F. Chevallier (LPSC) 1 La production simple du quark Top au LHC PLANIntroduction Le single top dans le Modèle Standard Motivations au LHC Stratégie de mesure de la voie s Phénoménologie : signal et fonds Variables discriminantes et sélectionPerformances Sensibilité : statistique et systématique Mesure des voies t et W+tConclusion F. Chevallier A. Lleres, A. Lucotte LPSC (Grenoble)

F. Chevallier (LPSC) 2 Contexte et motivations Production dans le MS Vertex W-t-b (Interaction faible) W-g (voie t) W+t (Production associée)W* (voie s)Motivations Mesures directes du vertex : |V tb | Mesure de polarisation du W Recherche de nouvelle physique Couplages anormaux, FCNC Bosons de jauge supplémentaires W (GUT, KK) Bosons de Higgs charges (2HDM) Contraintes sur les PDF du b Fond principal pour de nombreuses analyses Higgs, SUSY, … W/H ± Jamais vu à ce jour ! W/H ±

F. Chevallier (LPSC) 3 Le single top aujourdhui : le TeVatron Stratégie de recherche Canaux détude Seules les voies s et t sont accessibles σ(voie t) = 1.98 pb, σ(voie s) = 0.88 pb Fonds importants WQQ (Q=b, c) W+jets Paires de top Faible rapport S/B Résultats actuels Limites supérieures sur σ(voies s, t) σ(voie t)<4.4 pb, σ(voie s)<5.0 pb Résultats limités par la statistique Incertitudes systématiques (hors luminosité) Identification et échelle dénergie des jets (~6%) b-tag, taux de mauvaise identification (6%) Déclenchement (~5%), fragmentation des jets (5%), lepton ID (4%) Méconnaissance des fonds (2-18%) CDF-Hiver 2006 Extrapolations Run II : découverte voies (s+t) pour > 4 fb -1 par expérience

F. Chevallier (LPSC) 4 Stratégie de recherche dans ATLAS Signal Production asymétrique voie s : tb ~ 2/3 et tb ~ 1/3 Décroissance du top Wb (100% MS) Utilisation du W leptonique + jets b voie s: W* t b (lb) b voie t: qg tq b (lb) q b voie W+t : b* t W (lb) qq Fonds principaux Paires de top tt dileptons (l=e, μ, τ) tt l+jets (l=e, μ, τ) W/Z (+jets) W+jets, Z+jets, Dibosons QCD Multijets + fake leptonCanal σ x BR (pb) σ x BR (pb)W-g W+t17.8 W*2.2 ttbar Wbb W+jets3,850 Incertitudes théoriques très importantes : paires de top : 10% W+jets : 15 % Nécesssité dutiliser les données b b p p E T jet Ex : Voie s

F. Chevallier (LPSC) 5 Préselection : variables discriminantes Présélection Lepton & mE T Lepton central, isolé de haut-p T, véto sur 2 e lepton Seuil sur mE T Jets légers Jets centraux (s, W+t) énergétiques Multiplicité : 2 jets Jets étiquetés b 2 jets centraux ε = 60 % (p T bjet >30GeV/c) Multiplicité variable importante

F. Chevallier (LPSC) 6 Préselection : variables discriminantes Présélection Lepton & mE T Lepton central, isolé de haut-p T, véto sur 2 e lepton Seuil sur mE T Jets légers Jets centraux (s, W+t) énergétiques Multiplicité : 2 jets Jets étiquetés b 2 jets centraux ε = 60 % (p T bjet >30GeV/c) Multiplicité variable importante

F. Chevallier (LPSC) 7 Analyse de la voie s : sélection topologique Energie totale transverse : H T Somme de E T de tous les objets H T = Σ E T (jet) + p T (l) + mE T Pouvoir discriminant : WQQ, W+jets : H T faible valeur Paires de top : H T grande valeur Limitations : Connaissance de mE T, échelle dE Masse du top leptonique : M lvb Reconstruction du p Z du neutrino mE T interprétée comme p T () Contrainte sur M W equation du 2 e degré en p Z (v) Determination de p Z (v) Reconstruction du candidat top Combinatoire associée au choix de p Z (v) Combinatoire associée au choix du jet étiqueté b Limitations : Connaissance de mE T, échelle dE… W* t b

