Top, Single Top et la Recherche de Nouvelle Physique au LHC Séminaire LPC – Julien Donini, LPSC Grenoble

Julien Donini Le Quark Top 2 Les particules élementaires Masse ~ 172 GeV Spin=1/2 Charge=+2/3 Production: paires t-tbar, single-top Durée vie: s << Λ -1 QCD  Le top se désintègre avant hadronisation BR(t  Wb) ~ 100% (MS) Un 6 ème quark aux propriétés uniques

Julien Donini Tour d’Horizon La physique du quark top  30 ans d’histoire  Production et désintégration du quark top  Recherche d’une physique au-delà du modèle standard Exemple du boson de Higgs chargé Le top au LHC: un outil précieux  Détermination des échelles d’énergie  Efficacité étiquetage des quarks b La production du top isolé  Le single top: fenêtre vers la nouvelle physique  Du Tevatron au LHC  Recherche du single top dans ATLAS 3

Julien Donini Une Brève Histoire du Top 1974: deux familles de leptons et de quarks

Julien Donini Une Brève Histoire du Top 1975: découverte du lepton τ à SLAC  Première particule d’une 3 ème génération 1977: découverte du mésonַ  (bb) au Fermilab  Un 5 ème quark: le b  Fait-il partie d’un doublet d’isospin ? Résonance  dans le spectre μ + μ -

Julien Donini Une Brève Histoire du Top 1984: DESY (JADE): collisions e + e - → bb → μ ± +X Mesure asymétrie de charge avant-arrière A FB A FB = 22.5 ± 6.5 % MS: isodoublet 25.2%, isosinglet: 0% !  Isodoublet: il doit y avoir un quark top !

Julien Donini Une Brève Histoire du Top Recherche du top dans les collisionneurs e + e -  Recherche du toponium (résonnance t-tbar)  1970’-80’: PETRA, TRISTAN: e + e - → γ * → tt  : LEP/SLC: e + e - → Z → tt  Limite masse top m t > 45 GeV  Recherches électrofaibles indirectes Fit observables du Z (m Z, Γ Z, A FB …)  150 < m t <170 GeV

Julien Donini Une Brève Histoire du Top Collisionneurs p-pbar  : UA1 et UA2: pp → W → tb  : Tevatron: pp → tt → W * bW * b Signature: lepton+jets Reconstruction masse tranverse W t  W*b, avec W off-shell (m t <m W ) Pas de signal observé …  masse top > m w  stratégie de recherche différente _ _ ≥ 2 jets Recherche du signal M top = 70 GeV/c² _

Julien Donini Une Brève Histoire du Top 1995: recherches au Tevatron  Collisions pp à 1.8 TeV, deux expériences CDF et DØ  m t > m W : recherche production paires top-antitop pp → tt → WbWb avec un W → lν et W → qq’ Fond W+jets important  Découverte ! Tevatronmtmt DØ199 ± 30 GeV CDF176 ± 13 GeV Le top est lourd ! m t ~ 40 x m b ! _ _

Julien Donini (?): Tevatron Run II  Collisions 1.96 TeV Une Brève Histoire du Top m t = ± 1.2 GeV: précision 0.7% !

Julien Donini : Le LHC  Collisions pp à 14 TeV  1 fb -1 → ev. ttbar fond dijets QCD, W+jets, single- top, fond combinatoire Signal clairement observable Une Brève Histoire du Top Processusσ(nb) total pp dijet (p t >25 GeV) W→lν20.5 Z→ll2.02 ttbar0.833 Tevatron LHC σ tt W+jets x 10 σ tt x 100

Julien Donini Section efficace de production: approche théorique  Théorème de factorisation Production de Paire de Quark Top 12 section efficace pp  tt s: ECM m t: :masse top Intéraction longue distance Fonction densité partonique f i (x i,μ f 2 ) x i : fraction d’impulsion longitudinale du parton i μ f : échelle de factorisation, sépare processus ‘dur’ et ‘mou’ Intéraction courte distance processus dur, grand moment transverse μ R : échelle de renormalisation, absorbe divergences UV Tipiquement μ f et μ R sont fixées à m t Somme sur les paires de partons (i,j) contribuant au processus

