Etude des algorithmes de reconstruction des jets dans le détecteur CMS Loïc Quertenmont Université Catholique de Louvain FYNU – Le 14 Mai 2007

14/05/2007Loïc Quertenmont2 Outline Algorithmes de Jets  Définition d’un jet  MidPointCone  Kt / FastJet  Niveaux d’utilisation Reconstruction de la Masse du Z / Z’  Echantillons, Simulation, Reconstruction  Niveau Partonique  Niveau Hadronique  Niveau Détecteur Conclusions

Algorithmes de Jets

14/05/2007Loïc Quertenmont4 Algorithmes de Jets : Définition Jet : gerbe collimatée de particules créées par hadronisation des partons Répartition de l’énergie entre les particules : Hadrons chargés 60% Hadrons neutres Long temps de vie(K L, …)10% Court temps de vie(`V 0 `) 5% Photons ( π 0, …)25% 75% Hadrons

14/05/2007Loïc Quertenmont5 R 1.Met un cône de rayon R centré sur chaque seed → proto-jet 2.Calcule le centroïde du cône 3.Recentre le cône sur le centroïde Itère jusqu’à ce qu’un cône stable soit trouvé 4.Rajoute des cônes entre chaque paire de proto-jets séparés par une distance inférieure à 2R (MidPoint) itère jusqu’à ce que des cônes stables soient trouvés Algorithmes de Jets : MidPointCone E T,seed ~ 1 GeV L’algorithme commence avec une liste de seeds (E T,cluster > E T,seed ~ 1 GeV)

14/05/2007Loïc Quertenmont6 Algorithmes de Jets : MidPointCone !!! Des cônes peuvent se superposer !!! → Fusion/Division des cônes Sif = 75%fusionnés Si les cônes partagent plus de f = 75% de leurs énergies, ils sont fusionnés Sinonau cône le plus proche Sinon l’énergie partagée est assignée au cône le plus proche L’utilisation des seeds rend l’algorithme sensible aux effets infrarouges et colinéaires L’ajout des MidPoints diminue cette sensibilité 3 paramètres : E T,seed, R, f L’impulsion du jet est déterminée en utilisant le modèle de recombinaison E :

14/05/2007Loïc Quertenmont7 1.Calcule la distance entre les particules i et j ( d ij ) Calcule la distance d i 2.Recherche la plus petite distance d min parmi les d ij et d i Si d ij est le minimum →Les particules i et j sont combinées Si d i est le minimum→La particule i est un jet 3.Si il reste des particules : recommence à partir de 1. Algorithmes de Jets : K T L’algorithme commence avec une liste de preclusters Un seul paramètre : D Insensible aux effets infrarouges et colinéaires par construction 2

14/05/2007Loïc Quertenmont8 Algorithmes de Jets : K T Les particules avec un faible P T sont d’abord recombinées Les particules proches dans l’espace η – φ sont d’abord recombinées Quand une particule est loin de toutes autres particules, cette particule est un jet Les jets sont créés avec un η décroissant Un seul paramètre : D Insensible aux effets infrarouges et colinéaires par construction 2

14/05/2007Loïc Quertenmont9 Algorithmes de Jets : FastJet Algorithme: FastJet=K T Implémentation : FastJet ≠K T Idée : À chaque itération K T recalcule toutes les distances d i et d ij Beaucoup n’ont pas changés voisin géométrique Si i et j forment le plus petit d ij et P T,i < P T,j → j est le plus proche voisin géométrique ( G(i) ) de i dans l’espace η – φ Il ne faut calculer les distances que entre i et son plus proche voisin G(i) KT : N x O(N x N) opérations > < FastJet : N x O(N) opérations (d ij, d i ) (d iG(i), d i ) M. Cacciari, G. Salam : hep-ph/

14/05/2007Loïc Quertenmont10 Algorithmes de Jets : FastJet Utilisation des diagrammes de Voronoï O(N 2 )O(N lnN) M. Cacciari, G. Salam : hep-ph/

14/05/2007Loïc Quertenmont11 Algorithmes de Jets : FastJet PUS FastJet ajoute une méthode pour soustraire le pile-up Idée : mesurer la densité d’impulsion transverse due au pile-up soustraire l’E T en fonction de leur aire soustraire l’E T du pile-up à l’E T des jets en fonction de leur aire N particules fantômes sont rajoutées dans la région du détecteur (d’aire A) L’aire qu’occupe en moyenne un fantôme est A / N Les jets sont calculés avec FastJet ’airenombre de fantômes L’aire des jets est mesurée en comptant le nombre de fantômes à l’intérieur du jet Matteo Cacciari Hep-ph/ V1

