Abdelhak Djouadi and Dirk Zerwas Physics at the LHC Abdelhak Djouadi and Dirk Zerwas LPT and LAL Orsay Monday: The standard model I LHC and the Detectors Tuesday: The standard model II (theory) The Top Quark (exp) Wednesday The Higgs Boson (theory) The Higgs Boson (exp) Thursday Higgs+SUSY (theory) Higgs+SUSY (exp) Friday Xtra Dimensions (theory) Exotics (exp) LPT Amphi1, 210 LAL Orsay Salle 101 LAL Orsay Salle 101 LPT Amphi1, 210 LAL Orsay Salle 101

La physique du quark Top au LHC 1. Introduction Le quark top aujourd’hui 2. Point de vue théorique Production de quark top 3. La détection de quarks Top au LHC Les signatures du quark top Reconstruction des leptons Reconstruction des jets légers Reconstruction des jets beaux 4. Les mesures des propriétes du quark top La masse du quark top L’hélicité du boson W provenant du quark top Les sections efficaces de production électro-faible Arnaud Lucotte, LPSC Grenoble

Historique : ..et aujourd’hui… Mesures au Run I et Run II : CDF + DØ Le quark top est recherché dans la production par paires : mtop > MW alors tt  W+bW-b mtop lourd  faible section efficace de production

Aujourd’hui : le quark top dans le Modèle Standard (MS) Spécificité du quark top C’est le seul quark avec une masse “naturelle” : mtop = yt v /2  174 GeV/c2 Seul fermion plus lourd que le boson W± : Durée de vie très courte : top ~ 410-25 s. Le quark top se désintègre avant hadronisation (had ~ 2810-25 s.)  opportunité d’ étudier les propriétés d’un quark “nu” (ie libre des effets de confinement de l’interaction forte) Désintégration en un boson W on-shell  source de production de composante longitudinale du boson W  Test du mécanisme de Higgs de la BSS

Production de paires de quarks top Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2))

Production de paires de quarks top Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : 2) Interaction à longue distance entre les partons i et j fi(xi,F2) extraite de fits globaux sur les données Distribution de probabilité en fonction de la fraction d’impulsion xi portée par le parton  Reste à connaitre cette fraction au LHC ! σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2)) xif(x,Q2) xi

Production de paires de quarks top Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : 2) Interaction à longue distance entre les partons i et j Production au seuil xi  2mt/s LHC : s = 14 TeV  xi  0.025  qq (10%) et gg (90%) TeVatron : s = 2 TeV  xi  0.175  qq (85%) et gg (15%) σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2)) xif(x,Q2) xi xi

Production de paires de quarks top Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : Incertitudes sur la section efficace Incertitudes élevées au LO : σLO/σ ~ 50%  Choix des échelles de factorisation/ renormalisation et effets sur s  La valeur de s(Q2) étant élevée, les termes additionnels en s sont significatifs p/r a l’arbre  le choix des pdf’s, surtout au LHC (gluon dominant)  Incertitudes sur la valeur input de mt  Incertitudes sur la valeur de s(MZ2)  Calculs NLO nécessaires σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2)) xi

Production de quarks top en paires au LHC Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons Dépendance dans la masse du top qq (10%) gg (90%) δσtt/σtt ≈ 5 x δmtop/mtop Incertitudes principales Choix des échelles R et F Choix des pdf’s (gluons dominant) Incertitudes sur la valeur input de mt Incertitudes sur la valeur de s(MZ2) σtt = 835 pb ± 10%pdf ± 6% µ-echelle σ (pb) mt (GeV/c2)

La détection des quarks top au LHC : aspects expérimentaux

Section efficace totale de production au LHC Principaux processus: Multi-jets : ~70 mb QCD bb+X: ~70 b W+X inclusif: ~200 nb Paires de top: ~900 pb Higgs… : ~10-50 pb Conséquences: Processus intéressants rares : 1 evt pp tt sur 100 millions 1 evt pp t+X sur 300 millions Implications :  Plusieurs interactions / collision  Nécessité d’un déclenchement spéficique de l’enregistrement des collisions “intéressantes” (pptt)

