/04Correlation de spin14 3. Canal semileptonique (3) Distribution angulaires pour Signal + Bruit de fond avec ‘lep+lej’ : PythiaTopReXTopRex / Pythia

15 La Londe 03/05/04Correlation de spin15 Remarque : sans reconstruction des tops, analyse possible avec les angles dans le laboratoire, mais effets plus faibles… 4. Résultats au LHC (1) Résultats attendus pour C à 10 4 pb -1 (erreurs statistiques) : Analyseurs de spinlep + leplep+lej*lep+b had * ou lep+W had * Partons SM 0.332  0.004 0.245  0.002 0.192  0.002 Partons NC 0.005  0.004 -0.002  0.002 0.003  0.002 Sel.+ Recons. SM 0.15  0.01 0.15  0.02 0.10  0.02 Sel.+ Recons. NC 0.01  0.01 -0.03  0.02 -0.02  0.02 * : résultats préliminaires + coupure M(tt)

16 La Londe 03/05/04Correlation de spin16 4. Résultats au LHC (2) Remarque : la coupure sur M(tt) permet de s’affranchir des incertitudes à grand p T Systématiques (en cours): Génération : fragmentation du b, ISR, FSR, PDF, m top, BdF Reconstruction : b-tag, jets (taille du cône, calibration), acceptance, … Coupures de sélection (p T,  ), de qualité (  M W,  M t ), M(tt) Incertitudes théoriques…

17 La Londe 03/05/04Correlation de spin17 4. Résultats au Tevatron Première mesure de la corrélation de spin par D0 : dans la base non –diagonale (optimale) pour les décroissances dileptoniques Résultats (RUN I, 125 pb -1 ) : 6 événements C off >-0.25 à 68% CL (théorie : ~0.8 NLO) Perspectives : A la fin du Run II (2fb -1 ), 150 événements C mesuré avec une précision de ~ 0.4 C’’est la première limite sur C !

18 La Londe 03/05/04Correlation de spin18 5. Conclusions et perspectives Effort théorique important pour offrir un cadre adapté à l’étude des corrélations de spin au Tevatron et au LHC. LHC produira une grande statistique de top  sensibilité aux effets fins dans la production des paires tt à faible luminosité ATLAS peut mesurer une corrélation de spin entre quark top et anti-top mais encore beaucoup de travail … Développements connexes : polarisation des ‘single tops’, effets de la physique au-delà du modèle standard, lien avec la production de Higgs dans le canal (ttH), …