Julien Donini Section efficace de production: approche théorique  Théorème de factorisation Production de Paire de Quark Top 13 Intéraction courte distance entre les partons i et j calculs QCD perturbatif modes de production dominants (LO)

Julien Donini Section efficace de production: approche théorique  Théorème de factorisation Production de Paire de Quark Top 14 Intéraction courte distance entre les partons i et j corrections radiatives d’ordre supérieur (NLO)

Julien Donini Section efficace de production: approche théorique  Théorème de factorisation Production de Paire de Quark Top 15 Intéraction longue distance f i (x i,μ f 2 ) extrait de fits globaux sur des données ep (Zeus, H1) Distribution de probabilité en fonction de la fraction d’impulsion x i portée par le parton g u d s

Julien Donini Section efficace de production: approche théorique  Théorème de factorisation Production de Paire de Quark Top 16 Production au seuil x i  2m t /  s LHC :  s = 14 TeV  x i   qq (10%) et gg (90%) TeVatron :  s = 1.96 TeV  x i   qq (85%) et gg (15%) g u d s LHC Tevatron 10%(85%) 90%(15%)

Julien Donini Désintégration du Quark Top Modes de désintégration  Durée de vie très courte  top ~ 4  s <  had ~ 28  s Le top se désintègre avant hadronisation  BR(t  Wb) ~ 100% dans le modèle standard Modes de désintégration des paires ttbar  En fonction de la désintégration du W  Canal dilepton: 12%  Canal lepton+jets: 44%  Canal hadronique: 44% 17

Julien Donini Le Top et la Nouvelle Physique 18 Test Modèle standard et recherche de nouvelle physique Masse élevée  échelle de brisure de symétrie éléctrofaible Test modèle standard Section efficace de production Rapport de branchement t  Wb Hélicité du W … q’ q Sensible à la physique au-delà du modèle standard  quark 4 ème génération, bosons de jauge supplémentaires, nouveaux bosons

Julien Donini q’ q Recherche du boson de Higgs chargé 19 Higgs chargé léger (m H < m top ) t → H + b H + → τν (mode dominant) Boson H ± Prédit dans nombreux modèles de Higgs non minimaux (2HDM,…) Découverte  signe de nouvelle physique Higgs chargé lourd (m H > m top ) gb → tH + H + → tb (mode dominant) H+H+ H-H- X X

Julien Donini Recherche du boson de Higgs chargé Un exemple au Tevatron  Recherche H ± léger dans la production de paires ttbar  t → H + b; H + → cs  Reconstruction masse inv. dijet dans les ev. lepton+jets 20 t t H+H+ W-W- c s bb e-e- ν _ _ _ tan β ~ 1

Julien Donini Recherche du boson de Higgs chargé Un exemple du LHC  Higgs chargé léger (ATLAS)  Recherche H + → τν tt → bH + bW - → b τ(had/lep)ν bqq tt → bH + bW - → b τ(had)ν bl ν 21 tt  bH + bW -  b τ(had)ν bqq t t H+H+ W-W- τ ν bb q q’ _ _

Julien Donini q’ q p p Le Top comme Outil de Calibration au LHC 22 b-tagging Échelle d’énergie de b-jets Échelle d’énergie des jets

Julien Donini Échelle d’énergie des jets Reconstruction des jets  Dépôt calorimétriques, traces  Algorithmes: cône, K t, etc …  Corrections énergétiques  Échelle d’énergie des jets (JES)  Reconstruction de l’énergie du parton initial (quark, gluon)  Essentiel pour étude du top, QCD, recherche Higgs …  Incertitude sur la JES dominante sur mesures masse, sec. eff…  Corrections: MC et à partir des données 23

Julien Donini Mesure de la JES avec le Top Détermination de la JES in-situ avec W→jj  Abondance paires ttbar: étalonnage des jets avec W hadronique  Sélection: lepton isolé, ≥4 jets, 2 b-tags, large ME t : pureté 65-80% 1 fb -1 : qques milliers paires W→jj Méthodes  Corrections Itérative  Templates Templates masse dijet 2 paramètres libres:  échelle d’énergie et résolution Fit des données  Précision ~2% avec 50 pb -1 (objectif 1% avec 1 fb -1 ) 24

