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Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.1
1. Introduction– Le Run II : motivations et caractéristiques
2. L’upgrade de DØ – Les nouveaux détecteurs de Traces– Les détecteurs à pied de gerbe – Performances
3. La Physique des saveurs lourdes– Physique du quark Top– Physique du B
4. Conclusion
Arnaud LucotteISN Grenoble
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.2
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L’upgrade du TeVatron
Upgrade du collisionneur à Fermilab– Amélioration du Linac– Installation du Main Injector: synchrotron/accél. de 120-150GeV– Installation du Recycleur (MI): refroidissement/stockage/recyclage
des anti-protons
Caractéristiques de fonctionnement
Main InjectorTeVatron
Linac D∅∅∅∅
Run Ib Run IIa Run IIa Run IIb Structure / Paquets 6x6 36x36 140x108 140x108 Lum. (×1032 cm-2 s-1) 0.16 0.86 2.1 5.2 Lum. Integrée (fb-1) 2 10 ? Energie cdm (GeV) 1,800 2,000 2,000 2,000 Tps entre paquets (ns) 3500 396 132 132 Interactions / croisemt 2.6 2.3 1.9 4.8
CDF
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Motivations physiques du Run II
Test de précision du Modèle Standard:– Propriétés du quark Top
• Mesure de masse, BR(t→Wb), σ(tt)...– Propriétés des bosons W/Z:
• Mesure de Z →bb, mw, Γw sin2θw
importance pour contraintes sur la masse du Higgs
Physique du B– Mesure d’oscillations du BS
• détermination de ∆ms / ∆md
• seule machine avant le LHC– Mesure de la violation CP dans B0
d-B0d
• détermination de sin2β– Spectroscopie, masses, tps de vie des mésons B– Désintégration rares du B– Test de QCD –production de bb
Recherche directe de Higgs (run II étendu)– Higgs de basse masse H →bb (mH<130 GeV/c2) – Higgs de haute masse H → WW* (mH<180 GeV/c2)
Recherche de nouvelle physique:– Production squarks et gluinos: q,g – Sensibilité à t,b– Production de paires de gauginos: χ1
± χ1ο et χ1
± χ20
~~~
~
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∅∅∅∅
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Le détecteur D∅∅∅∅
Calorimètre (bouchon)
Tube à Vide
Muons Torroide
Det. Traces
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L’upgrade du détecteur D∅
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Les détecteurs Centraux
Silicon Microstrip Tracker (SMT)– 6 barrels + 12 disques
Fiber Tracker (CFT)– 8 super-couches de fibres scintillantes
Solenoid– champ de 2T (supra-conducteur)
Central Preshower (CPS)– 3 couches de strips/pistes + fibres scintillantes
Forward Preshower (FPS)– Strips + fibres scintillantes
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Détecteur au Silicium
Motivations:– mesure des moments des traces proche du tube à vide– mesure des vertex secondaires pour identification des quarks lourds
Caractéristiques:– 790 K canaux – Couverture : |η| < 3– Supporte radiations > 1 Mrad– Déclenchement de niveau 2: paramètre d’impact
6 barrels 12 Disques F 8 Disques H
240 cm
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Silicon Tracker – détecteurs
Structure: détecteur à micro-pistes Si1. Tonneau: 6 modules, 4 couches
• Double Face: couches 1,3 (90o stereo) couches 2,4 (2o stereo)
• Simple Face: couches 1,3 (modules exterieurs)
2. Disques Centraux: 12 (2.5 < r < 10 cm)• 12 wedges double-faces / disque• pitch 50 & 62.5 µm, ±15.0o stereo
3. Disques Arrieres : 4 (9.5<r< 20 cm, z=94,126cm)
• 384 single-sided detectors for 4 disks,• picth 40 µm, ±7.5o stereo
carbon fiberhalf-cylinder support
cooling channel
beryllium bulkhead
ladder (layer 4)
1
23
4
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Détecteur de Vertex
Performances– vertex primaire ~ 15-30 µm– paramètre d’impact ~ 50 µm
20 cm
Disque F
Barrel
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Faisceau Test du Silicon
Faisceau test du Silicon détecteur (Juin - Septembre 1997)
125 GeV Pions
S/N ≈ 19:1
Charge déposéedans les clusters
σ ≈ 9 µmRésolution en Position
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20cm
50cm
Détecteur Central à Fibres scintillantes (CFT)
Caractéristiques:– Fibres de diamètre de 830 µm– 8 super-couches de rayon r = 20 à 51 cm– 2 doublets par couche: Axiales + Stereo (angle ~3o) u-z, v-z– Couverture: |η| < 1.7– Nombre de canaux ~77k
Performances:– Résolution position
~100 µm– Information utilisée
niveau 1/2
130cm
uv stereoz-axial
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Performances du CFT
Test avec des muons (cosmiques)a) 8.5 p.e. / fibre
• > 2.5 p.e. nécessaire pour 100% efficacité
b) Résolution sur la position (Doublet):• ~100 µm
c) Efficacité reconstruction (Doublet):• > 99.9%
(b)
σ=92µm
δx (mm)
0
500
1000
1500
2000
2500
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
(a)
Pulse height (p.e.)
0
10000
20000
30000
40000
50000
0 5 10 15 20 25 30 35 40
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Tracker à fibres scintillantes
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Front End:PS+traces
4.5o
Preshower Central (CPS)
Caractéristiques:– Pré-radiateur 2X0 (solénoide + Pb) – 3 couches de pistes triangulaires traversées par fibres scint.:
1 axiale (x) + 2 stereo 20o (u,v) = 1280 x 3 canaux – Lecture / secteur conjointe avec le Tracker
Performances:– Identification des particules:
• Position : résolution <1.4 mm (e- de 10 GeV) / 600µm (µ-)• ID : étiquetage électron avec Preshower + trace
– Déclenchement:• niveau 1,2: réduction des fonds QCD par facteur 3-5
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Preshower Avant-Arrière
Caractéristiques:– Placement sur paroi externe du cryostat du Calorimètre bouchon – Couverture : 1.5< |η| < 2.5 – 4 couches de strips triangulaires / fibres scint.:
• 4 x stéréo 22.5o (u,v) = 14878 canaux• 2 couches(u,v) / Radiateur 2X0 (Pb) / 2 couches(u,v)
Performances:– Meme résolution que pour le preshower central– Déclenchement & ID particules:
• L1 & L2 : réduction des fonds QCD par facteur 3-5
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Lecture des Fibres scintillantes
Système de lecture des fibres– Commun au tracker + preshowers– Signal (photon visible) guidé par fibres WLS
Amplification du signal – Cartes Analogiques “Front End” – Photo-conversion de photons visibles (VLPC)
• Température: T=6-13 K• Amplification: 40K-60K , efficacité quantique ~80%• Conversion : 15 p.e. / mip (1 mip ~ 0.8 MeV)• Bruit faible: seuil 1.3 p.e. (0.5% occupation)
Scintillating FiberOptical Connector
Waveguide Fiber
Mirror
Photodetector CassetteElectrical Signal Out
Cryostat
VLPC
1 photoelectron2
3
4
Pulse Height
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Performance des détecteurs de traces
Résolutions sur pT et sur paramètre d’impact (SMT + CFT):– Haute efficacité de reconstruction (95%)– Résolutions vs rapidité η
• moment: dpT/pT2 = 0.002 (Silicon+CFT)
• paramètre d’impact b: <80 µm
– Reconstruction des Vertex:• Vertex primaire ~15-30 µm (r-Φ) pour tt / bb • Vertex secondaire: ~ 40 µm (r-Φ) , 100 µm (r-z)
η
0 1 2 3 4
∆ pT/p
T (%
)
0.1
1
10
100
pT=1 GeV
pT=10 GeVpT=100 GeV
Run Ia muons
δpT/pT = 8% @ pT = 45 GeV @ η = 0
II
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Performance des détecteurs de traces
Efficacité d’ étiquetage du b / évenement– utilisation de nb de traces de haut paraméetres d’impact b±/s
Identification des électron/photons • Réjection E/p (calibration du CAL EM), signe (charges) • Déclenchement electron dès niveau 1