F. Chevallier (LPSC) 8 Résultats attendus voie s (W*) Sensibilité statistique Sélection du signal ε ~ 1-2 % Principaux fonds Paires de top Single top voie t Incertitudes systématiques importantes Systématiques expérimentales Modélisation des ISR/FSR Etiquetage des b, mauvaise identification Echelle dénergie des jets Luminosité (normalisation sur des processus MS?) Incertitudes théoriques m top, μ F, μ R, PDF ~ 6-8% sur σ Connaissance des fonds et du signal σ, forme des distributions S/B ~ 14% S/B ~ 15 (S+B)/S ~ 10% (stat) 30 fb -1 Nécesssité dutiliser les données pour les fonds, et effets systématiques

F. Chevallier (LPSC) 9 … un des intérêts de la voie s… Single top et Higgs chargé Extension du MS : 2 doublets de Higgs 5 higgs: 3 neutres (A,h,H) + 2 chargés (H ± ) Spectre prédit par SUSY Phénoménologie : Couplage dépend de m H± et tan β Higgs léger affecte σ(tt) Higgs lourd affecte voie s Ajout dun graphe supplémentaire Modifie le taux dévénements observés Résultats Sensibilité en fonction de (m H±, tan β) Statistiques + systématiques H±H± + W* Etude sur le single top et sensibilité à H ± (note : ATL-COM-PHYS )

F. Chevallier (LPSC) 10 Autres études du groupe : voies t et W+t Performances voie t (W-g) Sélection du signal ε ~ 0.4 % Principaux fonds Paires de top W+jets + WQQ Performances canal W+t Sélection du signal ε ~ 0.9 % Principaux fonds Paires de top Single top voie t S/B ~ 3 S/B ~ 140 (S+B)/S ~ 1.4% (stat) 30 fb -1 S/B ~ 15% S/B ~ 22 (S+B)/S ~ 4% (stat) 30 fb -1 Mesures dominées par les systématiques. Optmisation W+t en cours.

F. Chevallier (LPSC) 11 Conclusion Sections efficaces du single top Des mesures de précision sont possibles au 30 fb -1 Voie s Précision statistique : quelques % Sensibilité à un boson de Higgs H ± Voie W+t Fonds principaux : paires de top Précision statistique attendue : quelques % Voie t σ importante Précision statistique : ~1-2% Mesures dominées par les sytématiques Incertitudes liées aux jets : ISR/FSR, échelle dénergie, … Etiquetage / mauvaise identification des b Nécessite une bonne compréhension des fonds Programme : 1 ères données et comissioning Connaissance des fonds Validation des générateurs Etudes des fonds sur les données b-tagging avec soft lepton Analyse en Full Simulation en cours -- Rome

F. Chevallier (LPSC) 12 BACKUP SLIDES

F. Chevallier (LPSC) 13 Résultats voie t (W-g) Criteres de sélection N(jets) = 2 Exactement 1 b-jet énergétique |η| 50GeV/c Lautre b échappe a lacceptance du détecteur 1 jet énergétique a grand η |η|>2.5, p T 50GeV/c Fenêtres en H T et m lvb Rejettent QCD et W+jetsPerformances Sélection du signal ε ~ 0.4 % Principaux fonds tt W+jets S/B ~ 3 S/B ~ 140 (S+B)/S ~ 1.4% (stat) 30 fb -1