Julien Donini Échelle d’énergie des b-jets (b-JES) Propriétés des b-jets  massif m B ~ 5 GeV  Fragmentation dure x B ~70%  Longue durée de vie c τ ~ 470 μm [pdg] Pour E B ~ 50 Gev, ct ~ 5mm  Désintégration semi-leptonique ~40%  lepton (e/mu) Corrections spécifiques  Incertitude sur E(b-jets)  err. syst. importante en physique du top  Correction spécifiques aux b-jets: reconstruction E(b-quark)  Comparaison données/MC Incertitude sur les propriétés des b-jets  incertitude sur le MC 25

Julien Donini b-JES au Tevatron Mesures de masse du top  Incertitude sur l’énergie des b-jets (BR semi-leptonique, fragmentation, réponse calo.)  erreur systématique 26 Mesure b-JES dans le processus Z→bb (CDF)  Extraction signal Z→bb du fond dijet QCD  Comparaison data/MC  b-JES  Trigger spécifique  Fond QCD estimé à partir des données  Fit likelihood non-binné  Mesure simultanée signal et b-JES  Précision b-JES ~ 2% avec 0.6 fb -1 J. Donini et al., NIM A 596 (2008)

Julien Donini b-JES dans ATLAS 27 Z+Q m top [Tev.] = ± 1.2 GeV b-jets semi-muoniques Méthode purement MC b-jet ‘balancing’ γ+bb, Z+(b)jets b-JES: ttbar → l+jets À partir de m top mesuré au Tevatron - contrainte: M jj → m W [pdg], M jjb → m top [Tevatron]  Précision ~ 3% avec 100 pb-1 Mesure simultanée b-JES et m top - b-JES telle que m top (leptonique) = m top (hadronique) = m reco

Julien Donini Étiquetage des b dans ATLAS Algorithmes basés sur le paramètre d’impact  d 0 → likelihood (b vs uds) pour chaque trace poids total pour chaque jet Algorithmes 2D et 3D  Jet probability 28 Vertex Primaire Vertex Secondaire d 0 = paramètre d’impact B Lxy

Julien Donini Étiquetage des b dans ATLAS Algorithmes basés sur le paramètre d’impact Vertex secondaire  Fit VS à partir des traces à gd d 0  likelihood à partir des variables du VS Masse vertex, fraction d’énergie, N 2-traces vertex  Meilleur résultats si combiné avec alg. IP 29

Julien Donini Étiquetage des b dans ATLAS Algorithmes basés sur le paramètre d’impact Vertex secondaire Soft lepton  Désintégration semi-leptonique (éléctrons, muons)  Méthode limitée par rapport de branchement 30

Julien Donini Mesure Efficacité de b-tagging avec le Top Méthode de comptage  Sélection d’év. ttbar dans le canal lepton+jets lepton (p T >20 GeV), missing-E T >20 GeV, 4 jets E T >30 GeV  Comptage des jets étiquetés b  Fit pour mesurer ε b, ε c et σ tt (ε uds est supposé connu)  Méthode similaire avec ev. dileptons (ee/  /e  )  précision  3%(stat)  3%(syst) à 200 pb tt lepton+ jets #tags/ev. (100pb -1 ) tt e  +jets #tags/ev. (100pb -1 )

Julien Donini Mesure Efficacité de b-tagging avec le Top 32 b-tag b-veto ? Méthode cinématique  Exploite cinématique/topologie ev. ttbar semi-leptoniques  b-tag + 2jets légers: top hadronique  Test ε b jet coté leptonique  Efficacité en fonction de jet E T,   Précision ±3-14%(syst) ±5%(stat) (200pb -1 )

Julien Donini Single Top: fenêtre vers la Nouvelle Physique 33 t ?