b±/σ=>=3=:> 50% de ttbar events< 2% de W+jets
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.21
Le Système Muon Central
1) Chambres Proportionnelles à dérives (PDT)
– Utilisation des PDT’s existantes pour |η| < 1– Utilisation de gaz (Ar+CH4+CF4) plus rapide (tps dérive ~450ns)– Remplacement électronique “Front End” (pas de temps mort)
2) Scintillateurs
– Extension couverture (sous le calorimetre)– Réjection des fonds cosmiques (timing)– Résolution en temps 2.5ns
• déclenchement L1 / ID en dehors du torroide • étiquetage en temps pour muons dans PDT’s
3) Scintillateurs - région centrale– 630 compteurs (70 en Φ X 9 en z) – Fournit:
• déclenchement L1• muon ID avant le torroid (muons de faible pT) • Etiquetage en temps des muons
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.22
Le Système MuonAvant/Arrière
Détecteur Arrière (1<==|η|=<=2):=– Remplacement des chambres proportionnelles (PDT’s)
• 3 couches de MDT’s de fine granularité: 1x1 cm2
– Utilisation de Gaz (CF4+CH4)• temps de dérive a 40-60 ns
Scintillateurs Arrières (1<==|η|=<=2):=– 3 couches de Scintillateurs pixel (∆η x ∆φ =Τ0.1Τx 4.5o) / octant
• Etiquetage en temps des muons , combinaison vs traces du CFT • Déclenchement niveau 1
Scintillateurs “pixel”“Mini-Drift Tube” (MDT)
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Protection des chambres à Muons
Boucliers autours du tube à vide
– Composé de Fer (39cm), polyethylene (15cm), Plomb (15 cm)
– Rejette fonds
• p et pbar interagissant avec calo+ tube à vide+quadrupôles
SansShielding
énergie EMdeposée(GeV/cm3/sec):
Avec Shielding
r (cm)
z (cm)
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.24
Le Calorimètre de DO
Calorimètre – Absorbeur : Uranium / Echantillonneur: Argon Liquide
• Cryostat Central : | η | < 1.0 • Cryostat Avant/Arrière: 1.2 < | η | < 4.0
– Fine segmentation:• 5000 Tours: ∆ϕ×∆η = 0.1 x 0.1• Fine granularité (0.05 x 0.05) à l’extension maximale de gerbe EM • Tours de déclenchement: ∆ϕ×∆η = 0.2 x 0.2
– Performances:• σ(EM) ~ 16% / √E et σ(HAD) ~ 50% /√E • Résolution position ~0.8-1.2 mm pour e- de 100 GeV
Electronique du Run II– adaptation aux 396/132 ns entre paquets
• pipeline
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.25
L2FW:Combine objets (e, µ, j)
L1CAL
L2STT
GlobalL2
L2CFT
L2PS
L2Cal
L1PS/
L1FT
L2Muon
L1Muon
Detecteur Niveau L1
7 MHz 8 kHz 1 kHzCAL
FPSCPS
CFT
SMT
Muon
Architecture & Contraintes
(100 µs)(4.2µs)
L1FW: tours CAL, traces, Muon• 128 combinaisons (ORs) possibles• Calorimetre vs Preshower + traces • Calorimetre vs Traces
Niveau L2
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.26
Résumé: l’upgrade de
Détecteurs de Traces– Silicon:
• paramètre d’impact, vertex– Tracker à fibres scintillantes
• Moments, permet le E/p avec le calorimètre
Détecteurs de pied de gerbe:– Capacité d’identification d’électron/photon accrue
• région centrale et bouchon– Limite la dégradation de résolution de Emesurée
calo
– Déclenchement au niveau 1/2:• réjection x3-5 p/r calorimètre seul
Calorimètre– performances comparable à 5x1032 avec 2x1031 (en fait 15% moins bon)
Chambres à muons– Seuils pT plus petits (pas de “pre-scale”):
• single muon pT >7 GeV/c, • di-muon pT > 2 GeV/c
– Fonds réduits et amélioration du déclenchement
Déclenchement– Largeur Bande passante accrue: 7 MHz en entrée
• L1 → 8 kHz • L2 → 1 kHz • L3 → 50 Hz sur bande
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.27
Déclenchement avec le SMT
Principes d’un déclenchement avec le SMT– Projection des traces CFT dans SMT– Trouver hits / SMT le long de la trajectoire– Ré-ajuster la trace (SMT+CFT)– Calculer paramètre d’impact B + erreur
SB = B/σσσσB
σB2 = (12.6)2 + (49.7/ pT)2 µm
Bénéfices d’un déclenchement STT– Amélioration du déclenchement:
− Z→bb avec ε ~ 20% vs fonds 20 HzCollection de 43000 Z→bb (900 avec µ)
− ZH→ννbb avec ε ~ 80%
– Assure un échantillon important:– Reconstruction résonances bb– Résolution en Masse Mbb, énergie Jet– Estimation efficacité b-tag– Résolution de Masse
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Le QuarkLe Quark TopTopLes Bosons W/ZLes Bosons W/ZLe MésonLe Méson BB
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La physique du Top
Programme de Physique du Top au TeVatron– Masse du quark Top– Section efficace de production, dynamique– Rapport de Branchement, désintégrations rares– Vertex Wtb– Largeur du quark Top– Recherche de Higgs chargé
Le TeVatron au Run II– Energie dans centre de masse:
• de 1.8 TeV à 2.0 TeVProdution de paires tttbar:
σ(pp →tt+X)= 8 pb (accroissement de 40%) Production de “single top”
• accroissement de 22% dans tb (s-channel)• accroissement de 44% dans tqb (“W-gluon fusion”)
Statistique attendue au Run II:
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Production du Quark Top
Production de paires de quarks Top au TeVatron– anihilation de quarks ⊕ fusion de gluons
– Section efficace de production:
Désintégrations du Quark Top
Classification états finaux:bjj+blν “jets + leptons”blν+blν “di-leptons”bjj+bjj “all-jets”
7.5 pb85%15%
5.5 pb90%10%
σ(σ(σ(σ( tt ))))Etat initial qq Etat initial gg
ECM=2.0 TeVECM=1.8 TeV
⊕
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.31
Evénement t t
Etiquetage du b par “soft lepton” Etiquetage-µ avec εb
µ ~ 10% / jet Etiquetage avec e (algo complexe) : PS+Calorimetre+CFT
ttbar (b-lepton) εbl ~ 20%
-
-
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.32
Evénement t t
Etiquetage du b par Vertex déplacéHadron b vole LXY ~ 3 mm– Performances de CDF (Run I)
• Résolution sur parametre d’impact ~ 40µm, L/σ ~ 3• Efficacité d’ étiquetage / jet : ~44% pour “fake” ~ 0.1%• Efficacité d’ étiquetage de paires ttbar ~42%
-
-
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.33
Masse du Top: “lepton+jets”
Sélection des événements (type “Run I”)– 1 lepton isolé, E– ≥ 4 jets, utilise les “leading jets”– Etiquetage du b– Ajustement cinématique (2C):
• 24 variables, 1 libre• 3 contraintes:
M(lν) = MW , M(qq’)=MW
M(lνb) = M(bqq’)combinaison de meilleur mfit ,χ2
– Fonction de vraisemblance:
• calcule densité probabilité D = Π S/B per évt
tt e,µ
ν
“centralité”
“vs gluon rad”
“Aplanarité”
b
b
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Masse du Top: “lepton+jets”
Détermination de la Masse: [Abott et al., hep-ex/9801025]– Ajustement likelihood L(mt) = D / 1+D dans le plan (mt , D)
• 91 événements (7 b-tags)
mt = 173 ± 5.6(stat) ± 5.4(syst) GeV/c2
Incertitudes principales:– Echelle d’énergie– Combinatoire + gluon
• 12 (pas btag)• 6 (1 b-tag)
4.0 GeV2.5 GeV1.9 GeV1.3 GeV0.9 GeV1.0 GeV5.4 GeV
échelle d’energie JetFond W+jets
tt QCD radiationBruit & int. multiple
MC statistique Fit Likelihood
TOTAL
ErreurSystématiques
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.35
Masse du Top: “di-leptons”
Sélection des événements– 2 leptons isolés + Energie manquante – Ajustement Cinématique:
• 24 variables, 4 libres (2ν)• 3 contraintes : (-1C)
M(lν) = MW , M(l’ν’)=MW
M(blν) = M(bl’ν’)résolution en supposant connue mt
– Fonction de Vraisemblance: P(mt | {oi}) ∝ P({oi} | mt) • fonction de la cinématique & espace des phases de tt • fonction des variables cinématiques {oi} (MC)• fonction des fonction de résolution du détecteurs• fonction de l’assignation des jets
consommateur de temps CPU !
