La physique du quark Top au LHC

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1 La physique du quark Top au LHC
1. Introduction Historique d’une découverte 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 5. Le quark top comme sonde de nouvelle physique La recherche du Higgs chargé

2 Historique de la découverte du quark top

3 Historique : une troisième famille de fermions ?
1974 : Deux familles de leptons et de quarks Leptons: e  Quarks: u c e  d s : Mark I et la découverte du lepton  Découverte à Fermilab de la résonance (bb)  Signe un nouveau quark b Fait t’il parti d’un doublet d’isospin ? Quarks: u c ? d s b 1984: DESY et les collisions e+e-bb Mesure des asymétries avant-arriere  AFB = 22.5 ± 6.5 %  MS: isodoublet 25.2%, isosinglet: 0% ! Y a t’il un partenaire à ce quark, le top ? Quelle est sa masse ? s / c / b : 0.5 / 1.5 / 4.5  mtop ~ 15 GeV/c2 ??

4 Historique : une troisième famille de fermions ?
1970’s: PETRA / collisionneur e+e- Recherche de résonance “toponium” Mesure du rapport R : Rhad = N(eehadrons)/ N(ee+-) Recherche d’evts “sphériques” Due à la masse attendue élevée du top Recherches infructueuses : Limites : mtop > 23 GeV/c2 1980’s: TRISTAN / collisionneur e+e- Méthodes similaires Limites : mtop > 30 GeV/c2 : LEP/SLC / collisionneurs e+e- Collisions à la résonance du Z (91 GeV/c2) Recherche de e+e-  Z  tt  Recherches négatives : Limites : mtop > 45 GeV/c2 _ Limites cinématiques !

5 Historique : une troisième famille de fermions ?
1984: UA1 / collisionneurs pp  t t (CERN) Recherche de ppW  tb  lbb  Signature : 2 / 3 jets + 1 lepton Luminosité de L = 100 nb-1: 9 evts observés 0.2 evts de fonds attendus (faux lepton, bb et cc) Résultats: Compatible avec mtop=4010 GeV/c2 …1988 : démenti Luminosité de L= ~600 nb-1 Nombre d’evts W+jets sous-estimé : 35 evts observés / 35 de fonds attendus ! Nouveau résultat: Limites : mtop > 44 GeV/c2 _

6 Historique : les 1ères recherches au TeVatron
TeVatron 88-89: CDF Recherche par production de paires : pp  tt  W*+bW*-b Canal e+2 jets : Comme mtop est attendue légère, on recherche t W*b Spectres masse transverse: MT(W*lv) < MT(Wlv) Fonds principaux: Production de W ! Résultats: Aucun excès vu  Limites : mtop > 77 GeV Simulations : 45 < mtop < 80 GeV Et si le quark top est plus lourd que le boson W ?  Stratégie de recherche différente …

7 Historique : les recherches indirectes…
Recherches indirectes à LEP/SLC de 1988 à 1994 Cadre théorique : le Modèle Standard Calcul/prédiction de toutes les observables possibles: à partir d’un ensemble fini de paramètres : mZ = Masse du boson Z GF = Constante de Fermi EM = Constante de couplage EM s = Constante de couplage forte Formalisme : “les couplages effectifs” Couplages des fermions au Z absorbant toutes les corrections radiatives: Ordre 0 mfermions = Masse des 6 fermions, dont le quark Top mH = Masse du Higgs (LIBRE) ordres A gVf = √ρ (T(3)f – 2Qf sin2θeff ) gAf = √ρ T(3)f Les corrections électrofaibles : − dépendent de mt et mH − sont de l’ordre de ~1% t +… + W/Z - W/Z t

8 Historique : recherches indirectes…
Observables électrofaibles Mesures de précision ( ) : Haute statitique: L = 160 pb-1 x 4 au “pic du Z” L = 700 pb-1 x 4 entre GeV 4 expériences LEP: ~16 millions Z 4 expériences LEP: ~35000 W Observables du Z incertitude Masse mZ Largeur ΓZ Section efficace Rapport Γhad/Γl Asymetrie A0lFB etc... ± 0.002% ± 0.09% ± 0.12% …