Julien Donini Le top isolé  Production d’un seul quark top par intéraction faible  3 modes de production Single Top 34 voie t (fusion W-g) gq → tbq’ voie s (W * ) qq → tb voie Wt (Prod. Associée) bg → Wt Signature: 1 b-jet (central, grand p t ), 1 lepton (du W),1-2 extra jets + 2 ème b-jet (voie s), éventuellement 2 ème lepton (voie Wt)

Julien Donini Single Top et Nouvelle Physique Fenêtre vers la nouvelle physique  Production par interaction faible  Section efficace directement proportionnelle à |v tb | 2  Sensible à toute nouvelle particule pouvant modifier le couplage faible du top 35 t, t’ W+W+ b, b’  Quarks supplémentaires 4 ème génération t H +,W’ b  Nouveaux bosons t W+W+ b  Couplages modifiés  Polarisation anormale

Julien Donini Single Top et Nouvelle Physique Fenêtre vers la nouvelle physique  Production par interaction faible  Section efficace directement proportionnelle à |v tb | 2  Sensible à toute nouvelle particule pouvant modifier le couplage faible du top 36 voie t couplages anormaux polarisation anormale voie s W’ (GUT, extra-dim) H ± MSSM Techni-pion voie Wt recherche H ± pp  gg,gb  Ht

Julien Donini Le Single Top au Tevatron Défis expérimental  Faibles section efficaces (voie Wt inaccessible …) et fond W+jet élevé 37 Évidence expérimentale (D0) événements sélectionnés: Lepton isolé E t manquante 2-4 jets (1-2 b-tags) S~60 evt, B~1400 evt (0.9 fb -1 )  exp. comptage insuffisantes  développement de techniques multi-variables PRL 98, (2007)

Julien Donini Analyses Multi-variables Combinaison de plusieurs variables discriminantes Variables d’événement (multiplicités, masses invariantes …) Variables cinématiques d’objets (jets, leptons…) Corrélations angulaires (ΔR(lepton, jets), …)  Amélioration de la sélection (b-tagging)  Séparation signal/fond Différentes méthodes  Arbres de décisions boostés  Réseaux de neurones  Éléments de matrices 38 Méthodes multi-variables en général très efficaces … mais nécessitent validation avec les données

Julien Donini Arbres de Décision ‘boostés’ Coupures itératives pour classifier les événements 39 Arbre de décision: à chaque nœud  variable et coupure qui sépare les événements Entrainement: maximiser le pouvoir séparateur Boosting: moyenne plusieurs arbres, dilue la nature discrète de l’arbre, améliore le pouvoir séparateur. Signal Fond

Julien Donini Le Single Top au Tevatron 40 Évidence d’un signal single top au Tevatron mais pas encore d’observation Nombreuses recherches en cours Boson de Higgs chargé Résonance W’ FCNC Couplages anormaux …

Julien Donini Tevatron (ppbar 1.96 TeV)  LHC (pp 14 TeV) Du Tevatron au LHC 41 ProcessusTev.LHC t-tbar7833 voie t2246 voie s0.911 voie Wt0.166 x120 x12 x 660 ! x120 Fond principal devient ttbar ! W+jets σ ~ O(100) nb W+bb σ ~ O(0.1) nb QCD multijet (lepton mal identifié): difficile à évaluer  Perspectives et stratégies d’analyse différentes Importance rejet ev. ttbar Voie t produit en abondance Voie Wt devient observable Voie s: difficile !

Julien Donini Le Single Top au LHC Fenêtre vers la nouvelle physique  Mesure section efficace des différents processus de production single top  contraintes sur la nouvelle physique  Précision cruciale ! 42 ● LHC SM x Top-flavor (m Z' =1 TeV) ○ FCNC Z-t-c + Top-pion (m π =450 GeV) 4 th quark (V ts =0.55) hep-ph/ (2000) 3σ th.

Julien Donini Mesures σ single-top dans ATLAS Mesure de section efficace  Pour les 3 voies de production du single top  Techniques simples: coupures séquentielles  et avec des outils plus sophistiqués: MVA Arbres de décision Fonctions de vraisemblance  Perspectives pour 1-10 fb -1  Conditions réalistes err. syst, simulation complète ATLAS… 43 CERN-OPEN (ATLAS collaboration) ATL-PHYS-INT (J. Donini, B.Clement, A.Lucotte, A.Shibata, N. Triplett)

Julien Donini Présélection commune  Sélection t→Wb→l ν b  Réduction fond multijets et W+jets + sélection spécifique à chaque analyse Sélection des Evénements 44 l ν b Trigger: 1 lepton inclusif (80% efficacité) 1 électron isolé ou 1 muon, p T >30 GeV, |η|<2.5 E T manquante > 20 GeV 1 jet étiqueté b, p T > 30 GeV, |η|<2.5