– Modélisation simplifiée:
• Variables des neutrinos (νWT) poids W fonction de mt
• Pondération Element de Matrice (MWT)
Data vs MC(signal+fonds)
ν
t
e,µe,µ
ν
t
b
b
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Analyse en di-leptons
Détermination de la Masse [Abott et al., hep-ex/980829]– Ajustement likelihood –ln L(mt) (νWT et MWT ~ sensibilité)
• 6 evts (2 ee, 3 eµ, 1 µµ )
mt = 168.4 ± 12.3(stat) ± 3.6(syst) GeV/c2
Incertitudes– Echelle d’énergie– Forme des fonds & signal
(générateurs)– Statistique
2.4 GeV1.8 GeV1.1 GeV1.3 GeV1.1 GeV0.3 GeV3.6 GeV
échelle d’energie JetGenerateur FondGenerateur SignalBuit & int. multiple
Fit LikelihoodMC statistique
TOTAL
ErreurSystématique
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.37
Masse du Top au Run I
Résultats au Run I– Combinaison de 5 mesures (3 CDF + 2 DO)
– Incertitudes:stat. ~ systématique• énergie jet• Fonds, pdf• Statistiques
– Corrélations:100% (2 exp.): • distribution partonique• gluon ISR, FSR 0% : • Echelle d’ énergie jet• fonds , etc...
CD
F l+
jets
CD
F al
lhad
CD
F di
lept
on
D0
dile
pton
D0
l+je
ts
CDF l+jetsCDF allhad
CDF dileptonD0 dilepton
D0 l+jets
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Correlation in top mass
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.38
Masse du Top au Run II
Perspectives au Run II– Capacite de sélections accrues:
• Calibration des jets pT utilisant les data:Z+jets , γ+jets, W→jet jet, Z →bb
• Contraintes MC par data• Meilleure identification des e/µ• Meilleure systématique avec double-étiquetage du b
– Erreurs systématiques probablement réduites:• “lepton+jets”:
– Incertitude totale:• ∆mt = ± 2 - 3 GeV/c2 ( par expérience)
5.6 GeV4.0 GeV2.5 GeV1.9 GeV1.1 GeV5.5 GeV7.8 GeV
Run I1.3 GeV2.2 GeV0.7 GeV0.4 GeV0.3 GeV2.3 GeV2.7 GeV
StatistitiquesEnergie Jet
Generateur FondGenerateur Signal
Fit LikelihoodTotal syst.
TOTAL
Run IIIncertitudes
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.39
Pourquoi mesurer mt ?
Interet de la Mesure de la Masse du quark TopDe nombreuses prédictions du MS dépendent de mt , ex: – Mélange BB
– Corrections radiatives aux masses W / Z • paramètre
ρ = mW2/mZ
2cos2θw
• ρ →1+∆ρ≡ (α/π) mt
2/mW2 -(α/4π) ln(mH
2/mW2 )
contraintes sur mH *dans MS*• Avec:
∆mW ~ 40 MeV/c2
∆mt ~ 3 GeV/c2
W
d
d
Wb
b
tt
d
d bt
W W
b t
preliminary
68% CL
Run II (2 fb-1)
−
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.40
Sections efficaces du Top
Mesures au Run I
Perspectives au Run II– ∆σ(tt) ~ 8%
• les incertitudes en majorité varient en 1/√N (stat)• systématiques sur fonds, acceptance réduites avec stat.
– Mesure B(t→Wb)/B(t→Xb)• precision attendue de 7% (2fb-1) • sensible aux désintégrations sans W (ex. H+b; stop léger)
– Recherche de résonances ttbar• Utilise le Spectre mtt (ex: Z’)
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.41
BR(t→Wb) et Vtb
Rapport de Branchement – BR(t→Wb) ~ 100% dans le Modèle Standard
Mesure de |Vtb| – Attend |Vtb| ~ 1 avec 3 générations
• 4eme génération: départ de 1.... – Mesure:
• rapport d’evts avec 0,1,2 jets étiquetés-b dans l+jets • corriger d’acceptance/efficacité:
• CDF: Run I = 0.99±0.29 • Si on suppose 3 générations, alors |Vtb| > 0.76 @ 95%CL
Perspectives au Run II– Mesure avec évenements tt:
• ∆ |Vtb | ~ 2% (2 fb-1)
B t W bB t W q
VV V V
tb
td ts tb
( )( )
| || | | | | |
→ +→ +
=+ +
2
2 2 2
-
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.42
Production de single Top
Production de single Top / courant chargé– Production:
σ=2.44±0.12 pb σ=0.89±0.05 pb signal = l+2 jets+ 1b-tag signal = l+2 jets+ ≥ 1b-tag
– Largeur par mesure de:σ(single top) ∝ Γ (t → W+b)
Perspectives au Run II (2 fb-1)
– Nombre evts ~ 330– Rapport S/B ~ 1/10
• ∆σ(single top) ~ 19% • ∆Γ(t W+b) ~ 27% • σ(qq →tb) ∝ |Vtb|2
∆|Vtb| ~ 14%
q
q–´
W*
t–
b
s-channel W* process
g
b
W
q
b–
t
q´W-gluon fusion process
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.43
Recherche de Higgs t→ bH±
Recherche de Higgs chargé – Modèle Standard Minimal, 1 seul doublet Higgs
• Un boson de Higgs physique H0
– Modèles étendus (MSNM, MSUSY) à 2 doublets Higgs• 5 Higgs phsyiques: H, h, A, H+, H-
• Secteur électrofaible spécifié par: mW, mH, tanβ(tanβ = rapport des vev des 2 doublets de Higgs)
• Si mH± < mt – mb,
BR(t→ bH+) important ∀ haut / bas tanβ• Désintégration H+
H+ → τ ν, cs H+ → t*b → Wbb
– Analyse:• disparition d’ événements σtt
• calcule P(mH±, tanβ | n(obs) )
– Perspectives Run II• section σtt augmentée de 40%
sensibilité accrue (~600evts)
Wbb
cs
τντντντνBR(t→→→→ bH+)>0.5
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.44
Corrélation de spin du Top
Principe de la mesure– TeVatron: 90% des états initiaux sont qqb avec gluon spin-1– Les Top se désintègrent avant hadronisation
• leptons sensibles à la polarisation du Top
– asymétrie “même spin” vs “spin opposé” dans les paires ttbar~70% ttbar d’hélicité opposée
– Mesure de corrélation angulaire θ+ vs θ-
• κ = 0 : corrélation de spin• κ = 1 : corrélation de spin• κ > -0.25 @ 68%CL (Run I)
Perspectives au Run II– Mesure à 3σ
l+ν
b
optimalaxis
θθθθ++++
l-
ν b
optimalaxis
θθθθ−−−−
t rest frame t rest frame
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.45
Echelle d’énergie des jets
Correction de l’ échelle d’énergie des jets– Principale source d’incertitude dans mt:
• Association parton / jet reconstruit dans calorimètre hadroniqueCalibration en 3 étapes:
– Fonction de:• la définition des jets (cone de largeur ∆R, énergie E), η(jet)
– Offset dans la réponse en énergie du calorimètre O (∆∆∆∆R,ηηηη,E) :• Correction du bruit électronique + fission Uranium• Corrections des interactions multiples (lumi. dépendant)• Corrections du fond provenant des “quarks spectateurs”
– Détermination de la réponse en énergie R(∆∆∆∆R,ηηηη,E)• Utilise événements γ + jets pour la calibration (EM vs Hadron)
– Correction des modèles d’ hadronisation + gerbe S(∆∆∆∆R,ηηηη,E)• Energie flow et développement du jet (gluon en dehors du jet)
Ejet = {Erecojet-O}/ (1-S) R
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.46
Calibration des jets au run II
Echelle d’ énergie des jets– Si l’ échelle d’ énergie fausse
biais systématique sur mt
Calibration avec jets de b (Z → bb):– bénéficie de déclenchement
dévolu aux Z → bb• Traces + Ht parametre
d’impact au L2 – Pour évenements étiquetés b
• reconstruire Z → bb∆Mbb/Mbb
• réduire l’erreur sur échelle
d’énergie du jet Réduction incertitude : 2 à <1 GeV
Calibration avec ttbar– Echantillons de ttbar (double t-tag)
• échelle d’ énergie des quarks légers (W →qq’)
– Avantages: • peu de fonds non-top
– Inconvénients:• dépendance aux jets de gluons
résolution avec qq seuls: 18 GeVrésolution avec qq+g : 36 GeV !
