A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/071 Il top al Tevatron: insider’s view  Non rassegna di risultati ma di: strumenti metodologie difficolta’  L’accento.

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1 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/071 Il top al Tevatron: insider’s view  Non rassegna di risultati ma di: strumenti metodologie difficolta’  L’accento e’ sulle infos utili a CMS/ATLAS A. Castro - Universita’ di Bologna

2 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/072 Il Tevatron  Collider p pbar : Energia CMS =2 TeV 36x36 pacchetti, separati da 396 ns 2 punti collisione luminosita’ di picco (record) 3x10 32 cm -2 s -1  antiproton recycler (accumulatore) Electron cooling (quest’anno) Operativo dall’Autunno 2005 aumento 40% in Luminosita’

3 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/073 Luminosita’ del Tevatron Siamo Qui’ Da 4 a 8 fb-1

4 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/074 Fisica al Tevatron con 1 fb -1 1.4 x 10 14 1 x 10 11 6 x 10 6 6 x 10 5 14,000 5,000 1000~100 100 ~10  (barn)  QCD  Heavy Flavor  ElectroWeaK  TOP Quark  NEW Physics

5 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/075 Rivelatori al Tevatron Trigger L2 su vertici displaced Eccellente risoluzione tracking Eccellente ID e accettanza per  Eccellente accettanza tracking |  | < 2-3 Entrambi i rivelatori Silicon microvertex tracker Solenoide High rate trigger/DAQ Calorimetri e muoni CDF DØ

6 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/076 Avviso  In molti casi risultati di CDF e D0 simili  Anche le tecniche sono spesso simili  Misure importanti (Mtop,  tt ) vengono/verranno combinate  Per semplificare la esposizione, ed evitare duplicazioni faro’ riferimento a CDF (senza nulla togliere a D0!)

7 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/077 Dalla scoperta alle misure di precisione  Analisi finali Run 1 ~110pb -1 ~ 30 eventi per esperimento  Run 2: era della precisione! Misure riferite a ~ 1 fb -1 ~ 7000 tt prodotte (  L) ~ *10 piu’ tt raccolte (finora) Il Top ha compiuto 12 anni!

8 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/078 Il Top e’ speciale! La fisica del top e’ diversa:  La vita media del top e’ brevissima: decade prima di adronizzare Non c’e’ spettroscopia a differenza del b Momento e spin sono transferiti ai prodotti di decadimento  Sonda la fisica a scale piu’ alte rispetto agli altri fermioni Top (o top pesante) protagonista di modelli EWSB: Higgs, Top Color, ….  E’ solo Top?

9 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/079 Fisica del Top  Coppie Top:  (tt) ~7 pb Rate produzione top Massa del top Elicita’ W in eventi top Test di QCD Nuova fisica in X  tt Accoppiamenti anomali, nuove particelle  Top singolo:  (tb) ~3 pb |V tb | Test QCD Nuova fisica?

10 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0710 Produzione del Top (collider adronici) Run 1Run 2LHC ppbar pp E CM 1.8 TeV1.96TeV14 TeV qq 90%85% 5% gg 10%15% 95%  tt 5.0 pb 6.7 pb 830 pb 85% 15%

11 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0711 Produzione di Top (altra) Standard Model: Produzione Top singolo p t t p X Produzione risonante ? Top Color-Assisted ? Technicolor ? ?

12 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0712 Misura di sezione d’urto One of the first things to measure is the top pair production rate.  Perche’ e’ importante misurare il rate di produzione? Sezioni d’urto maggiori del previsto possono indicare meccanismi di produzione non-Standard Model Stato risonante X  tt OPPURE Accoppiamenti anomali in QCD Puo’ essere indicazione di nuova fisica! Sezione d’urto di produzione N eventi - N fondo  (tt)  L uminosita’ * 

13 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0713 Sezioni d’urto  Circa 7000 tt prodotti  Misura di conteggio  Leptoni ad alto Pt  Precisione al 14% Goal Tevatron: 10% incertezza/esperimento con 2 fb-1

14 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0714 Selezione per   La selezione dei leptoni non presenta problemi particolari: si chiedono tracce isolate ad alto P T compatibili con l’ipotesi e o  (nel calorimetro/camere dei  )  La selezione dei jets puo’ essere fatta a livello di jets raw o corretti e serve per tutti i canali  La MET e’ importante nei canali leptonici e viene corretta se ci sono   Il canale dilepton parte gia’ da un buon S/B~2 chiedendo 2 leptoni + MET + 2jets. Il b-tagging non e’ fondamentale  Il canale single lepton chiede 1 leptone + MET + almeno 3 jets. Sfrutta inoltre il b-tagging per arrivare a S/B~10