Signatures de la désintégration du quark top Mode de désintégration Durée de vie très courte : top ~ 410-25 s. Le quark top se désintègre avant hadronisation  Duree de vie: had ~ 2810-25 s. Désintégration en un boson W dans le Modèle Standard t  W+b car mtop > MW car le quark b est le partenaire isodoublet du top avec W+  e+e W+  + W+  + Ou encore: W+  ud W+  us W+  cs W en leptons dans ~33% des cas : seul le lepton chargé est détecté le neutrino apparait comme “energie manquante” _ W en “jets hadroniques” dans ~67% des cas : les quarks se réarrangent (hadronnisation) seuls apparaissent des jets de particules (mésons, hadrons etc…) _ _

Production des quarks top par paires Mode de désintégration Classification en fonction des désintégrations des W Canal dileptonique (l+b l-b):  5% des cas  450000 / an attendus  fonds faible (di-boson..) Canal hadronique (jjb jjb)  44% des cas  4.0106 / an attendus  fonds rhédibitoires (QCD jets..) Canal “lepton+jets” (lb jjb)  30% des cas  2.7106 / an attendus  bon compromis signal / bruit avant sélection !

Un événement ttb+jjb dans ATLAS Muon Jets hadroniques Energie manquante jet hadronique

Un événement tt b+jjb dans ATLAS Calorimètre hadronique Calorimètre EM Détecteur de traces Détecteur de Vertex Chambres à muons

Selection des quarks top : les leptons Sélection des leptons Spectre des leptons provenant des top t  bW  bl Leptons centraux (||<2.5) Leptons de haut pT Sélection Efficacité de reconstruction élevée (~80%) Réjection contre les fonds QCD/multijets QCD, W events top events

Selection des quarks top : l’énergie manquante Reconstruction de l’énergie manquante Spectre de mET des événements top Définition mET = -  (Ejets+Elep)  Neutrinos (non détectés)  Toute cause de non uniformité Reconstruction Efficacité de réjection contre QCD/multi-jets Résolution dépend de reconstruction des jets, uniformité du détecteur QCD, W events top events

Selection des quarks top : les jets hadroniques Selection des jets Spectre des jets provenant des top Performance Selection des jets centraux de grande impulsion : PT > 25 GeV Réjection des fonds QCD/multijets et W+jets de jets plus “mous” top events QCD, W events

Selection des quarks top : les jets Selection des jets Multiplicité des jets dans les evts top Selection Selection des jets centraux de grande impulsion : PT > 25 GeV Réjection des fonds QCD/multijets et W+jets de moindre multiplicité top events QCD, W events

Selection des quarks top : les jets de b (1) Recontruction des jets beaux Hadronnisation du quark b : Mésons beaux (B0, B ) et baryons beaux (b, etc…) 2 types de détection : 1) Utilisation des types de désintégration des mésons 2) Utilisation de la durée de vie de ces mésons Note: Détection dans la région centrale ||<2.5 Désintégration semi-leptonique des mésons/baryons beaux BR(beX) = BR(bX)  10%  on recherche des jets associés à un lepton  ces leptons ont une impulsion transverse relativement faible par rapport à l’axe du jet Axe du jet e, 

Selection des quarks top : les jets de b (2) Recontruction des jets beaux Ces mésons/baryons ont une “grande” durée de vie : Boost des mésons : c avec c  500m  les hadrons beaux “volent” sur qques mm !  suffisament “long” pour détecter le vertex de désintégration 2 manières principales de détecter ce vertex :  reconstruire le vertex à partir des traces chargées  décompter le nombre de traces de grand “paramètre d’impact” résolution de 40-50 m nécessaire en (x,y)

Selection des quarks top : les jets de b (2) Recontruction des jets beaux Ces mésons/baryons ont une “grande” durée de vie : Boost des mésons : c avec c  500 m  les hadrons beaux “volent” sur qques mm !  suffisament “long” pour détecter le vertex de désintégration 2 manières principales de détecter ce vertex :  reconstruire le vertex à partir des traces chargées  décompter le nombre de traces de grand “paramètre d’impact” résolution de 40-50 m nécessaire !

