b-tagging per la ricerca b-tagging per la ricerca di Higgs a LHCdi Higgs a LHC
Incontri sulla Fisica delle Alte Energie
Pavia – 20 Aprile 2006
Andrea Bocci
Scuola Normale Superiore e INFN, Pisa
20 Aprile 2006IFAE 2006, Pavia
b-tagging per la ricerca di Higgs a LHCb-tagging per la ricerca di Higgs a LHCAndrea BocciAndrea Bocci
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SommarioSommario- b-tagging per la ricerca del bosone di Higgs
- Caratteristiche degli adroni con quark b e algoritmi di b-tagging Vita media Vertici secondari Leptoni “soffici”
- Simulazioni Monte Carlo e risultati Performance
• ATLAS: ultime pubblicazioni risalgono al 2003• CMS: analisi recenti (Physics TDR, vol. 1 e 2)
Allineamento
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Decadimenti del bosone di Decadimenti del bosone di HiggsHiggs
Escluso dalla ricerca diretta a LEP-2 mH > 114.4 GeV/c2
Fit elettrodebole (95% CL. asimmetrico) mH < 186 GeV/c2
Limiti teorici (Λ ~ 1019 GeV) 130 < mH < 180 GeV/c2
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Caratteristiche degli adroni BCaratteristiche degli adroni B- Vita media lunga
= 1.6 ± 0.1 ps, c = 0.47 ± 0.03 mm p = 20 GeV/c L = 1.8 mm Parametro di impattoParametro di impatto Decadimenti con vertice secondariovertice secondario
- Alta molteplicità di tracce cariche <nch> = 4.95 ± 0.06 5 tracce cariche per decadimento
- Frazioni di decadimento semileptonici 19.3 ± 0.5 % (e, ) Soft lepton b-taggingSoft lepton b-tagging
- Decadimento di particelle massive Alto impulso trasversoimpulso trasverso dei prodotti di decadimento
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Vita media: parametro di Vita media: parametro di impattoimpatto
- Distanza tra la traccia carica estrapolataestrapolata e il vertice primario 2D (piano trasverso, rφ) 2D + 1D (rφ + z, ATLASATLAS) 3D (distanza euclidea, CMSCMS)
parametro di impatto
Jet da B
vertice primario
vertice secondario
(1)(1)
(2)(2)’(2)’
(1)’(1)’
asse del jet
- Origine della traccia: punto di minor distanza tra la traccia e l’asse del jet a valle del vertice primario: IP positivoIP positivo (1)(1) a monte del vertice primario: IP negativoIP negativo (2)(2)
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Parametro di impatto (CMS)Parametro di impatto (CMS)- Significatività del Paramero
di Impatto SSIPIP = IP / σ = IP / σIPIP
jet da adroni bb
jet da adroni cc
jet da adroni leggeri (uu, dd, ss) e gluoni
- Le tracce in jet da bb mostrano una marcata asimmetria per parametri di impatto positivi
- Nei jet leggeri la distribuzione è quasi simmetrica
- Code non gaussiane dovute a interazione con il materiale
SSIPIP
Frazi
one d
ei Je
tFr
azi
one d
ei Je
t
bb
cc
u, d, su, d, s
3D SIP
flavour enriched QCD events
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Vita media e numero di tracceVita media e numero di tracce
- Significatività del parametro di impatto 3DSignificatività del parametro di impatto 3D per le prime tracce, in ordine di significatività.