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.47
Etiquetage du b au run II
Etiquetage des b par vertex déplaces– crucial au Run II – Approche multi-tag a DO:
• parametres d’impact• vertex secondaires• soft-lepton dans jet• likelihood
Prob(b), Prob(c) / jet– Performances *préliminaires*:
• “MC rapide” (SMT+CFT):• Efficacité = 0.56±0.01 (vertex)
– Perspectives Run II:• Efficacité εb~ 65% (lepton e +µ +vertex) / jet (extrapolation CDF)
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.48
Etiquetage du b au run II
b-jets
c-jets u,d,s,g-jets
Etiquetage des b par vertex déplaces
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.49
Résumé: Physique du Top au run II
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.50
Physique du B au Run II
Contexte au TeVatron:
– section efficace inélastique tq: S/B ~ 10-3 !!déclenchements spécifiques
Programme au Run II– Tests de QCD , production de Charmonium– Principal source de BS avant le LHC
• Oscillations BS0 → DS nπ
– Mesures de masses et temps de vie• Hadrons: B± Bd
0 BS0 Λb
– Spectroscopie du système Bc – Désintégrations rares
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.51
Tests de QCD au Run II
Mesure de section efficace bb– Mesure de section eff. inclusive
• Signal: pp → bb+X : µ+jets, µ µ +jets, J/Ψ(µµ)X• Fonds: π/K → µν , c→ µX, W→ µν, Z→ µ µ, cosmic
– Analyse:• mesure muon: dσ/dpT
µ (|ηµ |)• fraction provenant de b:
dσ/dpTµ (b→µX)
• soustraction des fonds (MC)Section efficace totale/ dif.
– Résultats:Comparaison Data vs MC:
désaccord de facteur 2 – 4 !!
Mesure des corrélations bb → µµ+X– identifier mécanismes de production
par mesure de ∆Φµµ• LO : anihilation qqb + fusion gg• NLO: directe,
excitation saveur splitting gluons
Perspectives Run II:– confirmer
• accord / désaccord avec stat.• identifier mécanismes production
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.52
La matrice CKM
Matrice CKM dans le modèle standard– Description des courants chargés: (Wolfenstein)
• Eléments non prédits par le MS. Contrainte d’unitarité.• Eléments contraints par les mesures
• avec: λ ≡ sinθc ≈ 0.22A , ρ, η ≈ de l’ordre de 1
– Contrainte expérimentalement
Violation CP dans le modèle standard– intervient via la phase η (Wolfenstein)
• Amplitudes violant CP: JCP ≈ A2ηλ6 ≈O(10-4)effets faibles attendus dans le MS !
• Par les interférences
����
����������������
����
����
tbtstd
cbcscd
ubusud
VVV
VVV
VVV ����
����������������
����
����
−−−−−−−−−−−−
−−−−−−−−
−−−−−−−−
≈≈≈≈
1)1(
21
)(21
23
22
32
AλiηρAλ
Aλλλ
iηρAλλλ
+O(λλλλ4444)
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.53
Les triangles d’unitarité
Triangle d’unitarité
– Contrainte théorique d’unitarité:
• 6 relations, dont 1 impliquant les éléments moins connus:
Vtb*Vtd + Vcb*Vcd + Vub*Vud = 0
• représentée par des triangles d’aire ½ JCP
La violation CP dans le MS– Violation CP ⇔ triangle non nul
ie: angle + coté ≠ 0
– Nécessité de la Mesure des angles:• Bd →π+π- pour sin2α (CDF)• Bd →J/Ψ(ll) Ks (π π) pour sin2β (D0+CDF)
– Nécessité de la Mesure de coté(s):• Oscillations B0
d− B0d *et* B0
S − B0S (D0+CDF)
(ρ,η)
ααααBd →ππ→ππ→ππ→ππ
Bd →→→→ J/ΨΨΨΨ KS
B →→→→ lννννXu
Bd →→→→ D0K*0…
ββββγγγγ(1,0)(0,0)
*
*
cbcd
tbtd
VVVV
1-ρρρρ-iηηηηρρρρ+iηηηη
−−−−−−−−
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.54
Contraintes sur le triangle d’unitarité
Contraintes sur ρ et η– Mixing du Bd , du Bs
contraintes sur |1 - ρ - iη |– Violation CP dans les désintégrations du K0
L
contraintes sur η(1-ρ+ 0.35 )– Désintégrations semi-leptoniques du B (pas de c)
contraintes sur: √ρ2+η2
sin2β = 0.75 ±0.09 (CERN-EP/98-133)
- Résultats de CDF (Run I): - mesure des oscillations du Bs
Note: Depuis , doit ajouter les résultats de BBar et Belle !
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.55
Mesure de l’asymétrie CP dans le système B0
d -B0d
Asymétrie dans le système B0d -B0
d– Oscillations de B0
d -B0d :
– Asymétrie:
Mesure de l’asymétrie dans B0d (B0
d )→ J/ψ Ks– Asymétrie CP (intégrée en temps) :
– Asymétrie observée:
Aobs = Dtag Dfond Dmix ACP
• Dmix = xd / (1+xd2) mélange des états B0
d
• Dfond = √S/(S+B) rapport S/B (résolution de M)• Dtag = 1- 2pmistag pmistag= fraction de mauvais étiquetage
– Trois étapes dans la mesure:1. Déclenchement 2. Reconstruction de l’événement3. Etiquetage de la saveur du B
M. Standard
Asymétrie dans le taux de production du meme état CP:
B0→→→→B0→→→→F ≠≠≠≠ B0→→→→B0→→→→Fββββ−−−−
ββββ
≈≈≈≈∝∝∝∝→→→→
≈≈≈≈∝∝∝∝→→→→2i2*
td2tdd
2i2td
2tdd
e|A|Vm)BB(Ae|A|Vm)BB(A
BB00
H0
2
B
BLHB
00L
0
MBqBpBdbB
)10(OMMMBqBpBdbB
∆∆∆∆<<<<<<<<∆Γ∆Γ∆Γ∆Γ−−−−========
≈≈≈≈ΓΓΓΓ
∆Γ∆Γ∆Γ∆Γ−−−−====∆∆∆∆++++======== −−−−
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.56
Déclenchement J/ψ → l+l-
Signatures utilsées au Run II:1. Déclenchement single muon
• [L1] single muon (Trace+ Hits dans chambre Muon / scintillateur)• [L2] Traces a haut paramètre d’impact
2. Déclenchement dilepton:• [L1] di-lepton avec Calorimètre + PreShower + Trace (e)
Muon Hits + Track (µ) • [L2] Masse M(ll), Séparation angulaire, paramètre d’impact
Stratégie de déclenchement: – Caractéristiques du signal:
< pT(J/ ψ)> ~ 0.7 < pTB >
avec < pTSB> ~ MB
< pTl > ~ 2.5 GeV/c
électrons seuils calorimétriques très faibles ET
muons: seuils scintillateurs très faibles
– Caractéristiques du Fond:Fonds QCD (dijet) élevé (>5 kHz)
nécessite de combiner un maximum d’info au L1
déclenchements spécifiques
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.57
Déclenchement J/Ψ→e-e+ (L1)
Efficacité:– centrale ε ~ 12-18%– avant/arriere ε ~ 5-10%– dépend des seuils:
• calo: ETCAL ~ 2.75-3.0 GeV
• Preshower: EPS ~2-5 MIPsFond di-jets:
– Taux: 200-1000 Hz – Controlé par
• coincidence par quadrant• seuils EPS , & ET
CAL
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.58
Déclenchement J/Ψ→e-e+ (L2)
Efficacité:– centrale ε ~ 8-15%– avant/arriere ε ~ 4-8%– dépend de seuil L1 CAL ET
Fonds dijets QCD:– Taux: 50-100 Hz: région centrale – avant / arrière – Réduit par Fenêtre en Masse
• EM isolation• Coincidence fine tour EM vs PreSshower (3D)
– Réductible: utilisation du vertex• ≥2-3 traces / haut paramètre d’impact
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.59
Déclenchement J /Ψ→ µ−µ+
Déclenchement muon– Déclenchement (L1):
• single muon – Déclenchement (L2):
• Di-lepton: M(µ−,µ+),∆Φ(µ−,µ+)• Traces de haut paramètre
d’impact: SB = B/σσσσB
Performances attendues:– Efficacités:
• di-µΤ+Τµ+X ∼ Τ20%– Fonds QCD:
• Taux Fonds L2 ~ 30 Hz
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.60
Reconstruction de Bd →J/Ψ Ks
Reconstruction du J/Ψ→l+l-:– 2 leptons de pT > 1.5 GeV/c et |η| < 2.0