Selection des quarks top : les jets de b (2) Performances Efficacité d’identification d’un jet beau (“b-tagging”) Typiquement : 60% Réjection de jets “légers” (u,d,s) Hadronisation en mésons (u,d,s) légers (pions, kaons…) ~ 1 / 100 est vu comme jet de b Réjection des jets initiés par un quark c Hadronisation mésons charmés (D0, D ) boost plus faible en moyenne: c avec c  100-150 m Plus léger, se désintégrant en lepton moins “durs”  ~ 1 / 10 est vu comme jet de b Etalonnage des courbes à partir des données Lots enrichi en b, en jets légers (QCD) εtag vs rejection (light jet) light jet rejection • SV1+IP3D • IP3D • IP2D Choix d’un point de fonctionnement: - fixe b pour une réjection uds c b-jet efficiency

Selection des quarks top : les jets de b (3) Selection des jets beaux Nombre de jets beaux dans les événements top - Au moins 1 jet de b provenant de tWb - Paires de top/ single-top voie-s : 2 jets de b exactement Performance Selection des jets b centraux de grande impulsion : PT > 30 GeV Réjection des fonds QCD/multijets et W+jets QCD, W events top events

La mesure de la masse du quark top (1) Stratégie Déclenchement & selection Detection du top t (bW) bl – 1 lepton de haut pT – Energie manquante (neutrino) Pre-sélection de jets: – Au moins 4 jets de haut pT – Au moins 1 jet étiqueté b Mesure de la masse du top t (bW)bjj – Identification des jets de b  lot d’evts : 2 b-jet  lot d’evts : 1 b-jet – Reconstruction du boson Wjj  Masse invariante mjj – Reconstruction du quark Top  Masse invariante mjjb

La mesure de la masse du quark top (2) Performances Nombre d’événements attendus @ 10 fb-1 (1 an) Efficacité de ~ 3.5% Nombre de paires tt ~ 87,000 Fonds au signal S/B ~ 80 Le fond principal est constitué des W+jets, mal connus Processus σ x BR(pb) ε(%) Nevents bblv+jets 2.2 x 106 3x10-8 15 W+jets lv+ jets 7.8 x 103 2x10-4 930 Z+jets l+l-+jets 1.2 x 103 6x10-5 150 WZ  lv + jets 3.4 1x10-2 12 WW  lv + jets 17.1 7x10-3 10 ZZ  l+l- + jets 9.2 5 tt  (lv)b (jj)b 250 3.5% 87,000

La mesure de la masse du quark top (3) Reconstruction des bosons W Association des jets: – Selection de la paire (jj) minimisant |mjj – mW| – Pureté en vrai W : 66% (55%) – Efficacité : ~80% Le nombre de combinaison dépend du nombre de jets de b trouvés ! Etalonnage des jets légers Calibration “in situ” à l’aide des Wjj – Corrige des effets de perte d’énergie – Corrige des effets angulaires Echelle absolue d’énergie au 1-2% Calibration avec des evts Z/+jets – Détection des Ze+e- ou  – Hypothèse de conservation : pTZ/ + pTj = 0  Calibration des jets par l’échelle EM ! Nbtag = 2 σ ≈7.4 GeV/c2

La mesure de la masse du quark top (4) Reconstruction du quark top hadronique Association des jets de b avec le W: Combinaison : – conduisant au pTtop le plus haut – qui maximise ∆R(l,b) – qui minimise ∆R(b,Wjj)  Pureté en top : 69% (65%)  Efficacité : 1.2% (2.5%) Nombre d’événements: ~30K (80K) events in 2 b-tag (≥1b-tag) – Fonds physiques ~ 100 events ! Linéarité et |mjjb – mtgen |<100 MeV/c2 Mesure de la masse: – Résolution : σ ≈ 11 GeV/c2 (dépend de la précision sur la calibration) re-calibrated σ = 10.6 GeV