15 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0715 Selezione per  bis   Il canale all-hadronic parte da S/B~1/1000 (a livello di trigger) e necessita una selezione molto stringente: vengono usate variabili cinematiche di evento, come SumEt, Aplanarita’, Centralita’, M2jMin, M2jMax, M3jMin, M3jMax, EtCosThetaStar,… per costruire una Neural Network che puo’ portare a S/B~1/20. E’ necessario il b-tagging per arrivare a S/B~1/3  Per il b-tagging e’ importante valutare accuratamente l’efficienza. Confrontando dati/MC (eventi ricchi in heavy flavor tipo eventi con elettroni entro jets) si introduce un fattore di scala ~0.9 per correggere la efficienza con cui si tagga il singolo jet

16 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0716 Background per   Nel canale single lepton il background e’ dominato da: Wbb, Wcc, Wqq (fake tags) stimati con una combinazione di MC e data-driven bkgd  Nel canale dilepton il background e’ dominato da: Drell-Yan+2 jets, WW+2jets, W+3jets (fake lepton) stimati con una combinazione di MC e data-driven bkgd  I MC (Pythia/Herwig/Alpgen) a disposizione sono adeguati al compito (se non si va ad alti Njets)  Si usano probabilita’ che il jet finga b o leptone

17 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0717 Background per  bis  Nel canale all-hadronic il fondo e’ dominato da eventi QCD a multijet con heavy flavor o con light flavor (misidentificato come heavy se produce vertici secondari)  MC HF+Njets o Njets (es. ALPGEN) richiedono campioni molto grandi (~10M), tuning adeguato dei parametri, normalizzazione assoluta della loro   Ci si affida al momento ad un fondo data-driven: si parametrizza il tag-rate con P(jet-Et, jet-Ntrk, Nvert) su un campione di controllo (a 4 jets) e lo si applica al campione di segnale (>=6 jets). Tale stima funziona con una sistematica valutabile al 2.5%.

18 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0718 Misura della Massa  La misura diretta di M top : E’ un test delle previsioni SM Vincola la massa dell’Higgs Fondamentale per EWSB Goal Run II: < 3 GeV con 2 fb -1  Gia’ ottenuto! Goal LHC: < 1 GeV with 10 fb -1  Il Tevatron arrivera’ prima? Combinatoria: Che jet assegnare a quale quark? Radiazione aggiuntiva (ISR/FSR)? Scala energia dei jet: sistematica dominante  E’ una misura difficile!

19 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0719 Massa Combinata M top determinata allo 1.2%!  Risultati eccellenti in ciascun canale  Combinazione CDF+D0,  Run-I+Run-II  Considerate tutte le correlazioni  Incertezze:  M t (stat) =  1.2  M t (JES) =  1.4 GeV/c 2  M t (syst) =  1.0

20 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0720 Jets  I jets sono oggetti compositi con: fisica complessa (interazioni spettatori, radiazione ISR/FSR, connessioni di colore, quark light o heavy) proprieta’ del rivelatore (risposta energetica non-lineare, regioni non strumentate, particle showers di larghezza diversa) diversi algoritmi: fixed cone, MidPoint, Kt (particelle che fuoriescono, underlying event, merging/splitting)  Necessita’ di introdurre correzioni generiche (livelli successivi)  Per eventi tt si usano anche correzioni specifiche  E’ necessario comprendere in dettaglio rivelatore e simulazione

21 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0721 Correzione dei Jets -perche’- rivelatore risoluzione adronizzazione inter.multiple

22 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0722 Correzione dei Jets -come- Dijet balance MC dijet Minimum bias MC dijet,  +jet Minimum bias + Nvertici Parton Rad/hadr Pile-up

23 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0723 Jet Energy Scale 3.Stabilita’ calibrazione: - EM: picco massa Z->ee - HAD: deposito energia  da W->  4.Simulazione calorimetro: - tuning MC/data usando tracce per modellare la risposta alla singola particella e il profilo dello sciame 1.Scala assoluta iniziale: - EM: Z->ee - HAD: test beam 2. Calibrazione nel tempo: - EM: E/p - HAD: sorgenti, J/  -> 