Reconstruction du K0S→π+π-
– 2 pions π± de pTπ > 0.45 GeV/c et |η| < 1.8
– Kaon K0S de pT
K > 0.75 GeV/c – Lxy /σxy ≥ 5
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.61
Reconstruction de Bd →J/Ψ Ks
Reconstruction du Bd →J/Ψ Ks– Reconstruction du vertex
• Vertex reconstruits min. 2 traces
• Temps de vol moyen ~2.3mm
• Resolution Vertex mesuré ~100 µm
– Ajustement de la Masse• 4 traces • Suppose B→ J/ψ +KS
• Contrainte sur:M(ππ) = M(KS) M(µµ)=M(J/ψ)
• Contraintes de Ks sur le vertex B
Performances Run II– Resolution Masse:
• σM(B)=10 MeV
IDEntriesMean
345 2000
0.2316
IDEntriesMean
346 447
38.99
94.34 / 16Constant 256.4Mean 5.271Sigma 0.1018E-01
94.34 / 16Constant 256.4Mean 5.271Sigma 0.1018E-01
94.34 / 16Constant 256.4Mean 5.271Sigma 0.1018E-01
94.34 / 16Constant 256.4Mean 5.271Sigma 0.1018E-01
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.62
Etiquetage de la saveur du B
Etiquetage de la saveur du B:– Facteur de mérite: εtag Dtag
2
• Efficacité d’ étiquetage εtag
• probabilité de mauvais étiquetage P: Dtag = (1-2 P)
– Etiquetage “coté du B”:• saveur(B) correlée au π+/-
– Etiquetage “coté opposé”:• Lepton issu du b (b→lX)• Charge du jet (Q<0 pour b)
– Estimation Run I vs Run II
• DO: εεεεtag Dtag2 ≈≈≈≈ 6.7%
bd
u
π -B0
d
u d
π -
B0d
B**-
b
Tag =====ε D 2 (%)
CDF Run I ε=D 2 (%)
CDF Run IISame side 1.8 ±=0.4=±=0.3 2.0
Lepton(soft) 0.9=±=0.1=±=0.1 1.7 Charge Jet 0.8 ±=0.1=±=0.1 3.0
Cote Opp. K 2.4 Combinaison 9.1
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.63
Violation CP avec B0d→J/Ψ=KS
Projection pour δsin2β (temps intégré)
• Dmix = 0.47 (xd=0.71)• Dfond = √ S(S+B) ~ 0.7 (S / B =1)• .εTag D2
tag ~ 0.067
– 1 an de prise de données à DO:
- Comparaison avec autres expériences:
D∅∅∅∅ CDF1fb-1 1fb-1
8K 9K0.11 0.09
BaBar30 fb-1
1.1K0.10
1 fb –1
15%3,5000.14
J/Ψ→Ψ→Ψ→Ψ→e-e+1 fb-1
20%4,5000.12
Luminosité Efficacité decl.(%)Evts reconstruits
Sensibilité δsin2β
J/Ψ→µΨ→µΨ→µΨ→µ-µµµµ+Mode
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.64
Les oscillations dansle système B0 -B0
Les oscillations dans le systeme B0−B0
– Etats propres d’interactions forte et EM (fragmentation, hadronisation)
– L’interaction faible ne conserve pas la saveur
• Mélange des états B0−B0 : diagrammes en boites (ordre 2)
• Oscillations entre les deux états B0−B0 (t)
• Dépend de la différence de masse ∆mB , ΓB des 2 états:P(B0→B0) ≠ P(B0→B0)
• Intégration dans le temps:
χ = ½ x2 /(1+x2) où x= ∆mB/ΓB
– Interêt des mesures:
• ∆mq ∝ GF mBq mW2 |Vtb*Vtq|
coté du triangle d’unitarité !
rapport ∆ms / ∆md ∝ |Vts/Vtd | !
Vtb
)10(B
B
200
00
−−−−≈≈≈≈ΓΓΓΓ
∆Γ∆Γ∆Γ∆Γ∆∆∆∆<<<<<<<<∆Γ∆Γ∆Γ∆Γ−−−−====
ΓΓΓΓ−−−−ΓΓΓΓ====∆Γ∆Γ∆Γ∆Γ−−−−====∆∆∆∆++++====
OMBqBp
MMMBqBp
B
BBBH
HLBLHBL
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.65
Mixing du BS à DØ
Enjeu de la Mesure – Fréquences d’oscillations liées a ∆mq ∝ Vtb
* Vtq2
• Vts > Vtd , le Bs oscille + vite que le Bd
– Modele standard prédit une valeur observable– Les Bs ne sont pas produits à Υ(4s)
Echantillons utilisés– BS → DS π+ 100 - 300 evts– BS → DS π+π− π+ 300 - 900 evts
• DS → φπ= → ΚΚπ=• saveur finale étiquetée par charge du DS
• modes hadroniques basés sur lepton du b opposé
– BS → J/ψ +=Κ=
∗ 300 - 1000 evts• déclenchement plus facile• étiquetage de la saveur ε=D2 ~ 6.7 % • saveur finale étiquetée par la charge du K dans
Κ ∗ → Κ +π−
)(
)()06.016.1(
|tsV||tdV|
dBmmsBmm
s
d
••••∆∆∆∆
••••∆∆∆∆••••±±±±====
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.66
Futur des expériences B
1ere génération d’expériences B
2eme génération d’expériences B
0.09 0.13
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.67
B → π+ π- à DØ
Analyse B → π+ π-
– Déclenchement sur lepton du B opposé• 1 lepton pT > 3 GeV/c • 2 autres traces de pT > 1.5 GeV/c
– Efficacité de detection:→ 0.25 - 0.5 %
Evenements attendus au run II– Bd → π+ π- 300 - 600– Bs → Κ+ Κ- 650 - 1300– Bd → Κ+ π- 1300 - 2600– Bs → Κ+ π- 150 - 300
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.68
Physique des bosons W/Z
Production au Run II– Graphes:
– Sections efficaces élevées:σ(pp→Z+X)~7nb et σ(pp→W+X) ~ 7 nb
– Modes au Run II:• W → eν, µν (~11%)• Z → ee, µµ ( ~ 3% )• Z → bb (Run II)
– Statistique attendue (2 fb-1):
1
10
10 2
10 3
10 4
10 5
10 6
10 7
82-83 84-85 88-90 92-93 94-99
UA1 (elec) UA1 (muon)
UA2 (elec)
CDF (elec)
CDF (muon)
DØ (elec)
DØ (muon)
LEP II (total)
Years of Collider Runs (SPS, Tevatron and LEP II)
Num
ber
of W
bos
ons
dete
cted
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.69
Masse du boson W
Masse au Run I– Masse transverse:
MTW = √ 2 PT
ePTν (1 - Cos∆φ)
– Résultats DO: mW = 80.48±0.09GeV/c2
– Incertitudes dominantes:mT (GeV)
num
ber
of e
vent
s
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
65 MeV75 MeV25 MeV15 MeV15 MeV37 MeV 92 MeV
Run IStatistitiquesEnergie Jet
Resolution Detecteur PDF’sPT(W)
Recul (Modele)TOTAL
Incertitudes
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.70
Masse du boson W
Perspectives au Run IIRéduction des incertitudes– Statistique:
• Diminue à <20 MeV (mais limité par int./croisement)– Résolution & réponse du détecteur:
• Taille des échantillons statistiques (Z,J/Ψ,Υ)– Modèle de production MC:
• Contrainte des fonctions de structure partoniques (pdf)• Différence production W,Z visible (haute stat.)
Incertitude totale attendue: ∆mW = 40 MeV/c2
Autres options pour mesure de mW
• Masse a partir du spectre en pT de l’électron(sensible à pT
W)• mesure du rapport MT
W / MTZ
(utilise LEP, sensible a l’acceptance du neutrino)
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
10
0 50 100 150 200 250 300
b-space (Ladinsky-Yuan)CTEQ4M g1=0.11 GeV2
g2=0.58 GeV2 g3=-1.5 GeV-1
Fixed-order (O(α2))sMRSA
DØ 1994-1996
pT(GeV)
dσ/d
p T*B
R(Z
→ee
) (p
b/G
eV)
PT(Z) spectrum
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.71
Largeur du boson ΓW
Largeur du W– Test les couplages du W / comparaison au SM– Test des corrections sensibles aux effets non standard
Mesure de R:
– Résultats:ΓW=2.062 ±0.059 GeV
Perspectives au Run II
– Attend (2 fb-1):
• ~0.010 (stat) GeV • +err. théorique
– Mesure directe !• -sensible à erreur theo.• Utilise spectre MT
∆Γ = 30-50 MeV
MTW lineshape
RW/Z = σ*B(W)/σ*B(Z)
Run IIa
SM
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.72
Propriétés des bosons W
Contraintes sur fonction de densité partonique (pdf):– Mesure de l’asymétries de charge due à:
Asymétrie dans la distribution leptonique
– Bénéficie a D0: • couverture détecteur
|η| < 2.5• Electron ID (preshower)• Muon ID
Perspectives Run II– Contrainte des pdf’s:
• CTEQ, MRSD ...