Mesure de la masse du quark top (5) Résultats finaux mtop peut être déterminée à ~1 GeV/c2 Si systématiques sont sous contrôle ! Erreur statistique ~ négligeable Sources d’erreurs systématiques Connaissance de l’énergie des jets – Connaissance à 1% ??  jets légers: calibration “in-situ”  jets de b: MC Radiations initiales et finales (ISR / FSR) – ISR affecte Njet – FSR affecte l’énergie des jets et Njet  affecte l’efficacité de sélection Modèle de fragmentation du quark-b – Ecart avec une fragmentation basé sur une fonction de Peterson εb sources d’incertitudes δmt(GeV/c2) Energie des jets légers 0.2 x 1% Energie des jets b 0.7 x 1% Radiations Initiales 0.1 Radiations Finales 1.0 Fragmentation du b Combinatorial backgd Total SYSTEMATIC ?? Total STATISTICAL 0.07

Mesure de la masse du quark top : hadronique (1) Stratégie Selection des événements – au moins 6 jets centraux de haut pT – deux jets étiquetés b ~ 100,000 evts en 10 fb-1 Fonds attendus Fonds multi-jets : S/B ~ 1/19 (QCD) “canal le plus difficile” Analyses par vraisemblance Utilisation d’ensembles de variables qui, combinées, permettent une séparation avec les fonds: – Variables de forme d’événements – Fit cinématique contraints :  W jj (2W) t Wb (2t)

Mesure de la masse du quark top : hadronique (2) Performance with 10 fb-1 Event yields : – Keep events with pTtop ≥ 200 GeV/c 130 < |mjjb| < 200 – Résolution σ ≈ 13 GeV/c2  Signal ~ 3,300 events  S/B ~ 18/1 Incertitudes systématiques: – dominées par la modélisation des radiations de gluons – Echelle d’énergie des jets légers et beaux – Méconnaissance des performances de l’étiquetage des b / mistag Source d’incertitudes Δmt(GeV) light jet energy scale 0.8 b-jet energy scale 0.7 Initial State Radiation Final State Radiation 0.4 2.8 b-quark fragmentation 0.3 Background Total SYSTEMATIC 3.1 Total STATISTICAL 0.2

Mesure de la masse du quark top : dileptonique Stratégie Selection des événements – 2 leptons de haut-pT – Energie transverse manquante – 2 jets de haut-pT  80,000 evts en 10 fb-1  S/B ~ 10 Reconstruction complète de l’événement – Détermine les impulsions des neutrinos  6 equations (ΣpT=0, Mlv=mW, Mlvb=mt)  ε ~ 97% w/ Purity ≈ 73% Résout le systeme pour différentes hypotheses de masse de top generated mt = 175 GeV

Mesure de la masse du quark top : dileptonique Performance with 10 fb-1 Top mass determination : – Evt/evt: mt  solve system  weight (using kinematics & topology) – All evts: mean weight per mt  mtfit = mt w/ highest <weight> Mass resolution : – σ ≈ 13 GeV/c2 Systematics : – Choice of PDF – b-jet energy-scale δmt b-jet energy scale (1%) 0.6 b-quark fragmentation 0.7 ISR / FSR modelisation Parton Distr. function 1.2 Total SYSTEMATIC 1.6 STATISTICS & method 0.3

Mesure de polarisation du boson W : principe Polarisation du boson W et du quark top Désintégration du t W+b Courant V-A: 3 états d’hélicité possible pour un boson W : -1,0,+1 Interdit dans le MS ! Les fermions de masse nulle sont gauches “Gauche” “Longitudinal” “Droit” FL=mt2/(mt2+2mW2) F0=2mW2/(mt2+2mW2) FR= 0.00 = 0.703 = 0.297 = 0.00 F0=0.89  0.30  0.17 (stat) (syst) FR < 0.18 @ 95% CL (Tev. run I , 109 pb-1) W t b b t W b t W FL+F0+FR=1