9 Historique : recherches indirectes…
Observables de la résonance du Z Mesure des sections efficaces Asymétries au pic du Z: - e+e- ff σ0had,σ0l 1993 12π ΓeΓf m2Z Γ2Z σ0ff = 1994 ● 1995 Γhad Γl+l- R0l = ΓZ ● Sensibilité à mt ,mH via : Γf α (g2V+g2A) ● MZ √s (GeV)  A0,fFB (M2Z)= ¾ AeAf σ(cosθ>0)-σ(cosθ<0) σ(cosθ>0)+σ(cosθ<0) A0,fFB A0,fFB = A0,fFB = ¾ Ae Af MZ Sensibilité à mt ,mH via : Af α gVfgAf / (g2Vf+g2Af)

10 Historique : recherches indirectes…
Observables de la résonance du Z Mesures de sections efficaces : Asymétries au pic du Z 12π ΓeΓf m2Z Γ2Z σ0ff = Γhad Γl+l- R0l = Sensibilité à mt ,mH via : Γf α (g2V+g2A) mesures (68% CL) σ(cosθ>0)-σ(cosθ<0) σ(cosθ>0)+σ(cosθ<0) A0,fFB = A0,fFB = ¾ Ae Af Sensibilité à mt ,mH via : Af α gVfgAf / (g2Vf+g2Af)

11 Historique : recherches indirectes…
Sensibilité en terme de mtop en 1994 Dans le cadre du Modele Standard : Les observables au pole du Z favorisent un top de masse mtop= 150 – 170 GeV/c2 Dans le cadre du Modele Standard, et seulement Dans ce cadre…

12 Historique : jusqu’à la découverte en 1995…
Découverte au TeVatron : CDF + DØ en 1995 Le quark top est recherché dans la production par paires : mtop > MW alors tt  W+bW-b mtop lourd  faible section efficace de production Fonds W+jets importants et imitant la signature  ~ 20 candidats / expérience DØ DØ : mtop = 199 ± 20 GeV/c2 CDF: mtop = 176 ± 10 ± 6 GeV/c2

13 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 Fonds W+jets importants et imitant la signature  ~ 20 candidats / expérience …2007…mesure à ~1% !

14 Aujourd’hui : le quark top dans le Modèle Standard
Définition du quark Top dans le MS Partenaire SU(2)L d’isospin faible du quark bottom Doublet tL = T3=+1/2 , état singlet tR Spin : S = 1/2 Charge électrique: Qt = + 2/3 Triplet de couleur sous SU(3) de l’interaction forte Note: aucun de ces nombres quantiques n’a été directement mesuré… Couplages : Tous les couplages sont fixés par la structure de jauge Masse : Engendrée par brisure spontanée de symétrie Acquiert une masse mt = yt v /2 avec v  230 GeV

15 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

16 La production de quarks top auprès des collisionneurs hadroniques : point de vue théorique

17 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))

18 Production de paires de quarks top
Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : 1) Interaction à courte distance entre les partons i et j 2) Interaction à longue distance entre les partons i et j σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2))

19 Production de paires de quarks top
Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : 1) Interaction à courte distance entre les partons i et j 2) Interaction à longue distance entre les partons i et j σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2))

20 Production de paires de quarks top
Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : 1) Interaction à courte distance entre les partons i et j Grand transfert / calculable en théorie des perturbations peu sensible aux effets de faible moment Calculable à tous les ordres de la théorie Somme de toutes les séries (corr. virtuelles …) Renormalisation des divergences UV apparaissant dans la série des diagrammes  échelle R2 (non physique) de renormalisation Equations du Groupe de Renormalisation (RGE): s(Q2) = σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2)) s(R2) 1+ s(R2)b ln(Q2/R2)

21 Production de paires de quarks top
Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : 1) Interaction à courte distance entre les partons i et j σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2)) ij(s’,mt2,s(R2),2) = s(R2)/mt2 Gij(s(R2), R2/mt2) Gqq(0) = Ggg(0) =

22 Production de paires de quarks top
Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : 1) Interaction à courte distance entre les partons i et j σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2)) ij(s’,mt2,s(R2),2) = s(R2)/mt2 Gij(s(R2), R2/mt2) Gqq(0) = 1/9  1- 4mt2/s’ s’ = xixj s : énergie effective dans le centre de masse des partons i et j Ggg(0) = 7/192  1- 4mt2/s’

23 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 Factorisée dans les fonctions de distribution partoniques fi(xi,F2), densité de probabilité pour le parton i de participer à l’interaction forte avec la fraction xi d’impulsion longitudinale Dépend de l’échelle F2 , qui définit l’énergie à partir de laquelle il y a séparation entre le processus “dur” et “mou” fi(xi,F2) n’est pas calculée perturbativement dans QCD, mais extraite de fits globaux (NLO) sur les donnees σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2))