F. Chevallier (LPSC) 14 Résultats voie W+t channel Criteres de sélection N(jets) = 3 Exactement 1 b-jet énergétique |η| 30GeV/c Reconstruction du W hadronique 60 < Mjj < 95 GeV/c2 Fenêtres en H T et ml vbPerformances Sélection du signal ε ~ 0.9 % Principaux fonds tt Single top voie t S/B ~ 15% S/B ~ 22 (S+B)/S ~ 4% (stat) 30 fb -1

F. Chevallier (LPSC) 15 Résultats voie s (W*) Criteres de sélection N(jets) = 2 Exactement 2 b-jet énergétique |η| 50GeV/c p T >30GeV/c Lautre b échappe a lacceptance du détecteur Veto contre 3e jet (pT ) Reduction de tt Veto 2e lepton energetique Fenêtres en H T et m lvbPerformances Sélection du signal ε ~ 2 % Principaux fonds tt Single top voie t S/B ~ 12% S/B ~ 15 (S+B)/S ~ 7% (stat) 30 fb -1

F. Chevallier (LPSC) 16 Systematics Experimental systematics Light jet & b-jet Energy Scale (p T, H T, m t cuts) Background estimation (normalization, shapes of distributions) b-tagging efficiency & mistag rates Input Top mass (affects selection efficiency) Absolute σ(W*) : luminosity L/L ~ ±5% Normalization with W lv production could help >>> All systematics are being estimated with full simulation Theoretical uncertainty ISR/FSR uncertainty (5/10% on S and ΣB) Shape of the distribution of kinematic variables hence P T,H T,m t, … M top, μ F, μ R, PDF ~ 6-8% of sg-top xsections Background cross-sections : (σ/σ) tt = 12% (NLO) (σ/σ) WQQ = 30% ? (σ/σ) Wjets = 50% ? Systematic uncertainties Use of data is mandatory

F. Chevallier (LPSC) 17 High p T b-tagged jet : p T Characteristics Jet b-tagging Jet Cone R= 0.4 |η b-jet | 2.5 p T > 30 GeV/c Discriminating power : Leading b-jet spectra is harder for top events than for WQQ/W+nj events.

F. Chevallier (LPSC) 18 Discriminant Variable : H T Characteristics Sum of all objects E T in the event H T = Σp T (jet)+p T (l)+mE T Note : can also use M tot, P tot.. Discriminating power : WQQ, W+jets : H T lower than top events ttbar events : H T higher than single-top

F. Chevallier (LPSC) 19 Discriminant Variable : M lvb Determination of M(l b) (1) Determination of p l ( ) Interpret missing E T as p T ( ) Compute p l ( ) using the W-mass constraint p l ( ) solutions : 2-fold ambiguity no solution : M W T > M W use real part for p l ( ) (2) Detemination of M(l b) Take p L ( ) and b-jet giving the highest p T (top)

F. Chevallier (LPSC) 20 High p T jets and N(jet) Jet Definition Characteristics - ParticleJetContainer - Cone R = Acceptance : |η| < Momentum : p T (jet) 25 GeV/c FullSim vs AtlFast: Atlfast shows softer spectra (Cone 0.4) Discriminating power Top events have harder spectra than W+n(jet), QCD… Third Jet Veto against ttbar as f(p T )

F. Chevallier (LPSC) 21 High p T jets and N(jet) Jet Definition Characteristics - ParticleJetContainer - Cone R = Acceptance : |η| < Momentum : p T (jet) 20 GeV/c FullSim vs AtlFast: Atlfast shows softer spectra (Cone 0.4) Discriminating power Top events have harder spectra than W+n(jet), QCD… Third Jet Veto against ttbar as f(p T ) ATLFAST

F. Chevallier (LPSC) 22 High p T jets and N(jet) Jet Definition Characteristics - ParticleJetContainer - Cone R = Acceptance : |η| < Momentum : p T (jet) 15 GeV/c Number of jets : N(jet) = 2 used for s-channel, t-channel N(jet) 3 reduce ttbar Reasonable agreement with AtlFast (Cone 0.4…) Cone 0.4 Cone 0.7 ATLFAST