Mesure de polarisation du boson W : observable  Observable de polarisation du W Etude du spin du boson W Mesuré sur les désintégrations W+l+  Lepton chargé Conservation du moment angulaire :  angle entre lepton et direction du W+ (référentiel du top au repos) * Lepton tendant à être émis dans la direction opposée au boson W+, avec un faible moment pT Lepton tendant à être émis transersalement a la direction du boson W+ Lepton tendant à être émis dans la meme direction que le boson W+ avec un faible moment pT

Mesure de polarisation du boson W : observable  Observable de polarisation du W Etude du spin du boson W Mesuré sur les désintégrations W+l+  Lepton chargé Conservation du moment angulaire : dans le référentiel du top au repos F0 : le lepton est émis transversalement à la direction du W+ FL : le lepton est émis dans la direction opposée au W+ (avec pT plus petit) FR : le lepton est émis dans la direction meme du W+ (avec pT plus petit) * * * * cos *

Sensibilité de Wtb aux couplages anormaux (1) Sensibilité aux couplages anormaux Dans le cadre du Modele Standard: BR(tWb) ~ 100% (Vtb ~ 0.999) Dans plusieurs modèles au-dela du MS: Présence de nouvelles particules changeant Les propriétés du couplage Wtb Approche indépendante du Modèle : Lagrangien effectif incluant ces effets: – Avec 4 constantes supplémentaires : f1L, f1R, f2L et f2R (note : dans le MS: f1L = Vtb1 , f1R = f2L = f2R=0) – Les projecteurs sur les états droit/gauche:

Sensibilité de tWb aux couplages anormaux Interprétation Sensibilité aux couplages f1R, f2L et f2R Test des couplages indépendamment (les autres à 0) Résultats F0 est le plus sensible aux nouveaux couplages : ±1s Couplage Limite 2 (statsyst) 0.31 0.14 0.07

Mesure de la section efficace single-top Production simple de quark top au LHC Trois mécanismes de production dans le MS Intérets majeurs: Propriétés du vertex Wtb : Détermination de σ(pptX), Г(tWb) Détermination directe de |Vtb| Test de V-A, polarisation Probe to new physics : Couplages anormaux, FCNC Nouveaux bosons de jauge W’ (GUT, KK) et Higgs chargé (2HDM) voie-t voie-s voie W+t

Mesure de la section efficace single-top Production simple de quark top au LHC Trois mécanismes de production dans le MS : voie-t voie-s voie W+t NLO= 146(t)+85(tb) = 231± 9 pb NLO= 6.2(t)+3.9(tb) = 10.1 ± 0.7 pb LO= 60 ± 15 pb Fonds principaux : Production de paires pp  tt [900 pb]: lb jjb, bb, bjjb, l+b l-b Production de W+jets : ejj+X [1160 pb], note: ev+X [11,610 pb] ee jj + X [116 pb], ebb+X [5.2 pb] - Evénements QCD bb…qques 50-100 b !

Stratégie de mesure de section efficace single-top Pré-selection comune aux 3 canaux Sélection d’un boson W  l – 1 high-pT lepton – high missing Energy Sélection de jets énergétiques t  Wb – Multiplicité en jets 2  Njet  4 – Au moins 1 jet -b de haut-pT Veto d’un 2nd lepton Analyses spécifiques Utilisation des topologies particulières – Jets avant pour la voie-t – Asymétries de charge dans la voie-s et –t Utilisation de variables globales – Reconstruction du quark top leptonique Mlvb – énergie totale HT , masse MTOT Classification en états finaux – 2-jets : 2b0j 1b1j, 0b2j etc… réduit QCD voie-s réduit fonds tt,W+jets réduit Zll ttlvblvb réduit fonds W+jets QCD multijets

Mesure de la section efficace single-top : voie-t Stratégie de mesure Signature spécifique – 1 jet vers l’avant – 1 seul jet de b dans l’acceptance Discrimination des fonds tt lvbjjb – Multiplicité en jets 2  Njet 3 – Asymétrie de charge: pp W+g (66%) / pp W-g (34%) tt l+jets: W+ (50%) W- (50%) – Forme de l’événement Discrimination Fonds W+jets – Jets de haut pT (35 GeV) – Jet de b de haut pT 50 GeV – Energie/masse totale etc.. 1b+1jet 1b+2jet