24 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

25 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

26 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

27 Production de paires de quarks top
Production de quarks top Section efficace de production Section efficace intégrée sur la distribution en impulsion des partons : Calculs au NLO en deux parties: Processus dur (qq, gg tt) >> perturbatif << Calcul perturbatif de l’évolution des PDF, avec input non-perturbatifs Choix des échelles : f = R = mt (à l’échelle de production du top)  plus large que l’échelle de confinement QCD~200 MeV  calcul perturbatif valable PDF: les pdf’s existantes sont basees sur des mesures expérimentales de processus différents de ceux observés en col. Had.,  échelles  running de s(MZ2)  s(Q2)  évolution des pdfs jusqu’à l’ échelle σ(s’,mt2) =  01 dx1 01 dx2 fi(xi,f2) fj(xj, f2) σij(s’,mt, f2,R2,s(f2)) xi

28 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)

29 La détection des quarks top au LHC : aspects expérimentaux

30 Caracteristiques d’une collision au LHC : luminosite
Définition: probabilité d’interaction par seconde homogène à une surface équivalente / temps : 1 barn = cm2.s-1 Formulation aux collsionneurs pp: Paramètres gouvernant la luminosité: Croît avec le nombre de protons dans les paquets Décroit avec la “section” 2 des faisceaux ie avec leur émittance 2  Limitations principales : Densité des paquets (notamment d’antiprotons au TeVatron) Effets faisceau-faisceau (augmente  donc ) f0 fréquence de révolution NpNp f f0 NpNp 2(x2+y2) * (p+ p) L =  Emittance des faisceaux Nb proton / paquet Section selon x, y des faisceaux  * 6

31 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)

32 Nombre d’interactions / collision
Empilement d’événements Le nombre d’interactions / croisement est  1 ! due au nombre de protons / paquets etc… Nature de ces multiples interactions Principalement des multi-jets ! et collisions inélastiques Nombre d’interactions / collision dépend: Luminosité instantanée L Durée entre deux collisions : 25 ns Nombre/densité de paquets pp Section efficace:  70 mb Réarrangement des “quarks spectateurs” Deux partons interagissent (int. forte) les autres se recombinent : modèle des « quarks spectateurs » ppHZ  e+e- +- 4 traces attendues !! <n> = L  t  inel

33 Le déclenchement de l’enregistrement
Importance du déclenchement Nécessités physiques : Sélection événements incluant leptons (mous, durs) jets , jets beaux, énergie manquante Vertex déplacés Nécessités techniques: 40 millions de collisions par 1s ! Rejet des evts multi-jets  facteur ~1/100 millions Prise de décision rapide  25 ns entre collisions (utilisation de mémoires tampon) Choix de critères “durs” : selection de leptons et de jets de “grande” impulsion transverse 40 MHz 100 Hz

34 Un détecteur du LHC : ATLAS

35 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…) _ _

36 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  / 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 !

37 Un événement tteb+jjb dans ATLAS
1. Interaction dure entre partons gg tt e+vb jjb: TbW+e+b

38 Un événement tteb+jjb dans ATLAS
2. émissions de gluons initiaux et finaux (ISR, FSR)+underlying ISR FSR

39 Un événement tteb+jjb dans ATLAS
3. Fragmentation / hadronisation… : Jets hadroniques ….

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

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

42 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

43 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

44 Selection des quarks top : les jets
Reconstruction des jets Jet =  particules résultants de l’hadronisation Axe = direction pondérée le moment Ejet =  Eparticules dans un cone autour de l’axe Reconstruction de l’énergie des jets: Ejet(particules)  Ejet(parton) ! nécessité de l’étalonnage Procédure d’ étalonnage: 0) Etablir la stabilité & uniformité du calo: pulseur, flux d’ énergie en phi.. 1) Etablir l’echelle d’ énergie absolue EM: evts 0 , J/ee, Z ee  fixe l’échelle EM à partir des données 2) Relier l’échelle EM a l’échelle hadronique: evts +jets, Z+jets  fixe l’ échelle HAD sur EM

45 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

46 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

47 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, 

48 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 m nécessaire en (x,y)

49 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 m nécessaire !

