Le quark top : du Tevatron au LHC Frédéric Déliot, Anne-Isabelle Etienvre DAPNIA/SPP

14 juin 2006 le quark top 2 Le quark top : une particule instructive! t t  j _ b W+W+ l +, j, j b q q _ _ W-W- 1. t t ̅ Section efficace de production Corrélations de spin 2. Caractéristiques du quark top masse, charge, spin, largeur Désintégration du top (et single top) |V tb | Rapports d’embranchement Désintégrations rares/non SM Couplages anormaux 3 4. Hélicité du W 4 Des caractéristiques particulières: masse (40 fois le b) désintégration avant hadronisation couplage de Yukawa proche de 1

14 juin 2006 le quark top 3 Plan de l’exposé Historique Le Tevatron et le LHC : description et statistiques Section efficace de production de paires t t ̅ Masse du quark top Production électrofaible du quark top Hélicité du W Et tout le reste… Conclusion

14 juin 2006 le quark top 4 Le top : des premières recherches à la découverte (1/3) Premières recherches directes  Découverte des quarks c et b dans les années 70 via les résonances q q ̅ (J/ ,  )  recherche du toponium t t ̅ (vers 27 GeV/c 2 !) avec le même principe  Auprès des collisionneurs e + e - : DESY-PETRA (1980),  s = GeV  m top > 30 GeV/c 2 LEP 1 (1989),  s = 91 GeV  m top > 45.8 GeV/c 2  Auprès des collisionneurs p p ̅ : UA1 et UA2 (1981 -> 1990),  s = 640 GeV  m top > 69 GeV/c 2 (« découverte » à 40 GeV/c 2 controversée puis infirmée) Tevatron (1990  1992),  s = 1.8 TeV  m top > 91 GeV/c 2

14 juin 2006 le quark top 5 Le top : des premières recherches à la découverte (2/3) Recherches indirectes Mesures de précision des observables sensibles aux corrections radiatives: où La découverte (1995) (D0 + CDF) m top = 176 ± 8 (stat.) ± 10 (syst.) GeV/c 2 (CDF) m top = 199 ± 19(stat.) ± 22 (syst.) GeV/c 2 (D0)  = K m top 2,  r résiduel = f(ln(m H 2 ))

14 juin 2006 le quark top 6 Le top : des premières recherches à la découverte (3/3) Evolution des prédictions et mesures

14 juin 2006 le quark top 7 Les collisionneurs (1/3) Le Tevatron Actuellement 8.2 fb fb fb -1 Design Base Performances actuelles: Luminosité instantanée:  1.5x10 32 cm -2 s -1 Luminosité intégrée délivrée: ~ 1.5 fb -1 Buts visés pour une augmentation de la luminosité: Luminosité instantanée: 3x10 32 cm -2 s -1 en 2007 Luminosité intégrée délivrée: 4.1 fb -1 (Base) fb -1 (Design)  ~ x statistiques du Run I ! Premières collisions le 9 juin 2006 Run IRun IIaRun IIb  s (TeV) L type (cm -2 s -1 ) L intégrée (pb -1 /semaine) Interactions/ croisement Luminosité délivrée (fb -1 )

14 juin 2006 le quark top 8 Les collisionneurs (2/3) Le LHC Démarrage (2007) Basse luminosité (2008) Régime nominal (2010)  s (TeV) 14 L type (cm -2 s -1 ) L intégrée (pb -1 /semaine) Interactions/ croisement 4719

14 juin 2006 le quark top 9 Les collisionneurs (3/3) Quelques chiffres Prise de donnéesLuminosité (cm -2 s -1 ) Luminosité intégrée (fb -1 ) Nombre d’événements inclusifs t  t produits Nombre d’événements W (  lv)+jets produits Démarrage LHC été jours : ≈ ≈ ≈ ≈ Basse luminosité au LHC jours : ≈ ≈ ≈ ≈ Haute luminosité au LHC jours : ≈ ≈ ≈ ≈ LHC: noir Tevatron: vert