Julien Donini Événements Sélectionnés: 1fb -1 ProcessusVoie tVoie sVoie Wt Selection b-jet: p T >50 GeV jet léger |η|>2.5 2 ème b-jet p T >30 GeV Veto extra jet p T >15 GeV Coupures: H T (jets), ΔR(b1,b2), p T (lep) b-jet p T >50 GeV Veto extra b-jet, Coupure masse du W hadronique Signal Autres ST Ttbar W+jets Fond total S/B S/√B Significance élevée pour les voies t et Wt. Mais pas de systèmatiques ! 45

Julien Donini Analyse Multi-variables Pour chaque analyse définition de plusieurs variable discriminantes  1 discriminant par fond physique principal  Différents ensembles de variables pour chaque discriminant  Séparation en canaux multiples (électron/muon, multiplicité jet)  Coupure discriminant: minimisation erreur totale sur σ signal Incertitude sur la section efficace  Pseudo-expériences: génération données D (Poisson), shift B i, α i, L avec toutes les sources d’erreurs systématiques 46 - B i : # év. de fond - α i : acceptance signal - L : luminosité integrée - D i : données = B i + α i L σ th - σ : section efficace

Julien Donini Analyse voie t 47 Sélections 1 b-jet p T >50 GeV 1 jet léger |η|>2.5 (analyse séquentielle seulement) 1 discriminant (BDT) vs paires de top Sourceδσ/σ (seq.)δσ/σ (BDT) Erreur stat.5.0%5.7% Stat. MC6.5%7.9% Luminosité18.3%8.8% Efficacité B-tag18.1%6.6% Échelle d’énergie21.6%9.9% Lepton ID, trigger2.3%1.8% Théorie (σ th, PDF, ISR/FSR…) 28.1%13.5% Total 1(10) fb -1 45% (22%)22% (10%) S~4412 S/B=0.12 S~540 S/B=1.3 Cut BDT 1fb -1

Julien Donini Améliorations Voie t Voie t  BDT vs W+jets, ttbar (l+jets, ll): Multiplicité: 2/3/4 jets  12 discriminants  Résultat plus stable pas de coupure en queue de distributions  S/B ~1.6, δσ/σ=19% 48 Multiplicité: 2 jets

Julien Donini Analyse voie s Sélections 2 b-jets p T >30 GeV Veto extra jet p T >15 GeV 5 fonctions de vraisemblance vs tt  l+jets, tt  ll, tt  l+τ/ττ vs W  l+jets, ST voie t Sourceδσ/σ Likelihood Erreur stat.64% Stat. MC29% Luminosité31% Efficacité b-tag44% Échelle d’énergie25% Lepton ID, trigger6% Théorie (σ th, PDF, ISR/FSR…) 74% Total 1(10) fb -1 95% (48%) S~15, S/B~20% (1fb -1 ) 1fb -1 49

Julien Donini Voie Wt Sélections b-jet p T >50 GeV Veto extra b-jet 12 Boosted Decision Trees vs tt  l+jets, tt  dilepton, W  l+jets, voie t BDT: 2/3/4 multiplicité de jets Sourceδσ/σ BDT Erreur stat.20.6% Stat. MC15.6% Luminosité20% Efficacité b-tag16% Échelle d’énergie11% Lepton ID, trigger3.2% Theorie (σ th, PDF, ISR/FSR…) 35% Total 1(10) fb -1 48%(19%) 1fb -1 S~80, S/B~40% (1fb -1 ) 50

Julien Donini Perspectives Combinaison des canaux t/s/Wt  Mesure simultanée des trois canaux  Généralisation à 3D du fit de vraisemblance 51 PRELIMINAIRE

Julien Donini Conclusion 52 Le quark top au LHC Produit en abondance Sensibilité nouvelle physique Outil de calibration Le cas du single top (ATLAS) Voie t: observation possible ~ 1 fb -1 Voie Wt: observation avec ~10 fb -1 Voie s plus difficile: > 30 fb -1 Perspectives pour le top au LHC 1ère année: redécouverte du top, (b)-JES, b-tagging, validation MC/données 2ème année: méthodes multi-variables, observation single top voie t, étude des propriétés du top, test modèle standard 3ème année: sensibilité nouvelle physique