24 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0724 Jet Energy Scale -bis- 6. Validazione scala: - bilancio energetico: g+jet, Z+jet 5. Sistematiche: - Incertezza sulla JES: ~3% sopra i 50 GeV - la sistematica dominante (1% su JES -> 1 GeV su M top )

25 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0725 Misura Massa (Matrix Element)  Informazioni cinematiche e dinamiche  Calcolare probabilita’ che l’evento sia segnale in funzione di M top per un insieme di misure (x) per jet e leptoni  Prob. fondo simile, ma non dipende da M top  JES e’ parametro libero, vincolabile a M W

26 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0726 Misura Massa ( Template) 1) Valutare per ogni evento la migliore “massa ricostruita”, Mrec, (es..:  2 fit) 2) Creare “templates”, cioe’ previsioni MC per Mrec usando diversi Mtop.  Misurare Mtop con fit di likelihood su Mrec dei dati in confronto ai template segnale + fondo  la misura e’ pesantemente dipendente dalla JES

27 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0727 Fit Jet Energy Scale Likelihood contour dal metodo matrix element Template per M W vs JES Migliorare JES fittando Mtop e JES o usando W  jj

28 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0728 Produzione singola  Via interazione debole  Misura diretta di Vtb. Cinematica intermedia tra non-top e segnale top Background elevato (S/B~1/20) - > tecniche sofisticate. Leptone+MET+2jet (>=1 btag) Canali s e t assieme e separati  Necessarie analisi multivariate (neural netw., likelih.discriminant, Boosted Decision Trees, ME discr.) Produzione canale s (W*)

29 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0729 Produzione singola -bis-  Background: 1.W+jets (dominante): - cinematica da MC (Alpgen) + normalizzazione ai dati pretag - anche Wbb, Wcc (rinormalizzati opportunamente) 2. Non-W, dai dati usando leptoni che falliscono isolamento 3. tt da MC NLO 4. Diboson (WW,WZ, ZZ) da MC  Dopo la selezione S/B~1/20: -D0 con BDT osserva evidenza  =4.9+-1.4 pb (3.4  ) (  BR=5.6%) - CDF da’ limiti  <2.7 pb at 95% CL (  BR=3.2%)

30 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0730 Risonanze tt ?  Avendo ricostruito la cinematica tt->WbWb si puo’ anche andare a cercare la presenza di risonanza tt (es. X 0 a spin 1)  Eventi con buon S/B come il canale single lepton Si assume  X0 = 1.2% M X0 Test masse tra 450 e 900 GeV (incremento di 50 GeV) I fondi sono gli stessi studiati per la misura di massa  Nel caso di osservazione nulla, confrontando con modelli teorici si escludono risonanze fino ad una certa massa  Ad es. CDF esclude Z’ leptofobica Mz’ < 725 GeV

31 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0731 Il Futuro al Tevatron  Misure al Tevatron continuano a migliorare  In definitiva la sistematica a TeV (e LHC) sara’ legata probabilmente alla JES  Mtop aiutera’ a calibrare i rivelatori LHC Superato il goal del Run-II! M top con precisione <1% al Tevatron

32 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0732 Conclusioni  La fisica del top e’ stata un successo al Tevatron (misura di M top e  tt ) ma ha richiesto: 1. Ricostruzione accurata dei physical objects: Lepton ID + determinazione fake lepton (matching tracking/calorimetro E/p, shower shape;  -ID) b-tagging (tracking, allineamento, ricostruzione vertice secondario, correzione efficienze, fake rate) Jet (algoritmi clusterizzazione, correzioni energetiche, calibrazione JES)

33 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0733 Conclusioni -bis- 2. Diverse tecniche di misura (es. Massa): Matrix Element (probabilita’ che un evento/cinematica provenga da segnale/fondo; transfer function da partone a jet) Template (massa ricostruita; confronto con distribuzioni per segnale/fondo) Fit di JES (introdurre la JES nel metodo ME, oppure fit 2D con templates Mtop, JES) per ridurre syst.

34 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0734 Conclusioni -tris- 3. Integrazione dati/Monte Carlo per alcuni background: Fake objects stimati sui dati (fake leptons, leptoni non-isolati, fake b) in campioni di controllo e riapplicati ai campioni di segnale Normalizzazione presa dai dati (HF+jets: shape dal MC, normalizzazione dagli eventi pretag) Cinematica presa dai MC

35 A. Castro - Top al Tevatron - 2/4/0735 Massa Combinata (Marzo 2007) determinata allo 1.1%!