14 juin 2006 le quark top 10 La production de paires tt ̅ tt ̅ : mode de production dominant (QCD):  Tevatron:~85%~15%  LHC:~10%~90% Section efficace de production (Modèle Standard, NLO):  Tevatron: 6.8 pb ± 15%(prod: evts/an)  LHC:833 pb ± 12%(prod: evts/an à basse luminosité)

14 juin 2006 le quark top 11 La désintégration du quark top Dans le Modèle Standard:  Br(t  Wb)  100%  Recherche en fonction des produits de désintégration du W Signatures / bruits de fond principaux: QCD (bb ̅ ) W+jets Z+jets Diboson, QCD Z+jets W+ jets Z  +jets WW+jets QCD (bb ̅ )

14 juin 2006 le quark top 12 Comparaison des sections efficaces Signal tt ̅ et bruit de fond: ProcessusTevatron (pb)LHC (pb) tt ̅ bb ̅ W+2jets WW WZ3.6823

14 juin 2006 le quark top 13 Mesure de la section efficace de production de paires tt ̅ Intérêt de la mesure:  maîtrise de la sélection et des bruits de fond  mesure indirecte de la masse du top:  (tt ̅ )/   5  m t /m t une mesure de  (tt ̅ ) à 5% correspond à une détermination de m t à 1% près (2 GeV)  recherche de phénomènes au delà du MS: résonance lourde se désintégrant en tt ̅ ex: topcolor, gg  H/A  tt ̅ (m H,A >2m t, faible tan  ) recherche de pic dans le spectre de masse invariante tt ̅ désintégration non standard du top ex: t  H + b, FCNC (vertex tgq), opérateurs de dimension > 4 recherche de déviation à Br(t  Wb)=100% (taux de production non standard)

14 juin 2006 le quark top 14 Canal lepton+jets Possibilité de reconstruire toute la cinématique Sélection:  trigger lepton de haut pt (+jets)  lepton isolé pt>20GeV  E ̸ t>20GeV  Tevatron: jets pt > 15 GeV, LHC: 4 jets pt > GeV (éventuellement: H t =  all object pt > 200GeV)  au moins un jet étiqueté b (b-tagged), CMS: 2 b-tagged par recherche de vertex déplacé et mesure de temps distance de vol Bruits de fond:  W+jets (Wbb ̅, Wcc ̅, Wc, W+light mistagged): normalisé sur les données, composition en quarks lourds venant du MC  non-W (QCD: fake lepton): à partir des données  Z+jets, diboson, …: MC normalisé sur les sections efficaces du MS Efficacité de b-tag (MC)

14 juin 2006 le quark top 15 Section efficace lepton+jets 365 pb -1 systématiques: Précision:  actuelle au Tevatron: ~ 15% (S/B~8)

14 juin 2006 le quark top 16 Section efficace lepton+jets systématiques: Précision:  attendue au LHC:10% (10 fb -1 ) (S/B~18) CMS:  Likelihood combinant plusieurs variables discriminantes: Ht, aplanarité, sphéricité, …

14 juin 2006 le quark top 17 Canal dilepton Pas de possibilité de reconstruire toute la cinématique (2 ’s) Sélection:  Trigger dilepton  Soit 2 leptons isolés bien identifiés  Soit 1 lepton + 1 track (isolés)  Tevatron: pt >15-20 GeV, LHC: pt > GeV  ee,  : veto anti-Z (|M ℓℓ -M z | >10 GeV), E ̸ t >20-40 GeV  2 jets Tevatron: pt >15-20 GeV, LHC: pt>25 GeV  eventuellement: H t =  pt 2jets +pt 2leptons > GeV  b-tagging nécessaire pour lepton+trace (pas pour dilepton au Tevatron) Bruits de fond  Z+jets (soit Z  ou fake E ̸ t)  WW/WZ  Fake lepton ou trace faussement isolée (QCD, W+jets)

14 juin 2006 le quark top 18 Section efficace dilepton Systématique la plus importante: jet energy scale Précision:  actuelle au Tevatron: ~ 25% (limitée par la statistique) grande amélioration avec lepton + track