Mesure de la section efficace single-top : voie-t Performances attendues Efficacité de selection Efficacité ε ≈ 2% Fonds principaux Paires de top ! Wbb/cc+j, W+jets  S/B ~ 3.0 (2j), ~1.2(3j) Résultats Découverte : Nécessite ~ qques 100 pb-1 Précision sur la mesure (10 fb-1) Précision statistique : ~2% Erreurs systématiques: 6%theo+10%exp Points cruciaux (& systématiques) Etiquetage des jets de b Compréhension des ISR/FSR

Mesure de la section efficace single-top : voie-s Stratégie de mesure Signature spécifique Multiplicité en jets : Njet = 2,3  2 jets de b centraux exactement Discrimination des fonds tt lvbjjb – Multiplicité en jets 2  Njet 3 – Asymétrie de charge: pp W+* tb (66%) / pp W-* (34%) tt l+jets: W+ (50%) W- (50%) – Forme de l’événement Discrimination Fonds W+jets – Jets de haut pT (35 GeV) – 2 jets de b de haut pT 50 GeV – Energie/masse totale etc..

Mesure de la section efficace single-top : voie-s Stratégie de mesure Signature spécifique Multiplicité en jets : Njet = 2,3  2 jets de b centraux exactement Discrimination des fonds tt lvbjjb – Multiplicité en jets 2  Njet 3 – Asymétrie de charge: pp W+* tb (66%) / pp W-* (34%) tt l+jets: W+ (50%) W- (50%) – Forme de l’événement Discrimination Fonds W+jets – Jets de haut pT (35 GeV) – 2 jets de b de haut pT 50 GeV – Energie/masse totale etc.. mtop HT

Mesure de la section efficace single-top : voie-s Performances attendues Efficacité de selection ε ≈ 1.7%-2.0% Fonds principaux: Paires de top, W+jets  Faible S/B ~ 10-14% Définition de variables de contrôle: Fonds à partir des données Résultats Découverte : Nécessite ~ 7-10 fb-1 Précision sur la mesure (30 fb-1) Précision statistique : ~12% Erreurs systématiques: 8%theo + 10%exp Points cruciaux (& systématiques) Etiquetage des jets de b Compréhension des ISR/FSR

Mesure de la section efficace single-top : voie-Wt Stratégie de mesure Signature spécifique – Multiplicité en jets : Njet = 2,3,4 – 1 jets de b central exactement – Reconstruction d’un Wjj Discrimination des fonds tt lvbjjb – Multiplicité en jets 2  Njet 4 – Forme de l’événement – Variables globales HT, MTOT – Sphericité, Centralité Discrimination Fonds W+jets – Jets de haut pT (35 GeV) – 1 jets de b de haut pT 35 GeV – Energie/masse totale etc.. 10 fb-1

Mesure de la section efficace single-top : voie-Wt Performances attendues Efficacité de selection ε ≈ 4%-8% Fonds principaux: Paires de top principalement  Faible S/B ~ 10-12% Définition de variables de contrôle: Fonds à partir des données Résultats Découverte : Nécessite ~ 2- 5 fb-1 Précision sur la mesure (30 fb-1) Précision statistique : ~2% Erreurs systématiques: 6%theo + 9%exp Points cruciaux (& systématiques) Contrôle du fonds ttbar Echelle d’énergie des jets, ISR/FSR

Conclusion Le quark top Masse du quark top @ l’échelle de brisure spont. de symétrie  masse de quark la mieux connue ! Particule la plus lourde : large espace des phases disponible  Désintégration avant hadronisation  Largeur mesurée indirectement  Production “single-top” accessible avec plus de stat. au LHC Nbre quantiques connus dans le MS Mise en évidence de nouveaux couplages Mesure de Vtb différent de 1 Couplages anormaux (theories GUT) Polarisation  courants V+A, V-A