14/05/2007Loïc Quertenmont12 Algorithmes de Jets : FastJet PUS densité d’E T est uniforme À l’exception des jets durs, la densité d’E T est uniforme La densité moyenne est calculée par une médiane (soucis de rapidité) A l’impulsion de chaque jet est soustraite une quantité d’énergie transverse proportionnelle à l’aire du jet C’est une méthode de soustraction du pile-up événement par événement M. Cacciari, G. Salam : hep-ph/

Niveaux d’utilisations des Algorithmes

14/05/2007Loïc Quertenmont14 Niveaux d’utilisations : Hadrons / Calo Les hadrons Les hadrons ● Ils sont pris après Pythia ● Seules les particules stables sont considérées (c  > 10 mm) ● genParticlesAllStable Les CaloTowers Les CaloTowers ● Le modèle B est utilisé pour les seuils ● caloTowers HadronJets = ParticleJets Coupure en GeV CaloJets

14/05/2007Loïc Quertenmont15 Niveaux d’utilisations : Tracks / PFlow Les Tracks Les Tracks ● Les traces sont reconstruites, (E,η,φ) → (E,P x,P y,P z ) ● Elles sont converties en candidats particules (m = 0) ● allTracks Le Particle Flow Le Particle Flow : (Principe) Toutes les particules qui constituent le jet sont reconstruites Utilisation de tous les détecteurs (et principalement le tracker) Le tracker a une meilleure résolution que les calorimètres pour des particules de moins de 200 GeV 60% des particules des jets sont chargées TrackJets PFlowJets Tracker ECAL HCAL

14/05/2007Loïc Quertenmont16 Niveaux d’utilisations : Energie Moyenne Événements ttbar Événements Minimum Bias L’énergie des Hadrons est largement en dessous de 200 GeV Kaon p et n Sigma Pions Chi Photons Energie moyenne des particules après Pythia

14/05/2007Loïc Quertenmont17 Colin Bernet 1.Création des éléments Cluster ECAL Cluster HCAL Traces 2.Construction récursive des Blocs Un élément est ajouté à un bloc si il est topologiquement connecté à au moins un élément du bloc Un élément de ECAL est connecté à un élément HCAL si χ 2 < χ 2 max (un paramètre) Niveaux d’utilisations : PFlow

14/05/2007Loïc Quertenmont18 Niveaux d’utilisations : PFlow Hadrons chargés, Hadrons neutres, Photons 3.Création des candidats particules : Hadrons chargés, Hadrons neutres, Photons Pour chaque trace Crée un hadron chargéCrée un hadron chargé Boucle sur tous les clusters ECAL connectés et les verrouille Trouve le cluster hadronique le plus proche et brise le lien entre la trace et les autres clusters hadroniques Pour chaque cluster ECAL (non verrouillé) Crée un photonCrée un photon (la calibration ECAL est utilisée) Pour chaque cluster HCAL Calcule la quantité d’énergie provenant des particules chargées (grâce aux traces) Crée un hadron neutreSi l’énergie du cluster hadronique est supérieure à l’énergie des particules chargées : Crée un hadron neutre (la calibration HCAL est utilisée) Colin Bernet hadron chargé hadron chargé hadron neutre hadron chargé hadron neutre photonhadron chargé photon hadron chargé hadron neutre

Reconstruction de la Masse du Z / Z’

14/05/2007Loïc Quertenmont20 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Echantillons, Simulation Evénements générés par MadGraph/MadEvent + Pythia Parton showerON HadronizationON Multiple interactionOFF 91.18/2.49 GeV ►10K Evts pp > Z > jj, Z mass/width 91.18/2.49 GeV 700.0/10.0 GeV ►10K Evts pp > Z’ > jj, Z’ mass/width 700.0/10.0 GeV Simulation & Reconstruction complètes avec CMSSW PFlow ►~7K Evts for Z + ~ 5K Evts with pile-up ►~5K Evts for Z’+ ~ 5K Evts with pile-up Low Luminosity pile-up : ~ 5 événements MinBias par croisement (25ns) Echantillons officiels CMSSW123 + rereco avec 130 Collection MinBias de 300K Evts