14 juin 2006 le quark top 19 Section efficace dilepton Précision:  attendue au LHC: 5 -10% (10 fb-1) 10 fb -1 1 fb -1 CMS:

14 juin 2006 le quark top 20 Canal jets Sélection:  Trigger multijets (4 jets)  au moins 6 jets (pt >15-45 GeV)  coupures topologiques (centralité, aplanarité, Ht, …)  b-tagging essentiel: 2 jets b-tagged Bruits de fond  Processus QCD (évalués dans les données: avec les evts  4 jets)

14 juin 2006 le quark top 21 Section efficace tt ̅  jets Précision:  actuelle au Tevatron: 50%, S/B = 1/5

14 juin 2006 le quark top 22 Section efficace tt ̅  jets Précision:  LHC: 17% (sans discrimination multi-variable): S/B = 1/6 CMS:

14 juin 2006 le quark top 23 Recherche de résonance tt ̅ Canal lepton+jets  Reconstruction: M 2jets =M w, M ℓ E ̸ t =Mw, M wjet compatible avec M t  Tevatron: comparaison de la distribution de masse invariante tt ̅ avec la distribution attendue  LHC: recherche de pic en masse invariante tt ̅ découverte a 5 

14 juin 2006 le quark top 24 Recherche de H + Dans le MSSM, pour un H + plus léger que le top:  Possibilité: t  H + b (H + , H +  cs ̅ ou H +  Wh 0 ) en compétition avec t  Wb  Pas de possibilité de reconstruire directement H +  CDF: recherche d’anomalies dans les taux de production (à section efficace fixée): sélection lepton+jets ou dilepton  LHC: lepton+  hadronique + 2 jets b-taggés (H +  ) m A = 150 GeV  m H+ = 170 GeV (LO)

14 juin 2006 le quark top 25 Résumé: mesure actuelle de la section efficace tt ̅ 12% Perspectives:  au Tevatron: si même systématique, 4 fb -1 :  tt ̅ /  = 10 %  au LHC: 5-10% avec 10 fb -1

14 juin 2006 le quark top 26 Une mesure précise de la masse du quark top: motivations Les observables électrofaibles dépendent fortement de la valeur de la masse du top (via les corrections radiatives)  Haute précision sur m t 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) : m t = ± 2.7 GeV/c 2 m H < 186 GeV/c 2 (95% C.L.) Qu’apporterait  m t ~ 1 GeV/c 2 ?  Si  m W = 15 MeV/c 2, m top = 175 GeV/c 2 et pour les valeurs actuelles de   (  m H /m H  32%) (  m H /m H  25%)   Si  m W = 15 MeV/c 2 et  (  m H /m H  25%)

14 juin 2006 le quark top 27 Les principales sources d’erreurs systématiques Echelle d’énergie des jets  jets légers : méthode de calibration in-situ (contrainte de la masse du W)  réduction de cette systématique  jets b: contribution importante Radiations dans l’état initial (ISR) et dans l’état final (FSR):  ISR : augmente le bruit de fond combinatoire, et biaise la masse  FSR : augmente le bdf combinatoire, et sous-estime l’énergie des jets dans l’état final  biais dans la masse  Estimées sur Monte-Carlo au Tevatron Contribution du bruit de fond  incertitude liée au bruit de fond QCD  paramétrisation de la forme du bruit de fond

14 juin 2006 le quark top 28 Mesure dans le canal lepton + jets Sélection des événements :  1 lepton isolé, p T > 20 GeV/c  E T miss > 20 GeV  ≥ 4 jets (p T > 15 GeV/c Tevatron, > 40 GeV/c LHC)  b-tagging : 0, 1 ou 2 au Tevatron, 2 au LHC Reconstruction de l’état final :  Association de chacun des jets et du lepton à l’un des deux quarks top (ajustement cinématique)  Calibration in-situ de l’énergie des jets légers (contrainte de m W )  Efficacité résultante :  6% Tevatron (1 b-tag),  1% au LHC (2 b-tags) Mesure de la masse du quark top :  Méthode des templates  Eléments de matrice  Autres méthodes, moins performantes pour l’instant, non présentées ici S/B (W +jets, QCD) 11 (Tevatron, 2 b-tags) 30 (LHC, 2 b-tags) (LHC)