- Nei jet non da b, è improbabile trovare più di una traccia con parametro di impatto grande e positivo
- DiscriminanteDiscriminante: la significatività del parametro di impatto della 2° o 3° traccia
Frazi
one d
ei Je
tFr
azi
one d
ei Je
t
1° traccia1° traccia 3° traccia3° traccia2° traccia2° traccia
aggiotaggio peraggiotaggio per
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Vita media e probabilità (CMS)Vita media e probabilità (CMS)- IpotesiIpotesi: per tracce dal vertice primario, la distribuzione del
parametro di impatto è simmetrica rispetto a 0
- Parte negativanegativa della distribuzione (misurabile dai dati) definisce una densità di probabilità per ciascuna traccia di
venire dal vertice primario
- Le probabilità di tutte le tracce del jet vengono combinate per dare la likelyhood che il jet abbia origine da un adrone B
bb
ccu, d, su, d, s
bb
ccu, d, su, d, s
Ptr Ljet
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Vita media e probabilità Vita media e probabilità (ATLAS)(ATLAS)- Le distribuzionidistribuzioni del parametro d’impatto per jet da bb e da
quark leggeriquark leggeri vengono utilizzate per assegnare a ciascuna traccia un peso per l’appartenenza ad un jet da b wtr = Pb(track) / Pu(track)
- I pesi di tutte le tracce del jet vengono combinati per dare la likelyhood che il jet abbia origine da un adrone B
LjetSSIPIP
Frazi
one d
ei Je
tFr
azi
one d
ei Je
t
uu
2D SIP
bb
uu
bb
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Vita media: vertici secondariVita media: vertici secondari- L’identificazione di un vertice secondario all’interno di un jet è
un’ottima indicazione dell’origine del jet da un adrone B Reiezione di vertici dovuti al decadimento di adroni neutri (V0)
- ATLAS Informazioni extra da combinare alla Likelyhood del jet:
Massa invarianteMassa invariante delle particelle provenienti dal vertice secondario Frazione di energiaFrazione di energia associata alle particelle provenienti dal v. secondario NumeroNumero di vertici secondari (2 tracce) associati al jet
- CMS Algoritmo di b-tagging indipendente
SSIPIP2D2D di tutte le tracce
Massa invarianteMassa invariante e frazione di energiafrazione di energia delle particelle del S.V. MolteplicitàMolteplicità delle tracce associate al S.V. Significatività della distanzadistanza tra vertice primario e secondario SSIPIP
2D2D della traccia che spinge la massa invariante oltre 1.5 GeV/coltre 1.5 GeV/c22
RapiditàRapidità rispetto all’asse del jet Likelyhood per diversi tipi di S.V. e flavour del jet
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Decadimenti semileptoniciDecadimenti semileptonici Adroni con quark b:
decadimento diretto Br = (10.7 ± Br = (10.7 ± 0.2) %0.2) %
b → W-* q, W-* → ℓ-ℓ
decadimento a cascata Br = (8.0 ± Br = (8.0 ± 0.2) %0.2) %
b → W-* c, c → ℓ+ℓX
decadimento a cascata con “segno sbagliato” Br = (1.6 ± Br = (1.6 ± 0.4) %0.4) %
b → W-* q, W-* → cq → ℓ-ℓX
i decadimenti diretto e con “segno sbagliato” sono mutuamente esclusivi
assumendo che il decadimento a cascata sia statisticamente indipendente
Br(b→ℓBr(b→ℓ±±X) = (19.3 ± 0.5) %X) = (19.3 ± 0.5) %
Adroni con quark c: decadimento diretto Br = (9.7 ± Br = (9.7 ±
0.3) %0.3) %c → W+* q,
W+* → ℓ+ℓ
Adroni leggeri (u, d, s): decadono in mesoni leggeri (π, Κ)
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b-tagging con leptonib-tagging con leptoni- L’identificazione di un leptone all’interno di un jet è un buon
indice dell’origine del jet da un adrone B
- Branching Ratio per famiglia leptonica: 19%19% Bassa efficienza intrinseca Efficienza di identificazione dei leptoni con basso impulso
- Utile per Alta purezza / reiezione di jet non da quark b Indipendente dalla vita del quark b