50 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  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

51 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

52 Les mesures des propriétés du quark top au LHC
1. Mesure de la masse du quark top Canal “lepton+jets” Canal “di-leptons” Canal “all jets” 2. Mesure de polarisation 3. Mesure des sections efficaces single-top voie-t voie-s voie W+t

53 La physique avec les quarks top

54 Les mesures de masse du quark Top au LHC

55 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

56 La mesure de la masse du quark top (2)
Performances Nombre d’événements 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

57 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

58 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

59 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

60 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)

61 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

62 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

63 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

64 Les mesures de polarisation du boson W dans les désintégrations du quark top

65 Mesure de polarisation du W : stratégie
Stratégie de mesure Selection des événements pp ttlb jjb 1 lepton de haut pT Energie transverse manquante 4 jets de pT  30 GeV/c 2 jets de b de pT  40 GeV/c Reconstruction exclusive de l’événement Quark top hadronique t (Wb)jjb  Reconstruction de Mjj proche de mW  Reconstruction de mjjb proche de mtop Quark top leptonique t (Wb)lb  Reconstruction de pZ du neutrino  Reconstruction de mlvb proche de mtop Utilisation du lot “purifié” en tt pour la mesure de la polarisation

66 Mesure de polarisation du W : sélection
Performances Efficacité de selection ~4.5% Nbre d’événements à 10 fb-1 ~115,000 Fonds principal: tt+X Autres fonds: Non-top : S/B > 60 ! Rapport S/B ~ 12 ! Avant selection (x106) Apres sélection W(→lν) +4jets ~20 (pTjets>10 GeV) [500,1400]* QCD bb 6000 (√ŝ>120 GeV) 250* Z(→l+l-) +jets 50 17 ZZ+ZW+WW 1 6 W(→lν) bb 0.7 4 Single top 300 tt  +X 1.3 8500 tt  all had 3.7 90 SIGNAL 2.5 115000

67 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 < 95% CL (Tev. run I , 109 pb-1) W t b b t W b t W FL+F0+FR=1

68 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 < 95% CL (Tev. run I , 109 pb-1) W t b b t W b t W Toute déviation de FR=0 peut être vue comme un mélange V+A avec V-A (modèle LR) FL+F0+FR=1

69 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)  *

70 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

71 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 *

72 Mesure de polarisation du boson W : méthode
Selection et correction La reconstruction & sélection distordent les distributions  Corrections du spectre sur échantillon indépendant parton level, no ISR/FSR Fonction de Correction Fit avec 3rd order polyn. dans [-0.9;0.9] Reconstruction et coupures appliquer les poids evt / evt

73 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:

74 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

75 Les mesures de sections efficaces de single-top au LHC

76 Mesure de la section efficace single-top
Production simple de quark top au LHC Trois mécanismes de production dans le MS : Intérêts majeurs : Ce mode de production n’a pas été mis en évidence:  évidence à ~3 (DØ) établie en Novembre 2006 pour la somme des contributions (voie-s + voie-t) …C’est un des résultats majeurs du run II (avec les oscillations Bs)… voie-t voie-s voie W+t

77 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

78 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 b !

79 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

80 Reconstruction du top leptonique mlvb
Reconstruction du top : t (Wb)lb 1) Détermination du moment longitudinal pZ() Interprétation de mET comme pT() Calcul de pz() en utilisant la contrainte mW2 2 solutions pour pz() : choix de pz() la plus petite Si pas de solution (MWT > MW) Prend la partie réelle de la solution Pureté: ~63% efficacité: ~70% 2) Recontruction de Mlb Choix du jet-b donnant le plus haut pTtop Optimisation de la fenetre sur Mlb  Borne inf liée a la rejection des W+jets WZ, etc.. Pureté ~55% et efficacité ~60%

81 Recontruction de l’énergie totale transverse HT
Energie total transverse HT Définition Activité de l’ événement dans le plan transverse  HT = pT(jet) + pT(lepton) + mET Evénements top : forte multiplicité en jets et objets de haut pT Pouvoir discriminant Optimisation de la fenetre sur HT:  borne inférieure : séparation des W+jets , WZ, etc..  borne supérieure : séparation des single-top de la production de paires Dépendance forte : – Détermination de l’échelle d’énergie des jets – Détermination de l’énergie manquante

82 Recontruction de l’énergie totale transverse HT
Energie total transverse HT Définition Activité de l’ événement dans le plan transverse  HT = pT(jet) + pT(lepton) + mET Evénements top : forte multiplicité en jets et objets de haut pT Pouvoir discriminant Optimisation de la fenetre sur HT:  borne inférieure : séparation des W+jets , WZ, etc..  borne supérieure : séparation des single-top de la production de paires Dépendance forte : – Détermination de l’échelle d’énergie des jets – Détermination de l’énergie manquante

83 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

84 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

85 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..