14 juin 2006 le quark top 29 Mesure dans le canal lepton + jets Méthode des templates (Tevatron)  Distributions MC de masses (top, jj) déterminées pour le signal et le bruit de fond W + jets, puis ajustées sur les données  Erreur sur l’échelle en énergie des jets légers (JES) réduite CDF Templates Application aux données

14 juin 2006 le quark top 30 Mesure dans le canal lepton + jets Méthode des éléments de matrice  Au Run I, mesure la plus précise de la masse du top (D0)  Ajustement simultané de m top, du nombre d’événements de signal et de l’échelle en énergie des jets légers  réduction de la contribution de l’échelle en énergie des jets légers à l’erreur systématique sur m top Coefficient de JES : ± Minimisation de –ln L(m top, JES)

14 juin 2006 le quark top 31 Mesure dans le canal lepton + jets Au LHC :  fit cinématique  principal enjeu : réduction des erreurs systématiques liées à l’échelle d’énergie des jets b et à la contribution des FSR Pour une masse générée = 175 GeV/c 2 : M(top) = ± 0.6 GeV/c 2  top  = 11.9 ± 0.7 GeV/c 2 Wrong b or W Wrong W Erreur statistique (pour 10 fb -1 ) : 0.05 GeV/c 2 Erreur systématique : 1 GeV/c 2

14 juin 2006 le quark top 32 Mesure dans le canal dileptons Très peu de bruit de fond Etat final à 2 neutrinos  reconstruction directe impossible Sélection des événements analogue à celle faite pour la mesure de la section efficace Méthodes:  Templates : plusieurs solutions pour la reconstruction cinématique de l’état final, pondérées calcul de la probabilité en intégrant sur la variable non contrainte puis même principe que pour le canal l + jets, sans calibration in-situ des jets légers  Éléments de matrice : pour chaque événement, probabilité calculée (cf l+jets) intégrée sur les différentes inconnues cinématiques M top = ± 10.7 (stat.) ± 6.0 (syst.)

14 juin 2006 le quark top 33 Mesure dans le canal dileptons Au LHC :  Reconstruction de l’état final: pondération des différentes solutions ( ) à partir de distributions MC cinématiques  poids optimal pour une masse donnée  Itération pour différentes masses du top poids m top

34 Mesure dans le canal « jets » Avantages :  Reconstruction complète de l’événement possible  Statistique élevée Inconvénient :  Bruit de fond QCD important (S/B  au LHC avant coupures) Principe :  Coupures sévères (efficacité ≈ 0.08% au LHC  S/B  10)  Reconstruction de l’état final par un ajustement cinématique M top = ± 4.9 (stat.) ± 4.7 (syst.) (QCD bkg) ATLAS, fast sim. Erreur  m top (GeV/c 2 ) JES0.8 b-jet energy scale0.7 b-quark fragmentation0.3 ISR0.4 FSR2.8 TOTAL3

14 juin 2006 le quark top 35 Mesure dans le canal l+jets avec J/Psi Principe (CMS)  B.R. =  étude menée à bien à haute luminosité uniquement  Reconstruction de la masse invariante lJ/   Corrélation entre M(lJ/  ) et M(top) M lJ/  Identification de la charge Erreur statistique : 1 GeV/c 2 pour cm -2 s -1 Erreur systématique : 0.8 GeV/c 2

le quark top 36 Masse du top : résumé Mesures au Tevatron Précision attendue au LHC (10 fb -1 ) l +jetsdi-leptonjets ATLAS (stat.) ATLAS (syst.) CMS (stat.) CMS (syst.)  Le canal lepton + jets est le « canal en or »  Précisions comparables attendues au Tevatron en 2009 (avec 8 fb -1 ) et au LHC avec 10 fb -1 (  1 GeV/c 2 )  Enjeu pour le LHC : réduire l’erreur systématique sur la JES (+ FSR) 1.3 %