- Miglior reiezione utilizzando variabili cinematiche del leptone: Parametro di impatto Impulso trasverso, rispetto all’asse del jet Rapporto p/E lungo la direzione del jet (rapidità) Distanza pseudoangolare (piano ηφ) dall’asse del jet
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PerformancePerformance
cc
u, d, su, d, s
gg
u, d, su, d, s u, d, su, d, s
u, d, su, d, su, d, su, d, s
gg gg
gg
gg
cccc
cc cc
Track countingTrack counting Jet probabilityJet probability Secondary vertexSecondary vertex
Soft muonSoft muon Soft electronSoft electron
●
●
●●
Plots: CMSQCD jetsFull simulation
• : ATLAS
eventi WH (b, u)ATLFAST jets
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Performance (ii)Performance (ii)
- Probabilità di mis-identificaione per un’efficienza di b-tagging di 0.50.5 al variare di Impulso trasversoImpulso trasverso del jet (partone iniziale) PseudorapiditàPseudorapidità
QCD, Secondary vertexQCD, Secondary vertex QCD, Secondary vertexQCD, Secondary vertex
cc
u, d, su, d, s
gg
cc
u, d, su, d, s
gg
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Performance – tt, ttHPerformance – tt, ttH
- CMS: vertice secondario, eventi tt, full simulation● ATLAS, 3D, realistico (jet da quark u)
- ATLAS: probabilità con I.P. 2D, rivelatore ideale No pile up, inefficienze, vertice MC, jet isolati
cc u, d, su, d, s cc u, d, su, d, s●
●
tt, Secondary vertextt, Secondary vertex
tt + ttH, 2Dtt + ttH, 2D
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AllineamentoAllineamento
- Eventi tt / ttH, rivelatore realistico
- CMS: ideale, 10 fb-1 (1 μm strip + 10 μm pixel), 1 fb-1 (10 μm)
pixel disallineati (30 μm)
- ATLAS: 3D I.P., con 0 / 5 / 20 μm (rφ), 0 / 10 / 60 μm (z)
cc u, d, su, d, s●
●
tt, Secondary vertextt, Secondary vertex tt, Secondary vertextt, Secondary vertex
●●
●●
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ConclusioniConclusioni- Tools di b-tagging disponibile e pronti per essere utilizzati per
eventi di fisica: Topologia dei jet semplice…
• WH (ATLAS)• di-jet QCD (CMS)
…e complessa• ttH, H→bb (segnale)• ttjj… (fondo)
- Tools basati su lunga vita media lunga vita media maturimaturi Parametro di impattoParametro di impatto Vertice secondarioVertice secondario
- Soft lepton b-tagging Soft lepton b-tagging recenterecente (CMS) o meno studiato (ATLAS)
- Applicazione a diversi algoritmi di ricostruzione dei jet kTkT, …
- È indispensabile migliorare la reiezione dei jet leggeri migliorare la reiezione dei jet leggeri (u, d, s, gluoni) per abbassare il fondo di QCD !
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Slides di backupSlides di backup
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Applicazione: ttH, H→bbApplicazione: ttH, H→bb
- Eventi ttH (segnale) e ttjj (fondo)
- Efficienza di selezione in funzione del taglio: vertice secondario
- L’aggiunta delle informazioni sui leptoni permette di migliorare del 10% la purezza di selezione a parità di efficienza
- Canale di scoperta per Higgs leggero (mH < 135 GeV/c2)
- H→bb è sommerso dal fondo QCD: produzione associata a coppia tt
(definizione “fisica” del flavour del jet)(definizione “fisica” del flavour del jet)
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Soft muon b tagging: ttSoft muon b tagging: tt
- Buona indipendenza dal tipo di jet sotto esame
- Eventi di-jet artificialmenteartificialmente ricchi in gluon splittinggluon splitting
flavour enriched di-jetflavour enriched di-jet tt + QCDtt + QCD
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Soft muon b-tagging: no IPSoft muon b-tagging: no IP
- Il b-tagging con leptoni può essere utilizzato in assenza delle in assenza delle informazioni sulla vita media del binformazioni sulla vita media del b (parametro di impatto) indipendenteindipendente da altri algoritmi di b-tag utile per la prima presa dati a CMSprima presa dati a CMS: no pixel detector
- Perdita di reiezione dell’ordine delle unità (fattore ~ 3fattore ~ 3)