86 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

87 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

88 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 Discrimination Fonds W+jets – Jets de haut pT (35 GeV) – 1 jets de b de haut pT 35 GeV – Energie/masse totale etc..

89 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

90 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

91 Le quark top : sonde d’une physique au-delà du Modèle Standard ?

92 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 Il affecte directement la stabilité de la masse du Higgs: Le quark top interagit de maniere étroite avec le champ de Higgs mH = mH yt2 (1/162) g2 (1/162) 22 (200 GeV)2 = mH [ - (2 TeV) (700 GeV) (500 GeV)2 ] (/10 TeV)2  Probleme de hierarchie & fine tuning !

93 La SUSY et le top La supersymetrie Theorie renormalisable
Unification des couplages Theorie a deux doublets de Higgs 3 higgs neutres 2 higgs charges Stop partenaire du quark top Compensation de contribution aux corrections a mH

94 Single top W* et le Higgs chargé
Charged Higgs & single-top Production mode in 2 HDM : 5 higgs: 3 neutral (A,h,H) + 2 charged (H±) Mass spectrum predicted in MSSM  (H+tb) couplings depends on mH± and tanβ Cross-section x BR(H±tb): May be as large as 1/3 of W* in (mH± ,tan) – Increase with tan / Decrease with mH± Cross-section in pb mH+ (GeV/c2)

95 Charged Higgs sensitivity : cross-section and efficiency
Performance in (mH±,tan) plane Strategy : Use the analysis for the s-channel – no use of spin-0 property of H±  Limited by the precision on σtt Selection efficiency: Increases with mH± up to 250 GeV/c2  higher pT of H±decay products with mH± Efficiency in % Cross-section in pb

96 Charged Higgs sensitivity: event yields…(1)
Performance in (mH±,tan) plane Selection efficiency: – Cross-section increases with tan – Cross-section decreases with mH± – Efficiency increases with mH± Event yields : mH±=220 GeV/c2 ,tan=50 – efficiency  ~ 0.3% – Event yield : ~140±10 evts (after Mlvb and HT window cuts) mH±= 220, tanβ=50 S/B ~ 1.3

97 Charged Higgs sensitivity: event yields…(2)
Performance in (mH±,tan) plane Selection efficiency: – Cross-section increases with tan – Cross-section decreases with mH± – Efficiency increases with mH± Event yields : mH±=250 GeV/c2 ,tan=50 – efficiency  ~ 1.9% – Event yield : ~285±15 evts (after Mlvb and HT window cuts) mH±= 250, tanβ=50 S/B ~ 5.7

98 Charged Higgs sensitivity: event yields…(3)
Performance in (mH±,tan) plane Selection efficiency: – Cross-section increases with tan – Cross-section decreases with mH± – Efficiency increases with mH± Event yields : mH±=300 GeV/c2 ,tan=50 – efficiency  ~ 2.1% – Event yield : ~190±10 evts (after Mlvb and HT window cuts) mH±= 220, tanβ=50 S/B ~ 1.3

99 Charged Higgs sensitivity in single-top: significance
Performance in (mH±,tan) plane Significance : A 5σ-discovery can be reached in (mH±,tan) – provided σ(single-top), σ(top pair) are well determined – provided we can control experimental systematics Perspectives : Many improvements expected: – specific analysis for H± still to be done – more sophisticated tools to be used – extension to other H± decays – complementarity with W+t measts &direct searches – complementarity with tt searches where tH+b Significance in Nσ

100 Conclusion : le quark top au LHC

101 Conclusion (1) Le quark top Element apparu tot dans le Modele Standard
Nécessité d’une 3eme famille Cohérences des mesures et des prédictions du secteur électrofaible Particule découverte en 1995 Masse du quark 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  Lieu idéal pour les études de propriétés de spin, polarisation Production en paires au TeVatron  Largeur mesurée indirectement  Production “single-top” accessible avec plus de stat. au LHC Nbre quantiques connus dans le MS  mais non mesuré précisemment

102 Conclusion (2) Sonde pour la nouvelle physique
Recherche de nouveaux bosons de jauge Higgs chargé, bosons W’  Production de paires si particules plus légeres que le top  Production single-top si particules plus lourdes Mise en évidence de nouveaux couplages Mesure de Vtb différent de 1 Couplages anormaux (theories GUT) Polarisation  courants V+A, V-A Bref, un des plus et excitant programme d’etudes au LHC ! Merci à : M. Chomel, B. Clement, F. Maltoni