Estudio de eventos tt-bar en el canal de desintegración dileptónico con leptón tau utilizando el detector ATLAS Tesis de Máster en Física Avanzada Física.

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1 Estudio de eventos tt-bar en el canal de desintegración dileptónico con leptón tau utilizando el detector ATLAS Tesis de Máster en Física Avanzada Física Nuclear Experimental 20 Julio 2007 Mª Teresa Pérez García-Estañ IFIC ( CSIC – Universidad de Valencia )

2 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS2 Contenido de la presentación Introducción y motivaciones físicas El dispositivo experimental (LHC & ATLAS) Algoritmos de reconstrucción off-line de  en ATLAS –Variables –TauRec –Tau1p3p Herramientas de análisis Selección de eventos (criterios de selección) Estudio de la señal Estudio de los fondos –Z →  + 2 jets –W +≥ 3 jets Resultados y conclusiones

3 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS3 I INTRODUCCIÓN Producción de top en pares via interacción fuerte √s=1.96 (14) TeV: 85 (10) ±5% qq 15 (90) ±5% gg tt  W(→l )bW(→l )b (e+µ: 5%) fondos bajos, campo de eventos bajo. → DILEPTONES tt  W(→l )bW(→qq)b (e+µ:35%) fondos moderados, campo de eventos medio. → 1 LEPTÓN MÁS JETS tt  W(→qq)bW(→qq)b ( 45% ) fondos y campo de eventos alto. → TODO HADRÓNICO Desintegración via interacción electrodébil ~100% BR( t→W + b) TEVATRON  tt (QCD-NLO)  6.7 pb LHC: σ tt (QCD-NLO)  840 pb II

4 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS4 Motivaciones físicas: leptón tau Leptón tau: m = 1776.99 +0.29 -0.26 MeV  = (290.6±1.0)10 -15 s c  = 87.11 μm Modelo Estándar (SM) –ttH  tt  (100-150 GeV) –qqH  qq  Nueva Física –SUSY –Dimensiones extra –MSSM Higgs A/H   H +   Modos de decaimiento ttbar/branching ratios

5 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS5 El dispositivo experimental: LHC TOTEM ALICE : ion-ion p-ion ATLAS and CMS : propósitos generales TOTEM (integrado con CMS): secciones eficaces pp física refractiva 27 km LEP ring Colisionará protones a √s = 14 TeV Luminosidad 10 33 -10 34 cm 2 s -1 1-3 fb -1 t ~ 25 ns 1011 partículas/haz 20 colisiones/cruce haces LHCb : pp física quark b violación CP Iones pesados

6 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS6 El dispositivo experimental: ATLAS Full coverage for |  |<2.5 Calorímetro EM  /E  10%/  E  0.5E  0.7% (GeV) excelente identificación e/  segmentación longitudinal 4 capas Espectrómetro muónico  /p T  10% a 1TeV/c rápida respuesta trigger detección tubos deriva Calorímetro hadrónico  /E  50% /  E(GeV)  3% mayor granularidad Cal. EM Medida precisa jets y E T Segmentación longitudinal 3 capas Detector interno Si Pixel y strips (SCT) & (TRT)  /p T  5  10 -4 p T  0.001 detección partículas (trazas) Sistema magnético: solenoide (detector interno) 2T + toroides (espectrómetro muones) ~0.5T

7 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS7 Física del tau Modos desintegración leptónicos Modos desintegración hadrónicos: ~ 65 %          n   ¿CÓMO LOS IDENTIFICAMOS?

8 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS8 Motivaciones físicas El dispositivo experimental (LHC & ATLAS) Algoritmos de reconstrucción off-line –Variables –TauRec –Tau1p3p Herramientas de análisis Criterios de selección Estudio de la señal Estudio de los fondos –Z →  + 2 jets –W +≥ 3 jets Resultados y conclusiones Reconstrucción Calibración Identificación

9 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS9 Algoritmos de reconstrucción off-line Radio electromagnético, R em Aislamiento en el calorímetro Número trazas asociadas, N tr Carga del tau Anchura energía transversa pseudo parámetro de impacto E T /p T traza principal Número impactos variables

10 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS10 1.Identificación traza hadrónica buena calidad: p T > 9 GeV 2.Búsqueda trazas vecinas con p T > 2 GeV en DR < 0.2  1P  3P 0 trazas cercanas Calibración energética construcción variables discriminantes combinacion → variable discriminante  R < 0.2 “core” 0.2 < DR < 0.4 zona aislamiento aplicación de cortes para la identificación de taus 2 trazas cercanas  carga = +-1 Calibración energética  1P - candidatos single-prong  3P - candidatos three-prong Algoritmo de reconstrucción off-line: Algoritmo de reconstrucción off-line: Tau1p3p E T ~ 20-70 GeV

11 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS11 Herramientas de análisis GENERACIÓN SIMULACIÓN DIGITALIZACIÓN RECONSTRUCCIÓN CALIBRACIÓN ANÁLISIS MC@NLO (ttbar) Alpgen+Jimmy (bkg) GEANT4 Digitalización ATLAS Reconstrucción ATLAS Impactos en el detector Raw Data (tiempos, voltajes) Trazas, depósitos de energía ESD (Event Summary Data) AOD (Analysis Object Data) TIER2-IFIC Muetras CSC TIER3 NTUPLAS ROOT ATHENA