14/05/2007Loïc Quertenmont21 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Reconstruction Jet hadronique avec les paramètres par défaut  inputEtMin = 0.0 GeV CaloJet, TrackJet, PFlowJet avec les paramètres par défaut  inputEtMin = 0.5 GeV MidPointCone avec 6 différents rayons  R = 0.4, …, 0.9  E T,Seed = 1 GeV  f = 75% FastJet avec 6 différents « rayons » ( et avec PU substraction )  D = 0.4, …, 0.9  Ghost_EtaMax = 6  GhostArea = 0.01 = Jet hadronique = Jet composé des particules de Pythia

Reconstruction de la Masse du Z / Z’ Niveau partonique

14/05/2007Loïc Quertenmont23 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Partons Les deux partons qui proviennent de Z / Z’ sont sélectionnés Marquons les q 1, q 2 La masse est reconstruite La masse et la largeur sont déterminées en fittant une Breit-Wigner dans la région [M-1.25 σ, M+1.25 σ] Coupure en Eta : -1 < q 1,q 2 < +1 BW(E)  Z Z’ Valeur théorique : M = W = 2.49 Valeur théorique : M = W = 10.0

14/05/2007Loïc Quertenmont24 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Matching to Partons Pour ne pas détériorer la résolution des dijets avec des problèmes de sélection, Les deux partons q1, q2 sont utilisés pour sélectionner les jets j 1 et j 2 sont tels que d(q 1,j 1 ) + d(q 2,j 2 ) est minimal avec d 12 = sqrt( (η 1 – η 2 ) 2 + (φ 1 – φ 2 ) 2 ) Sélection des événements dijets matchés : E T,j1 > 10 GeV,d(q 1,j 1 ) < 0.3 E T,j2 > 10 GeV,d(q 2,j 2 ) < 0.3 les dijets qui matchent sont utilisés pour la reconstruction de la masse L’efficacité de matching est définie comme : ε = N événements-dijets-matchés / N total

Reconstruction de la Masse du Z / Z’ Niveau hadronique

14/05/2007Loïc Quertenmont26 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Jets hadroniques : Efficacité Z Z’ Efficacité ~ Qualité de la reconstruction angulaire ~ 70–75 % ~ 80 %

14/05/2007Loïc Quertenmont27 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Jets hadroniques : Masse et Largeur du Z R= et D=0.5 semble donner la meilleure reconstruction Reconstruction similaire pour MidPoint et FastJet Largeur relative en fonction de la masse reconstruite La ligne horizontale correspond à la valeur optimale de la largeur relative Les barres d’erreurs sont des erreurs de fitting. Z

14/05/2007Loïc Quertenmont28 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Jets hadroniques : Masse et Largeur du Z’ R/D = 0.7 semble donner la meilleure reconstruction au niveau hadronique Reconstruction similaire pour MidPoint et FastJet Z’ Largeur relative en fonction de la masse reconstruite La ligne horizontale correspond à la valeur optimale de la largeur relative Les barres d’erreurs sont des erreurs de fitting.

Reconstruction de la Masse du Z / Z’ Niveau détecteur

14/05/2007Loïc Quertenmont30 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : CaloJets : Efficacité Z Z’ ~ 50–60 % ~ 80 % Efficacité ~ Qualité de la reconstruction angulaire Niveau Hadronique

14/05/2007Loïc Quertenmont31 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : CaloJets : Masse et Largeur du Z/Z’ La masse reconstruite est très inférieure à la masse du Z / Z’ La reconstruction de la masse dépend du jet energy scale (JES) Z Z’ Niveau Hadronique

14/05/2007Loïc Quertenmont32 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : TrackJets : Efficacité ZZ’ ~ %~ 66 % Niveau Hadronique Efficacité ~ Qualité de la reconstruction angulaire

14/05/2007Loïc Quertenmont33 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : TrackJets : Masse et Largeur du Z/Z’ Seuls ~60% de l’énergie sont mesurés, la masse reconstruite doit être multipliée par 1/0.6 = 1.66 Très bonne reconstruction de la masse M Z : ~54 → ~90 Mauvaise reconstruction de la masse M Z’ : ~545 → ~904  Grande largeur relative Z Z’ W/M ~ 0.6W/M ~ 0.9–1.0 Niveau Hadronique Niveau Calo

14/05/2007Loïc Quertenmont34 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : PFlowJets : Efficacité ZZ’ ~ 65 %~ 72 % ε Track < ε Calo < ε PFlow ε Track < ε PFlow < ε Calo Niveau Hadronique Efficacité ~ Qualité de la reconstruction angulaire