F. Chevallier (LPSC) 23 High p T b-tagged jet : p T Characteristics Jet b-tagging Jet Cone R= 0.7 |η b-jet | 2.5 Likelihood L > 0.9 p T > 30 GeV/c Discriminating power : N(b-tag) = 1 exactly for W+t analysis N(b-tag) = 2 exactly for W* analysis FullSim vs Atlfast : FullSim vs Atlfast : Consistent results (cone 0.7 in FullSim…)

F. Chevallier (LPSC) 24 High p T b-tagged jet : N(b-jet) Characteristics Jet b-tagging : Jet Cone R= 0.7 |η b-jet | 2.5 Likelihood L > 0.9 p T > 30 GeV/c Discriminating power : N(b-tag) = 1 exactly for W+t analysis N(b-tag) = 2 exactly for W* analysis FullSim vs Atlfast : Consistent results (cone 0.7 in FullSim, cone 0.4 AtlF.) ATLFAST

F. Chevallier (LPSC) 25 High p T b-tagged jet : efficiency Definition Jet b-tagging : Jet Cone R= 0.7 |η b-jet | 2.5 Likelihood L > 0.9 p T > 30 GeV/c Discriminating power : N(b-tag) = 1 exactly for W+t analysis N(b-tag) = 2 exactly for W* analysis FullSim vs Atlfast : Consistent results (cone 0.7 in FullSim, cone 0.4 AtlF.) M. Cobal, M.P. Giordani, S. Rolli, C. Roda

F. Chevallier (LPSC) 26 Discriminant Variable : H T Characteristics Sum of all objects E T in the event H T = Σp T (jet)+p T (l)+mE T or P T = Σp T (jet) Note : can also use M tot, P tot.. Discriminating power : WQQ, W+jets : H T lower than top events ttbar events : H T higher than single-top FullSim vs AtlFast : Reasonable agreement for all samples (smaller dependence in cone algorithms) ATLFAST

F. Chevallier (LPSC) 27 Single Top cross-section : Influence of NLO/LO corrections Signal and Background NLO available for W* and W-g : Affect p T (jet) distribution, H T etc…

F. Chevallier (LPSC) 28 S-channel : 3 rd jet Veto Sequential analysis Selection criteria Number of jets : N(jet) = 2 Presence of two high p T jets Presence of two central, high-p T b-tagged jets Wg usually have 1 b-jet escaping the acceptance Reconstruct M lvb within m top ± 25 GeV/c 2 Window in H T

F. Chevallier (LPSC) 29 S-channel : future improvements Improved Analyses Classify the analyses According to Nb of b-tagged jets Use of more refined techniques Likelihoods defined against ttbar and WQQ L ttb and L WQQ (a la DØ) Neural Net Discriminant Variables Event global shapes are useful Angular correlations (lepton-b, b-b..) Total Invariant mass, energy sum etc… In all cases N(jet) appears to be a relevant parameter

F. Chevallier (LPSC) 30 S-channel : systematics Systematics Experimental systematics Main sources that degrades the expected precision by Input Top mass Uncertainty by ~ 12% b-tagging efficiency & mistag rates by ~ 10% (b)-jet Energy scale : ~ 20% (p T, H T, m t cuts) Absolute σ(W*) : luminosity L/L ~ ±5% Theoretical uncertainties Affects p T distributions (hence P T,H T,m t, …) Affects cross-sections : (σ/σ) ttb = 12% (NLO) (σ/σ) Wg = 3.5% (NLO) (σ/σ) WQQ = 30% ? (σ/σ) Wjets = 50% ?

F. Chevallier (LPSC) 31 Lepton and missing E T Lepton Definition Characteristics - Reconstruction : ElectronCollection - Highest electron : p T 20 GeV/c - Acceptance : |η| < 2.5 Matched with Truth electron Missing E T Definition Characteristics - MissingEtContainer = MET_Final - mE T 20 GeV/c