14 juin 2006 le quark top 37 Le top célibataire (single top) mode de production électrofaible  prévu par le MS, non encore découvert voie s voie t voie Wt Tevatron: 0.9  8% pb 2  12% pb 0.09  26% pb LHC: 10  8% pb 245  12% pb 60  26% pb recherche avec désintégration leptonique du W

14 juin 2006 le quark top 38 Etude de la production de single top intérêt:  Unique possibilité de mesurer directement l’élément |V tb | 2 de la matrice CKM (proportionnel à la section efficace de production)  Test de la structure V-A du couplage Wtb (par ex, mesure de la polarisation du spin du single top), présence de FCNC (ug  t)  Bruit de fond irréductible pour la production de Higgs  Recherche de phénomènes au-delà du modèle standard (taux de production non standard, ex: W’, FCNC, modèle V+A) important de mesurer les différentes voies indépendamment Bruits de fond principaux:  tt ̅: 6.8 pb (Tevatron), 833 pb (LHC)  Wbb ̅: pb (Tevatron), 300 pb (LHC)  Wjj: 1300 pb (Tevatron), pb (LHC)  Diboson (WW,WZ)+jets  multijets

14 juin 2006 le quark top 39 Extraction du signal single top au Tevatron Pre-sélection (voie s et t):  Trigger lepton ou lepton+jet  Un lepton isolé pt > GeV  E ̸ t > GeV  Entre 2 et 4 jets. Possibilité d’un veto tt ̅ : exactement 2 jets  Au moins un jet b-taggé Evaluation des bruits de fond:  multijets: à partir des données  W+jets, Wbb ̅ : MC, normalisé sur les données (b-mistag mesuré dans les données)  tt ̅ et diboson: MC Extraction du signal:  Likelihood  Réseau de neurones

14 juin 2006 le quark top 40 Approche par Likelihood Direct determination of the tWb vertex (=V tb ) Discriminants: - Jet multiplicity (higher for Wt) -More than one b-jet (increase W* signal over W- gluon fusion) -2-jets mass distribution (m jj ~ m W for the Wt signal only) Variables:  Pt des jets, Ht  Masses invariantes (jets, W)  Angles (jets, jet-lepton)  Sphéricité, centralité  Q lepton   non-b jet  b-tagging 2 likelihoods:  D0: 2 likelihoods: signal/tt ̅ et signal/W+jets  CDF: voie s et voie t

14 juin 2006 le quark top 41 Distributions de likelihood Direct determination of the tWb vertex (=V tb ) Discriminants: - Jet multiplicity (higher for Wt) -More than one b-jet (increase W* signal over W- gluon fusion) -2-jets mass distribution (m jj ~ m W for the Wt signal only)

14 juin 2006 le quark top 42 Résultats: Recherche de single top au Tevatron Meilleures limites actuelles:  D0:  t < 4.4 pb,  s < 5.0 pb (370 pb -1 )  CDF:  s+t < 3.4 pb,  t < 3.1 pb,  s < 3.2 pb (700 pb -1 ) Perspectives:  La production électrofaible de top (voie s et t) serait certainement mis en évidence au Tevatron

14 juin 2006 le quark top 43 Le single top au LHC la voie t Sélection:  Un lepton isolé pt > GeV  Exactement 2 jets, un central (b-taggé) et un vers l’avant (réduction du bdf tt ̅ )  E ̸ t > 40 GeV, coupure sur Ht(  jets ou  objects)  Masse reconstruite compatible avec Mt (réduction du bdf Wjj) Résultat attendu:  Atlas: 30 fb-1: S/B = 3.1, erreur stat: 0.71% erreur sur V tb : 0.36%  CMS: 10 fb -1  t /  = 2.7% (stat)  8% (sys)  5% (lumi) = 10 %

14 juin 2006 le quark top 44 Le single top au LHC la voie s Sélection:  Un lepton isolé pt > GeV  Exactement 2 jets b-taggés pt > GeV (réduction du bdf tt ̅ )  E ̸ t > 30 GeV, coupure sur Ht(  jets ou  objects)  Masse reconstruite compatible avec Mt (réduction du bdf Wjj) Résultat attendu:  Atlas: 30 fb-1: S/B = 0.46, erreur stat: 5.4% erreur sur V tb : 2.7%  CMS: 10 fb -1  s /  = 18% (stat)  31% (sys)  5% (lumi) = 36 %