12 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS12 Criterios de selección (CDF → ATLAS) Un leptón aislado (e o µ ) con P T > 20 GeV ( Objeto de trigger ) –|  | < 1 ( CDF ) –|  | < 2.5 ( ATLAS) –Selección de electrones a nivel de AOD : IsEm=0  P T (trazas,  R<0.2) < 5 GeV –Selección de muones a nivel de AOD:  P T (trazas,  R<0.2) < 5 GeV  2 >0

13 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS13 Aislamiento de electrones y muones.  P T (trazas,  R<0.2) < 5 GeV Aislamiento calorimétrico:  T (trazas,  R<0.2,0.4) / P T

14 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS14 Identificación taus Un leptón  : E T > 15 GeV. TAU ID: Algoritmo TAU1P3P: discriminador = 1

15 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS15 Criterios de selección (CDF → ATLAS) Al menos dos jets energéticos: –E T (1er jet) > (25  50) GeV –E T (2nd jet) > (15  35) GeV

16 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS16 Criterios de selección (CDF → ATLAS) Energía transversa perdida: –E T > 20  25 GeV H T := E T +  E T (leptones) +  E T (jets) –H T > 205  250 GeV

17 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS17 Estudio de la señal.  Los cortes mas restrictivos para la señal son debidos a la identificación de leptones (e,µ,  )  El resto de criterios de selección son 90-100 % eficientes para la señal de top.

18 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS18 Estudio de los fondos Z →  + 2 jets Fondo físico. Reducción por criterios angulares y cinemáticos (próxima transparencia) W +≥ 3 jets Fondo instrumental. Reducción por criterios de identificación del leptón tau.

19 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS19 VETO DE BOSONES Z   JETS e/μ τ HAD MET

20 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS20 Estudio de fondos: Z   +≥2 jets  El veto de bosones Z es 65% eficiente, preservando el 98% de tt- barra.  Limitación estadística de la muestra de MC.

21 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS21 Estudio de fondos: W (→e,µ+v e,µ )+≥3 jets  Los cortes mas restrictivos para el fondo W+jets son debidos a  La identificación de electrones y muones.  La identificación de taus  Criterios adicionales son necesarios para obtener S/B > 1 han sido:  Oposición de signos.  B-tagging

22 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS22 Algoritmos de b-tagging Algoritmos utilizados: IP3D: Parámetro de impacto de las trazas (significancia) SV1: Vértices secundarios. B B a 0 <0 a 0 >0 x y Secondary Vertex Primary vertex Jet axis Soft lepton

23 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS23 Aplicación B-tagging 1 B-TAGG: Weight (1er JET) > -1 OR Weight (2nd JET) > -1

24 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS24RESULTADOS

25 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS25 CONCLUSIONES Se ha realizado un estudio de viabilidad para la observación del canal tt- barra dileptónico con un leptón tau en una supuesta muestra de datos recogida por ATLAS con L = 100 pb -1 utilizando muestras CSC. En el canal (e,  ): S/B ≈ 0.6 (S/B ≈ 1.3) sin (con) b-tagging. La utilización de algoritmos de b-tagging es necesaria para una primera observación. En el canal (µ,  ): S/B ≈ 1.9 (S/B ≈ 3.6) sin (con) b-tagging. Planes de futuro: Estudio comparativo de los algoritmos de identificación de taus: TAUREC versus TAU1P3P En ausencia de b-tagging: estudiar una posible selección de taus más estricta en el canal (e,  )

26 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS26 Referencias ATLAS –W. Verkerke and I.V. Vulpen, Commissioning ATLAS using top-quark pair production, ATLAS Notes COM-PHYS-2007-023 (2007) –E. Richter-Was and J. Tanaka, Tau overall performances: comparison of various algorithms for tau identification and reconstruction, ATLAS CSC Note (to be published) –F. Tarrade, Reconstruction and identification of hadronic tau -decays in ATLAS, ATL- COM-PHYS-2006-085 –M. Heldmann and D. Cavalli, An improved tau-identification for the ATLAS experiment, ATL-PHUS-PUB-2006-008 CDF –S. Torneur and A. Savoy-Navarro, The CDF Collaboration, Search for ttbar in the dilepton channels based on 350 pb −1 of CDF data, Journal of Physics: Conference Series 53 (2006) 227-233 –S. Torneur and A. Savoy-Navarro, A method to estimate the tau fake rate: from dijet to W+jets, Internal CDF note CDF/ANAL/TOP/PUBLIC/8208 –S. Tourneur, Search for top pair production in the dilepton decay channel with tau lepton at the CDF experiment, PhD thesis, Noviembre 2006 –Sarah Demers et al., A Z Mass Cut to redcue  ∗ /Z → , Internal CDF note CDF/ANAL/TOP/CDFR/6922

27 BACKUP SLIDES

28 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS28 B-tagging

29 Tesis de MásterTeresa Pérez García-Estañ (IFIC) Eventos tt-bar con leptón tau en ATLAS29 Algoritmos de reconstrucción off-line: Algoritmos de reconstrucción off-line: TauRec Reconstrucción de los candidatos a  –Identificación del cluster –Asociación de trazas –Calibración H1 hadrónica Identificación de  ’s –Cortes variables identificación