Julien Donini BACKUP 53

Julien Donini Fits Electrofaibles 54

Julien Donini Contraintes sur le Boson de Higgs 55  Higgs = GeV/c 2

Julien Donini q’ q p p _ Propriétés du Quark Top 56 Largeur Charge  top < 12.7 GeV à 95%CL (theorie  top = 1.5 GeV ) Q=-4/3 exclu à 87% CL Largeur Charge

Julien Donini Physique du Top 57 q’ q Masse top Largeur Charge/spin Polarisation Hélicité W Couplages anormaux Section efficace de production Production résonnante Corrélation spins, A FB Rapport d’embranchements CKM: |V tb | Décroissances rares, FCNC Higgs chargé Tests du modèle standard et recherche de nouvelle physique  quark 4 ème génération, bosons de jauge supplémentaires, nouveaux bosons

Julien Donini Production Résonnante et Z’ 58 q’ q p p _ Production résonnante M Z´ > 760 GeV Modèles technicouleur: nouveaux bosons  Z´ leptophobique

Julien Donini Quarks de 4 ème Génération 59 q’ q p p _ M t´ > 311 GeV à 95% CL Recherche de quark top massif de 4 ème génération: t’ même signature que le top Quark t’ prédit par plusieurs modèles susy, little higgs. m reco HtHt

Julien Donini Recherche du boson de Higgs chargé Boson de Higgs chargé léger  m H < m top : t → H + b 60 m H = 100 GeV/c 2 tan β = /

Julien Donini Le Détecteur ATLAS au LHC 61

Julien Donini Les Sous-détecteurs d’ATLAS 62

Julien Donini Reconstruction des Jets dans ATLAS Jet clustering  Tours calorimètre  Cluster topologiques Cluster 3D Algorithmes de jet  Cône ΔR=√(ΔΦ 2 +Δη 2 )<R cone (0.4, 0.7) Tevatron Pb théoriques (infrarouge, colinéarité)  K T (R=0.4, 0.6) Recombinaison séquentielle Procédure plus stable Étalonnage des jets  Calibration globale des jets  Calibration locale des cluster 63 Tours calo.Clusters Cellules calo. Algorithme cône, K t Jets calo Jets physique Calibrations globales (poids, JES, in-situ) Calibrations locales (poids)

Julien Donini Échelle d’énergie des jets Corrections des jets dans ATLAS  Corrections: MC et obtenues à partir des données 64 Jets reconstruits Inter-calibration phi Correction offset Correction relative Correction absolue Jets calibrés Correction tours, clusters (poids MC) Corrections non-uniformités en phi Soustraction énergie ne provenant pas de l’intéraction dure (bruit, intéractions multiples) Normalization de la réponse des jets en eta Échelle absolue: Z+jets, MC

Julien Donini Eléments de matrice Technique « éléments de matrice » : La section efficace différentielle, en fonction des objets reconstruit sert de densité de probabilité. W(x,y) : Passage des partons générés aux jets/leptons reconstruits -> résolution du détecteur, efficacité de reconstruction Fonction de vraisemblance : L = P signal (x) / ( P signal (x) + P bruit (x) ) CTEQ6 Pdf Element de matrice LO + espace de phase Fonction de transfert

Julien Donini 66 W polarization in top pair events V-A current In the SM: W helicity : longitudinal or left “Left handed” F L Standard Model: Standard Model: F L =2m W 2 /(m t 2 +2m W 2 ) = “Longitudinal” F 0 Standard Model: Standard Model: F 0 =m t 2 /(m t 2 +2m W 2 ) = = “Right handed” F R Standard Model: F R = 0.00 (forbidden) (m b =0 approx.) Polarization measurement Use the lepton from W as a “spin analyzer”  Angle  between l + (W rest frame) and the W + directions (top rest frame)  Access to F 0, F L, F R

Julien Donini Single Top Triggers Trigger turn-on curves 67

Julien Donini Améliorations et Perspectives Combinaison des canaux t/s/Wt  Fit simultané des trois canaux  Généralisation a 3D du fit de vraisemblance 68 PRELIMINAIRE