14 juin 2006 le quark top 45 Le single top au LHC la voie Wt Non observable au Tevatron Possibilité d’observation dans le canal dileptonique Sélection:  Un lepton isolé pt > GeV  Exactement 3 jets pt > GeV (réduction du bdf non top)  Exactement un jet b-taggé  coupure sur Ht(  objects)>300 GeV  Masse reconstruite compatible avec Mt (réduction du bdf Wjj) Résultat attendu:  Atlas: 30 fb-1: S/B = 0.22, erreur stat: 2.8% erreur sur V tb : 1.4%  CMS: 10 fb -1 :  Wt /  = 7.4% (stat)  25% (sys)  5% (lumi) = 27%

14 juin 2006 le quark top 46 Résumé: recherche de la production de top célibataire Production électrofaible du top:  Non encore observée  Tevatron: observation des voies s-t sans doute cette année ou l’année prochaine précision de mesure des sections efficaces voies s-t: ~ 25 % (2-4 fb -1 )  LHC: précision de mesure des sections efficaces voies s-t: ~ 10% - 35% (10 fb -1 ) voie Wt accessible seulement au LHC

14 juin 2006 le quark top 47 Polarisation du W Motivation: utiliser la désintégration du top pour étudier la polarisation du W (dans les événements t t ̅ )  dans le Modèle Standard, deux états d’hélicité : F - = 0.297, F 0 = (LO)  étude de la polarisation du W:  couplages tWb anormaux  deux distributions discriminantes: p T (lepton) angle(lepton, direction du W) t b W t W b t W b t b W Left-handed W ( W =-1 ) Longitudinal W ( W =0 ) Right-handed W ( W =+1 )

14 juin 2006 le quark top 48 Polarisation du W Résultats du Tevatron: Perspectives pour le LHC: mesure de la polarisation à 1 ~ 2 10 fb -1 L=230 pb -1 Pas de déviation % MS

14 juin 2006 le quark top 49 La charge du quark top Jamais mesurée directement : 2/3 a priori, mais - 4/3 (t  W - b) envisagée dans certains modèles Au Tevatron: mesure via la mesure de la charge des jets b AU LHC :  production radiative t t ̅, ou désintégration radiative du top  charge des jets b  mesure possible avec 10 fb -1 jet e,  b-jet B-jet jet MET Q t = - 4/3 e 94% C.L.

14 juin 2006 le quark top 50 Et tout le reste… Couplages anormaux  t  H + b  FCNC (t  Zq, t   q, t  gq), fortement défavorisés dans le MS (BR  – ), moins dans le MSSM (10 -8 – ), encore moins dans d’autres modèles (10 -3 – ): le LHC pourrait sonder des BR de l’ordre de Couplage de Yukawa (y t )  Via la production ttH (précision de  20 % attendue au LHC) BR(t  Wb) et V tb  Via le rapport R 2b /R 1b = |V tb | 2 Corrélations de spin (  violation CP ?)

14 juin 2006 le quark top 51 Conclusion Complémentarité du Tevatron et du LHC Vers l’ILC (  (tt) = 1 pb, 350 GeV <  s < 1 TeV)  Masse (au seuil) : précision de l’ordre de 120 MeV/c 2  Section efficace : précision de l’ordre de 3 %  Couplage de Yukawa  Sensibilité aux couplages anormaux -1 LHC: buts pour 10fb -1 Masse≈ 1 %<1% Section efficace10%<10%? Propriétés du top BR(t  Wb) Hélicité du W Corrélations de spin Charge FCNC 20% 40% _ Exclut -4/3 Limites Erreur stat. négligeable 2% 4% Exclut -4/3 Limites améliorées x 100 Single TopDécouverte à 5  ? Mesure à 25 % Mesure à  10% + voie Wt