– Mesure cruciale pour *toute* mesure de précision
|ηlepton|
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
CTEQ2M, 2/fb
MRS D-, 100/pb
Asy
mm
etry
60
Production: Xu > Xd Couplage V-A
pu d
_
p_
W+l+ ν
W++
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.73
Asymétrie avec le boson Z (AFB)
Asymétrie Avant-Arriere avec Z→ll, qqbar– Processus au niveau des partons (qq → ll)– Dépendance en gV et gA du Z aux leptons– Sensible à sin2θW
Perspectives au Run II– 2fb-1 => 100k Z->ee events
– mesure sin2θW pour les quarks légers jusqu’a 0.001 (LEP 0.0016)– Erreur systématiques faibles car effet minimal de la fragmentation– Test du MS et contrainte sur le rapport u / d (pdf)
e+e- Mass (GeV/c2)
40 60 80 100 120 140 160 180 200
Asym
met
ry, A
FB
-0.4
-0.2
0.2
0.4
0.6
-0.0
ppbar->e+e-
100,000 events
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.74
Couplages anormaux
WWg and WWZ Couplings– ¨ SM predicts triple gauge boson coupling
– 4 independent amplitudes with coupling constants– k = 1, l=0 k = 0, l=0 – CP
– tree level unitarity constrains couplings to SM values at high energiesintroduce form factor
– ¨ study via diboson production : Wg, WW, WZ
– ¨ non standard couplings ® increased cross section– harder pT spectrum
W
W
γW
W
Z
~ ~
1
1 2( )+S n
Λ
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.75
Limites sur couplages non-standard WWγ=et WWZ Channel present limits 1 fb-1
Wγ→lνγ |∆κγ=|ΤΤΤ<ΤΤ1.4 <Τ0.38|λγ=| <ΤΤ0.4 <Τ0.12
WW, WZ →lνjj |∆κγ=|ΤΤΤ<Τ 0.8 <Τ0.35|λγ=|ΤΤΤΤΤ<Τ0.5 <Τ0.19
→ Limites gagnent un facteur 3-5 au RunII
Couplages anormaux
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.76
Paramétrage des Couplages tri-linéaires – h1
Z, h2Z, h3
Z, h4Z h1
γ, h2γ, h3
γ, h4γ
– dans MS: hiV = 0
|h3,1| |h4,2|RunI RunII RunI RunII
ZγΤΤ→llγ <1.6 < 0.11 <0.4ΤΤΤΤΤΤ<0.0064→ννγΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤΤ<0.9ΤΤΤΤΤΤΤΤ<0.038 <0.21ΤΤΤΤ<0.0027
– Limites gagnent un facteur 10-100 au RunII (1fb-1)
Z
γZ
Z
γγ
Couplages ZZγ, Zγγ
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.77
Conclusion
Le TeVatron délivre des données depuis 1er mars DØ est au complet (hardware), détecteurs installésConfiguration complète de l’electronique: ~été 2001
Les capacités DØ sont significativement amélioréesNouveaux détecteurs de traces dans 2T: traces, vertexAmélioration du système de détection des muonsNouveaux preshowers: capacité d’ID electrons/photons
Les perspectives de physique sont enthousiasmantesMesures de précision (EW, Top, MW)Physique du B: violation CP, Bs mixingRecherche de signaux SUSYRecherche de Higgs mH < 180 GeV (Run IIb)
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.78
t and b sensitivity– Depends on their decay channels:– Should be sensitive to t as heavy as 250 GeV
if t →=b χ1± or t →=b l ν
• q, g production– jets + ET signature– Sensitive for masses up to ≈ 400 GeV
• Gauge-mediated SUSY breaking: utilize new experimental capabilities
– Gravitino G is the LSP – If χ1
0 is NLSP, χ10 →=γ=G:
γγ+ ET: excellent ET resolution in DØif displaced photons: photon pointing to ~2 cm
using calorimeter + preshower– If τ is NLSP, τ=→=τ=G
τ’s with missing ET
or τ’s with large impact parametersor τ’s with highly ionizing tracks: dE/dx in SMT
SUSY in Run II
~ ~
~~~ ~
/
/
~
~
~
~
~ ~ ~
~ ~
/
~
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.79
In mSUGRA framework
m0 = universal scalar mass at GUT scalem½ = universal fermion mass at GUT scale
Gaugino pair production (χ1± χ1
� and χ1± χ2
0 ) can probe m½ up to ~250 GeV for favorable values of parameters. Corresponds to gluino mass of ~ 600 GeV. Search for trilepton signatures.
Similar sensitivities in jets + ET channelFor large tanβ, τ decays of χ dominant
– Run II improved τ-jet id (narrow jets + tracks in cone) important for τ signatures
~ ~ ~ ~
~ ~/
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.80
faisceau test du prototype FPS
Objectifs:– Test de l’ électronique d’acquisition (SVX-II)– Caractérisation des particules e / pions– Calibration du détecteur (pe’s / MIP)
Banc d’essai:– faisceaux pions, électrons (30, 50, 70 GeV)– 4 modules testés, chips SVX-II, VLPC + Cryogénie
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.81
Déclenchement avec le nouveau L1
Principes du niveau L1– 2 niveaux “hardware” (FPGA):
• détecteur-spécifiques: liste d’objets• global: combinaisons des informations (plusieurs sous-détecteurs)
– 128 termes / declenchement topologiques:• Calorimètre + Traces signées + Preshower / par quadrant• Muon + Traces
Bénéfices physiques– Physique de faibles pT
• Amélioration du déclenchement de: électrons, muons provenant de b J/ψ→ee,µ µ
• Réjection Fonds QCD: σbb / σpp ~1/1000 ! facteur 2-5 de réjection
– Physique de haut pT
• meilleure efficacité W/Z, ttbar, et meilleure réjection fondslibère bande passante: ET(e)>10 GeV: 700~Hz réduit à 200 Hz !
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.82
Compteurs à scintillation
Compteur A-Φ
Scintillateur “cosmic-cap”
Scintillateur “bottom”
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.83
Performances du CPS
Tests avec des muons (Cosmiques):
DataQ cosθSingletDoublet
(a)
Charge (p.e.)
Eve
nts/
0.5
p.e.
0
500
1000
1500
2000
0 5 10 15 20 25 30
y-ytrk (mm)
Eve
nt/0
.2m
m a) CPS 11m Datasingletdoubletfit
MC
0
1000
2000
3000
-10 -5 0 5 10
Lumiere & Charge
- 11m clear waveguide
- Singlet = trace passe a traversun simple strip
- Doublet = deux strips
Resolution
muons
σ(doublet) ≈=550=µm
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.84
Performances du FPS
Electrons: forme de gerbe EM versus MC:
Calibration: 1 mip = 14±3 p.e. EFPS vs EVraie
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200True energy in GeV
< E
(tot
al)
> (m
ip)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Eff
icie
ncy
in %
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.85
1/4 Detector
CFT Layers
Pre-Shower
CAL tower
����������������������������
����������������������������
L1PS
L1CFT
L1CAL
Déclenchement EM central L1
Calorimètre EM / HAD basé sur: # tours EM (0.2x0.2) avec E> seuil (2.5 , 5, 7, 10 GeV)
Pré-Shower Central (CPS)basé sur: # gerbes EM = Σ strips avec Estrip > seuil Haut/Bas
Détecteur de Traces central (CFT)– #trajectoires signées / bin pT [1.5-3], [3-5],[5-10] GeV/c
Déclenchement global:– Coincidence par quadrant etc... 128 combinaisons possibles
• 1 tour EM + ( 1 gerbe CPS + 1 Trajectoire pT )
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.86
TE
EMseed
TE
2nd
EM Tower block* 33
windowisolation
3*3 Hadronic Tower block
������������
������������
������������������������
������������������������������������
������������
L2CAL
L2PS
L2CFT
L2CTT
0.2*=Cal Tower∆η, ∆φ)( 0.2Φ
Z
u
x
v
cps(η,φ)
Déclenchement EM central L2
Calorimètre EM/HAD– Tours calorimétrique “seed” = L1 – Energie EM totale du dépot:
• ETEM = ETSEED + ET2nd-max – Fraction EM du dépot:
• EMF = ETEM/(ETEM+ETHAD)– Isolation du dépot:
• TISO = ETEM/Σ(ETEM +ETHAD) (3×3 Σ + “seed”)
Préshower PS:– forme les gerbes 3D (u,v,x) →(η,ϕ,z) étiquetée electron/photon
Détecteur de Traces (CFT)– convertit les trajectoires L1 en trace (fit)– extrapole trace jusqu’a 3eme couche du calorimetre EM(3)
(maximum de la gerbe)
Détecteur Vertex (SMT+CFT)– combine traces CFT et SMT – ré-ajustement :
• pT, d0 parametre d’impact
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.87
Electron dans FPS
Pb
L1CAL
L1PS
Déclenchement EMAvant/Arriere
Calorimetre EM • tours EM (∆η×∆Φ = 0.2�0.2) ☺ ET >[2.5, 5, 7, 10] GeV
PreShower Avant /Arriere • gerbes = Σ strips avec Estrip > seuil Haut/Bas (5/10 MIPs)• electron = gerbe PS (u ou v) + MIP (u ou v)
Déclenchement global– combinaison des termes , coincidence par quadrant etc...