14/05/2007Loïc Quertenmont35 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : PFlowJets : Masse et Largeur du Z/Z’ Mauvaise reconstruction pour Z’ probablement due aux Traces W/M meilleur que pour les TrackJets, car M ~ 880 !!! Meilleur reconstruction de la masse que pour les CaloJets et largeur relative identique au CaloJets (W/M ~ ) Z Z’ W/M ~ W/M ~ 0.5–0.8 Niveau Hadronique Niveau Calo

14/05/2007Loïc Quertenmont36 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Tous Niveaux : Masse et Largeur du Z Z CaloJets TrackJets PFlowJets HadronJets Le particle flow améliore la reconstruction de la masse  Largeur relative identique à celle des CaloJets  Masse reconstruite plus proche de la masse du Z Les TrackJets permettent de reconstruire la masse correctement, mais avec une grande largeur relative

14/05/2007Loïc Quertenmont37 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Niveaux Détecteur : Masse et Largeur du Z Z PFlow Calo Track

14/05/2007Loïc Quertenmont38 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Tous Niveaux : Masse et Largeur du Z’ Z’ CaloJets TrackJets PFlowJets HadronJets Le particle flow n’améliore pas la reconstruction de la masse  Largeur relative détériorée par rapport aux CaloJets  Masse reconstruite trop grande Mauvaise reconstruction de la masse avec les TrackJets Mauvaise reconstruction des traces (Grand P T )

14/05/2007Loïc Quertenmont39 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Niveaux Détecteur : Masse et Largeur du Z’ Z’ PFlow Calo Track TrackJets et PFlowJets semble avoir un problème commun Reconstruction des traces

Désintégration hadronique du Z/Z’ et reconstruction de sa masse Niveau détecteur + Corrections

14/05/2007Loïc Quertenmont41 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : CaloJets Corrections Z’Z Les corrections sont calculées à partir d’outils Monte Carlo Elles sont appliquées sur les jets reconstruits E T, η, algorithme, R/D Elles dépendent de E T, η, algorithme, R/D PFlow Calo+Cor Calo Calo+Cor PFlow Calo

Désintégration hadronique du Z/Z’ et reconstruction de sa masse Niveau détecteur sans matching

14/05/2007Loïc Quertenmont43 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Niveau Détecteur sans matching j 1 et j 2 sont les deux jets avec le plus grand p T Sans Matching → j 1 et j 2 sont les deux jets avec le plus grand p T Distance jet / parton pour des jets reconstruits avec FastJet D=0.7 au niveau calorimétrique Z 0.3 Les jets sélectionnés restent proches des partons CaloJets

14/05/2007Loïc Quertenmont44 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Niveau Détecteur sans matching La pureté est définie comme : p = N événements -dijets / N total Z’ Z CaloJets PFlowJets TrackJets HadronJetsCaloJets PFlowJets TrackJets HadronJets Sélection des événements dijets : E T,j1 > 10 GeV,d(q 1,j 1 ) < 0.3 E T,j2 > 10 GeV,d(q 2,j 2 ) < 0.3 Pureté ~ Efficacité

14/05/2007Loïc Quertenmont45 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Niveau Détecteur sans matching sur Z  tout ce qui a été dit reste valide ! ZZ Avec Matching Sans Matching

14/05/2007Loïc Quertenmont46 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : Niveau Détecteur sans matching sur Z’ Z’ Avec Matching Sans Matching  tout ce qui a été dit reste valide !

Désintégration hadronique du Z/Z’ et reconstruction de sa masse Niveau détecteur sans matching avec pile-up

14/05/2007Loïc Quertenmont48 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : CaloJets avec pile-up sans matching FastJet UES = FastJet avec la soustraction du pile-up Sans pile-up FastJet UES La méthode de soustraction du pile-up marche !!! CaloJets on Z

14/05/2007Loïc Quertenmont49 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : CaloJets avec pile-up sans matching Soustraction Z PU NoPU PU + PUS

14/05/2007Loïc Quertenmont50 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : CaloJets avec pile-up sans matching Sans pile-up FastJet UES La méthode de soustraction du pile-up marche !!! CaloJets on Z’ FastJet UES = FastJet avec la soustraction du pile-up

14/05/2007Loïc Quertenmont51 Reconstruction de la masse du Z/Z’ : PFlowJets avec pile-up sans matching FastJet UES = FastJet avec la soustraction du pile-up Sans pile-up Pourquoi la méthode PUS marche moins bien sur les PFlowJets ? PFlowJets on Z FastJet UES La région active du PFlow est -1.5 < Eta < 1.5, or des particules fantômes sont rajoutées dans la région -6 < Eta < 6 La densité d’E T due au pile-up est artificiellement diminuée