• ex: 1 tour EM + 1 electron (u et v) FPS
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.88
DAQ des fibres scintillantes
Déclenchement et digitization du signal fibre:– Utilisation de deux gammes dynamiques:
• Détection MIP (~0.9 MeV): traces , calibration [0.3-3] MIP• Reconstruction des gerbes electrons [5, 60] MIPs
– Déclenchements et lecture:• L1: chips SIFT [0/1], alimente carte trigger (FPGA)• L2: chips SVX-II qui digitize le signal
SIFT
SIFT
SVX
SVX
SIGNALMIP
SIGNALGERBE
Logique Trigger(FPGA’ s)
SIGNAL TRIGGER
VLPC
Scintillateur
Fibres WLS
Q
0.27 Q
0.09 Q
[5-160]fC [0-150]fC
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.89
Recherche de signaux SUSY
Supersymétrie – résout principaux défauts du MS– Ne considere ici que la R parité conservée (supergravity)
SM SUSY
q q squarksg g gluinos
l l sleptons sneutrinos neutralinos,
Z W h , H ,AH charginos,
G G gravitino
i0
0
0 0 0
i = 1,4
i = 1,2
~~~
~
~
~~
ν νγ χ
χ
±
± ±i
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.90
Recherche de Squark/Gluino
Recherche de squark/gluino:– Analyse basée sur Missing pT + jets
• besoin de bonne résolution ETmiss
• Déclenchement sur ETmiss prévu au Run II
Maximum reach au RunII ≈Τ300 GeV
g~ Mass (GeV)
σ ×
EFF
(fb
)
Background (fb)
200 pb-1
2 fb-1
25 fb-1
100 150 200 250 300 350 4001
10
10 2
10 3
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.91
Chargino/Neutralino
Recherche de Chargino/Neutralino
Signature: Tri-lepton + Missing pT
• low backgrounds• Couvre large fraction de l’espace des parametres SUSY • Requiert acceptance lepton≈Τ|η|=3 pour pT>5 GeV/c
100 200 300 400 50040 50 70Lightest Chargino Mass (GeV)
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
100
101
102
103
Cro
ss-s
ectio
n x
BR
x E
FF
(fb
)
ABCD
200 pb
2 fb
25 fb -1
-1
-1
q
q_
W*χ_
1+
χ_
10
W
l+
ν
χ_
20
χ_
10
Z
l+
l-
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.92
Top squarks
Recherche de Stop– Pour m(stop) < m(top)
detectable
auTevatron
– Canal Leptonique • Lepton+bjet+jets+Missing pT
– Perspectives au RunII (2fb-1) • M(stop) » 150 GeV
– Canal dilepton • 2lepton+jets• M(stop) » 150 GeV (RunII)
– Missing pT + acollinear jets • M(stop) » 150 GeV
~ ~~ ~~
t b +
b +
1 →
→ +→ +
±χν
χ
1
0
λc
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.93
Recherche de nouvelle physique au run II
Signal cross-section presentlimit
discoveryreach (1fb-1)
right handed W 0.5-1000 pb 650 GeV
W' 0.5-.0001xσW 720 GeV 1 TeV
Z' 0.1-.001xσZ 670 GeV 1 TeV
scalar 1st gen. leptoquarks 1-100 pb 143 GeV 300 GeV
scalar 2nd gen. leptoquark 1-100 pb 140 GeV 300 GeV
squark and gluino pairs 5-1000 pb 230 GeV 390 GeV
gaugino pairs 0.5-10 pb 90 GeV 90 GeV
stop 0.1-100 pb 93 GeV 150 GeV
b' 10-1000 pb 95 GeV ?? (130 GeV)
q* 0.1-100 pb 720 GeV 800 GeVb'
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.94
Perspectives de découverte du Higgs au TeVatron run II
Canaux:WH →→→→ lνννν bbZH →→→→ νννννννν bb, ll bbZH →→→→ qq bb
Eléments clés:1. Calibration Jet b2. ∆∆∆∆Mbb/Mbb ~ 10% 3. Efficacité d’étiquetage4. Estimation des fonds &
systématiques ~ 10 %
mH < 130 GeV/c2
LEP2 searches EW fits
135< mH < 180 GeV/c2
Canaux:H→→→→ W*W* →→→→ lνννν l’νννν’WH →→→→ WW*W* →→→→ ll’lνννννννν’ννννWH →→→→ WW*W* →→→→ l±±±± l±±±± jjνννννννν
Eléments clés:1. Lepton ID/déclenchement2. Résolution sur ET
3. Haute luminosité: >10 fb-1
4. Bonne estimation desfonds / systématiques
5. Combinaison des canaux
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.95
MH
[G
eV
/c2]
600
400
500
100
200
300
03 5 7 9 11 13 15 17 19
log10 Λ [GeV]
Triviality
EW vacuum is absolute minimum
EWPrecision EW
direct Search
80.2
80.3
80.4
80.5
80.6
130 150 170 190 210
mH [GeV]107.7300 1000
mt [GeV]
mW
[G
eV]
Preliminary
68% CL
LEP1, SLD, νN Data
LEP2, pp− Data
Higgs Boson in the Standard Model
Higgs Phenomenology in the (Minimal) SM – Higgs & EW Symmetry Breaking
• 1 scalar Higgs • mH as free parameter
– Theoretical Constraints:• Unitarity upper bound• Vacuum Stability
lower bound
Experimental Constraints on mH– Indirect constraints:
• MW vs MTOP measurement• LEP EW fits
– LEP2 Direct Measurements:• mH > 114 GeV/c2
mH < 185 GeV/c2 @ 95% CL
130 GeV/c2 < mH < 200 GeV/c2
mH > 114 GeV/c2
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.96
Higgs Boson in Minimal SUSY
Higgs Phenomenology in the MSSM– Higgs Spectrum:
• 2 Higgs doublets → 5 physical Higgses:
• Lightest Higgs is mh < O(MZ) (< Mz at Tree Level !)
• Cross-section smaller than in SM:
– Charged Higgs(es)• Searched for in t → H± b via σ(tt → WbWb) meast• Searched for in ?????
Experimental constraints– Neutral Higgs(es)
• ????????????????????????????????• ????????????????????????????????
– Charged Higgs(es)• ?????????????????????????????
σ(σ(σ(σ(qq→→→→Vh)))) ==== sin2(β−αβ−αβ−αβ−α) σ(σ(σ(σ(qq→→→→VhSM))))
σ(σ(σ(σ(qq→→→→VH)))) ==== sin2(β−αβ−αβ−αβ−α) σ(σ(σ(σ(qq→→→→VHSM ))))
h , H , A , H±±±±
xxxx A<-->h,H H+- xxxx
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.97
Higgs Production Mechanisms:
SM Higgs Production at TeVatron
gg→→→→HSM
– Low Mass Analysis impossible:
qq→→→→V*→→→→ VHSM
– Most promising mechanism: • σ ~ 1/4 σ(gg→HSM)
H0g
g
t
t
Z*/ W*Z / W
H0
q
q’
Backgrounds Cross-section (pb)
σσσσ(WW) 27.4 pbσσσσ(WZ ) 3.2 pbσσσσ(Wbb) 11.0 pbσσσσ( tt ) 7.5 pbσσσσ( QCD ) O(106) pb
MH(GeV) 110 120 140 160 180σσσσ (pb) 0.22 0.16 0.09 0.05 0.03
MH(GeV) 110 120 140 160 180σσσσ(gg→→→→H) 0.90 0.70 0.45 0.29 0.20
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.98
SM Higgs Decays
– Higgs coupling g(Hff) ∝ g.mf
• BR(H → bb) > 80% • BR(H → τ τ) ~ 10%
– Use Associate Production• WH → lν bb• ZH → νν bb, ll bb• ZH → qq bb
– gg→→→→H→→→→bb unaccessible• σ(qq→ bb) too high
– Higgs coupling to boson g(HVV) ∝ g.mW & g.mZ/cosθW
• BR(H → W*W*) > 80%• BR(H → Z*Z*) ~ 20%
– Use final states:• gg→ H→ W*W* → lν l’ν’• WH → WW*W* → ll’lνν’ν• WH → WW*W* → l± l± jjνν
Use Higgs decays into H→→→→ bb
!! Counting Experiment !!