Conclusion

14/05/2007Loïc Quertenmont53 Conclusion FastJet > MidPointCone  FJ ~ MPC pour les performances  FJ est plus rapide (CPU) + FJ PUS  FJ est plus simple, IR et Collinear Safe par construction Particle Flow  Toujours en développement (Bugs ?, Electrons !)  Meilleur que les calorimètres seuls dans le cas de Z (Trace ?, double comptage ?)  Mauvaise reconstruction de la masse du Z’ (Trace ?, double comptage ?) Track Jets  Bonne reconstruction de la masse du Z, mais grande largeur  Pose problème pour les jets de grands P T Pile-up Substraction  Méthode très performante sur les CaloJets Ghost Eta Max = 1.5  À re-tester dans le cas des PFlowJets (Ghost Eta Max = 1.5) Corrections (Monte Carlo !)  Aussi performantes que PFlow pour Z, très performantes pour Z’ (Monte Carlo !)  Plus de corrections (FJ), plusieurs valeurs du rayon

14/05/2007Loïc Quertenmont54 Outlook FastJet PUS Continuer à tester FastJet PUS  avec différents « GhostEtaMax »  en supprimant la coupure « inputEtMin » outils de reconstruction Tester et comparer avec d’autres outils de reconstruction  nettoyage des collections de jets (A. Giammanco) masse du top Wttbar Tester les performances des algorithmes pour la reconstruction de la masse du top, du boson vecteur W et sur la masse invariante ttbar pile-up substractiontours calorimétriques Tester une méthode de pile-up substraction au niveau des tours calorimétriques  Supposer améliorer la reconstruction angulaire des jets  Supposer éviter les fusions de jets dues au pile-up

14/05/2007Loïc Quertenmont55 MerciMerci

Backup Slides

14/05/2007Loïc Quertenmont57 Backup Slides : PFlow

14/05/2007Loïc Quertenmont58 Backup Slides : PFlow Cartes des résolutions utilisées par ECAL / HCAL Colin Bernet Mesuré avec FAMOS

14/05/2007Loïc Quertenmont59 Backup Slides : Track Energy Traces reconstruites avec un P T > 1GeV dans la région -1.5 < Eta < 1.5 eta phi Et 1.43 eta phi Et 1.18 eta phi Et 1.47 eta phi Et 1.05 eta phi Et 2.24 eta phi Et 4.02 eta phi Et 1.35 eta phi Et 2.75 eta phi Et 3.76 eta phi Et 6.85 eta phi Et 2.68 eta phi Et 1.16 eta phi Et 1.98 eta phi Et 1.17 eta phi Et 1.36 eta phi Et 3.38 eta phi Et 1.83 eta phi Et 1.55 eta phi Et 2.62 eta phi Et 1.16 eta phi Et 1.31 eta phi Et 1.73 eta phi Et 9.35 eta phi Et 1.21 eta phi Et 2.93 eta phi Et 1.97 eta phi Et 1.77 eta phi Et 1.25 eta phi Et 1.26 eta phi Et 3.19 eta phi Et eta phi Et 1.09 eta phi Et 1.34 eta phi Et 1.14 eta phi Et 1.54 eta phi Et 1.42 eta phi Et 2.64 eta phi Et 1.48 eta phi Et 1.49 eta phi Et 8.20 Z NoPU eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et 7.63 eta phi Et 5.89 eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et 5.87 eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et 9.43 eta phi Et eta phi Et eta phi Et eta phi Et 9.30 Z’ NoPU

14/05/2007Loïc Quertenmont60 Backup Slides : Entrées des algorithmes NoPU Z

14/05/2007Loïc Quertenmont61 Backup Slides : Entrées des algorithmes NoPU Z

14/05/2007Loïc Quertenmont62 Backup Slides : Entrées des algorithmes NoPU Z

14/05/2007Loïc Quertenmont63 Backup Slides : Entrées des algorithmes NoPU Z’

14/05/2007Loïc Quertenmont64 Backup Slides : Entrées des algorithmes NoPU Z’

14/05/2007Loïc Quertenmont65 Backup Slides : Entrées des algorithmes NoPU Z’

14/05/2007Loïc Quertenmont66 Backup Slides : FastJet UES Z NoPU FastJetLowPU FastJetLowPU FastJet UES

14/05/2007Loïc Quertenmont67 Backup Slides : FastJet UES Z NoPU FastJetLowPU FastJetLowPU FastJet UES Fusion