Use Higgs decays into H→→→→ W*W*, Z*Z*
mH< 130 GeV/c2
140< mH <200 GeV/c2
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.99
Strategy for Higgs Searches at run II
mH< 130 GeV/c2
Trigger efficiency on high pT leptonMissing ET resolution Single / Double b-tagging efficiency (against fake)High resolution bb-mass peak (against Wbb & QCD(bb) ) Understanding of background shape & normalisation
130 <mH< 190 GeV/c2
Trigger efficiency on high pT leptonMissing ET resolution Good knowledge of background shape & normalisationCombination of ALL channels
Backgrounds:WW →→→→ lνννν jjWZ →→→→ lνννν jj tt →→→→ blνννν blννννWq →→→→ lνννν jj Wbb→→→→ lνννν bb
Signal final states:
WH →→→→ lνννν bbZH →→→→ ll bb,ννννννννbb
Signal final states:(W,Z)H→→→→ (W,Z)W*W* →→→→ l±±±± ννννl±±±±νννν jj(W,Z)H→→→→ (W,Z)W*W*→→→→ l±±±±ννννl±±±±’νννν’l±±±±ννννgg→→→→ H→→→→ W*W* →→→→ lνννν l’νννν’
Backgrounds:WZjj →→→→ lνννν l’νννν’ jjW(Z,W) →→→→ lνννν lνννν l’νννν’Wq →→→→ lνννν jj + l-fakett →→→→ blνννν bl’νννν’
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.100
Triggers for Higgs Search
Lepton ID & Trigger– Muon ID:
• New scintillators:
– Electron ID:
• Pre-shower detectors:
• New tracking system (DO) w/ 2T B field
– Trigger Architecture: • Electronics revisited (adapt for 132 ns bunch spacing)• Capabilities enhanced significantly vs run I:
e- in jets, ππππ-rejection
E/p, lower thresholds pT(e) > 5.0GeV/c
Increased coverage
Lower thresholds pT(µµµµ)
L1 :Calorimeter + Track + Preshower combined (DO)
L1 : Track-Jets trigger (CDF)
L2 : Displaced Vertex (CDF, DO)
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.101
Triggers on secondary Vertices
Principes d’un déclenchement avec le SMT– Projection des traces CFT dans SMT– Trouver hits / SMT le long de la trajectoire– Ré-ajuster la trace (SMT+CFT)– Calculer paramètre d’impact B + erreur
SB = B/σσσσB
σB2 = (12.6)2 + (49.7/ pT)2 µm
Bénéfices d’un déclenchement STT– Amélioration du déclenchement:
− Z→bb avec ε ~ 20% vs fonds 20 HzCollection de 43000 Z→bb (900 avec µ)
− ZH→ννbb avec ε ~ 80%
– Assure un échantillon important:– Reconstruction résonances bb– Résolution en Masse Mbb, énergie Jet– Estimation efficacité b-tag– Résolution de Masse
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.102
b
B tagging in Higgs Search
B tagging at CDF & DO– Mandatory for Low Higgs analysis
• WH(bb), ZH(bb) ...• Background: QCD jet, c-jets
– “Multi-tag” Approach is crucial• Displaced Vertex
• High Impact parameter tracks
• Soft Lepton from b → lν X
• Multi-variable analysis
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
b->c-> ele Ptrel bceptrel_gen
Nent = 796 Mean = 0.3502
RMS = 0.1933
Under = 0
Over = 0
b->e
b->c->e
b->c-> ele Ptrel bceptrel_gen
Nent = 796 Mean = 0.3502
RMS = 0.1933
Under = 0
Over = 0
doprimaryvtx
secondaryvtxLxy
d0/σσσσd0 > 3
2 tracks / vtx , Mvtx , Lxy/σσσσxy
pTrel, lepton in jet
DO - full simulation
Likelihood, NeuralNet
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.103
B tagging in Higgs Search
B tagging performance– SHW results assumed:
• No full simulation (MC + smearing)• εb ~ 65% / 80% (tight / loose tag)
– Results from *preliminary* studies • based on secondary vertex reconstruction• Likelihood combining outputs
from 1st level tagger
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.104
Le Higgs au TeVatron
Section efficace de production– Fusion de gluons : gg→ H σsignal ≈ 800 fb (mH=130) – Production associée: qq→ HW, HZ σsignal ≈ 200 fb (mH=130)– Higgs+quarks : qq →Hqq σsignal ≈ 5 fb (mH=130)
Canaux de recherche:– Higgs de mH<130-140 GeV:
• BR(H → bb) ~ dominant• WH → lν bb et ZH → ll bb, ννbb
– Higgs de mH>130-140 GeV: • BR(H → WW*) ~ dominant• H WW* → lν jj, llνν• WH → WWW* → llννjj etc...
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.105
Etiquetage du b au run II
Etiquetage des b par vertex déplaces– crucial au Run II – Approche multi-tag a DO:
• parametres d’impact• vertex secondaires• soft-lepton dans jet• likelihood
Prob(b), Prob(c) / jet– Performances *préliminaires*:
• “MC rapide” (SMT+CFT):• Efficacité = 0.56±0.01 (vertex)
– Perspectives Run II:• Efficacité εb~ 65% (lepton e +µ +vertex) / jet (extrapolation CDF)
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.106
Les désintégrations Z →bb auTeVatron
Sélection de Z →bb (CDF Run I) – Echantillon Z(bb):
• Evts avec 1-muon• σ(Z→ bb) / σQCD(bb) ~ 10- 5
• 2 b-tags avec ε2b ~ 27.8%
• Coupures cinématiques: Σ3nET , ∆Φjj
– Résolution MZ (run I)
minimiser ∆P= (pjet - pb) • corrélation ∆P vs pµ
• corr. ∆P vs projection ET / jet• corr. ∆P vs fraction chargée
– Projection pour le run II • Prévoit 30% d’amélioration
Z(bb)/QCD~1/27
Z(bb)/QCD(bb) ~ 1/5 at ~Mz
σσσσM/M ~ 15%
Essentiel pour l’analyse H →→→→ bb
σσσσM/M ~ 10%
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.107
Nouvelle Calibration / CDF
Typical CDF Jet Resolution usingCalorimetry onlyNew CDF Jet Algorithm Using Tracking,Calorimetry and Shower Max Detectors
bb di-jet Mass resolution
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.108
Higgs de masse intermédiaire
Higgs de mH = [140, 180] GeV/c2
– H → W*W* → lν jet jet, lν lν avec l=e,µ– H → W/Z W*W* → lν l’νlν avec l=e,µ
• σ signal≈ 100 fb (mH = 160 GeV/c2)
Méthode: – Analyse:
• Masse du “cluster” + variables discriminantes• Expérience de comptage ( pas de spectre M(H) )
– Principaux Fonds (physiques):• Wg jet jet ~ σ signal x 25000 ! • WW� l� jet jet ~ σ signal x 13• ttb � bb l� jet jet ~ σ signal x 5
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0 50 100 150 200 250Cluster Mass MC (GeV/c2)
Prob
a. D
ensi
ty /
4 G
eV
10-1
1
10
10 2
10 3
10 4
10 5
10 6
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Likelihood
Eve
nts
/ 0.0
5
Arnaud Lucotte / ISN Grenoble p.109
Conclusion: le Higgs au TeVatron
Résultats pour le Run II:– Combinaison de tous les canaux– Combinaison CDF + D0– Résolution M(b,b) ~ 30% meilleure que Run I– Erreurs systématique ~ 10 %
Potentiels:– Run II (2 fb-1):
• Exclusion à 95% CL jusqu’ à mH < 115 GeV/c2
– Run III (?) • Découverte (3-5 σ) jusqu’ à 180 GeV/c2
– Désaccords avec analyses ATLAS (fonds)
Run III (30 fb-1)
Run II (2 fb-1)