10/6/2003b e tau Identificazione di b e Tommaso Boccali SNS Pisa Fabrizio Parodi INFN Genova.

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1 10/6/2003b e tau Identificazione di b e Tommaso Boccali SNS Pisa Fabrizio Parodi INFN Genova

2 10/6/2003b e tau2 Outline I rivelatori di tracciamento di ATLAS e CMS Performance Tracciamento Vertici Identificazione di particelle coi tracker Tool di selezione B-tagging (online/offline) Tau-tagging (online/offline)

3 10/6/2003b e tau3 Una precisazione… Un confronto diretto delle performance è spesso difficile ATLAS ha un Physics TDR, CMS no CMS ha più studi in full simulation, ATLAS ha utilizzato fast simulation e ha anche studi senza pile-up CMS, daltro canto, ha un DAQ TDR nuovo, mentre in quello di ATLAS (2000) manca la parte HLT

4 10/6/2003b e tau4 Perchè i b e i ? Importanza in sé B: fisica dei sapori pesanti, parametri V CKM, spettri in p T (che non tornano a CDF!) B e come tool di selezione Probabilmente più importante a LHC Higgs, Susy Amano decadere nel fermione più pesante disponibile nello spazio delle fasi; spesso è il b quark!

5 10/6/2003b e tau5 Rivelatori di tracciamento Disegno concettualmente simile: A cipolla, con tre sistemi diversi con precisione degradante con la distanza dallinteraction point Campo magnetico: ATLAS 2 T, CMS 4 T Pixel Silicon -strips ad alta risoluzione Silicon -strips o Trd a risoluzione minore m2m2 Complessità costruttiva Numero di canali di lettura Risoluzione Frazione di hit 3d

6 10/6/2003b e tau6 Pixel ATLASCMS Layers3b+5d3b+2d Dimensioni2.87 m 2 1.06 m 2 Raggio interno50.5 mm40.3 mm Rivelatori214614192 Dimesioni pixel (50*300÷400) m 2 (150 m*150) m 2 Canali di acquisizione 10 8 4x10 7 Occupancy (alta luminosità) 10 -4 LetturaPulse height (nuovo!) 8 bit Risoluzione 12 m (r ) 70 m (z) 10 m (r ) 10 m (z) Numeri ancora con readout a soglia

7 10/6/2003b e tau7 Silicon -strips (ID) ATLAS SCT CMS TIB & TID Layers barrel4 (4 stereo)4 (2 stereo) Layers endcap4 (4 stereo)3 (2 stereo) Dimensioni61 m 2 ~100 m 2 Rivelatori40883540 Pitch (medio) 80 m barrel 63÷85 m endcap 80,120 m barrel 120 m endcap Canali di acquisizione 6.3x10 6 2x10 6 Occupancy (alta luminosità) 6x10 -3 10 -2 LetturaDigitale a soglia8 bit Risoluzione 22 m (r ) 24 m (z) 20÷30 m (r ) 20÷40 m (z)

8 10/6/2003b e tau8 Rivelatori esterni ATLAS TRT CMS TOB & TEC Layers barrel~36 punti per traccia per | |<2.5 4 (2 stereo) Layers endcap3 (2 stereo) Rivelatori37000011608 Pitch (medio)2 cm 120 m (1 e 2) 180 m (3 e 4) Canali di acquisizione 370000~7x10 6 Occupancy (alta luminosità) 15÷40%10 -2 Lettura2 soglie (ion e TR) ToT 8 bit Risoluzione 200 m (r )30÷45 m (r ) 30÷50 m (z)

9 10/6/2003b e tau9 Staging Quanto realisticamente è possibile avere nel 2007? CMS: Un cilindro e un disco dei pixel in meno a bassa luminosità; studi fatti (vedi dopo), ma lipotesi sembra scongiurata ATLAS: A partire dalla configurazione di disegno dei pixel e del SCT (3+4 barrel), sono stati studiati 2+4 più critico per la fisica 3+3

10 10/6/2003b e tau10 Performance Punti per traccia carica Risoluzione Se disponibile, importanti per particle-id 3d 2d Informazione su pulse height o ToT Inefficienza di readout + geometrica (poca)

11 10/6/2003b e tau11 Materiale Purtroppo la scelta all-silicon di CMS ha contribuito ad un aumento sostanziale del materiale presente prima dei calorimetri Non è un problema del silicio, ma del cooling, dellelettronica, dei cavi…

12 10/6/2003b e tau12 Tracciamento Efficienza: Tracciamento in condizioni ideali (singoli muoni) completamente efficiente Per pioni + pile up a alta luminosità efficienze comunque maggiori del 90% Per tracce allinterno di jet efficienza comunque maggiore dell80% e numero di tracce ghost contenuto al di sotto del percento Pile-up non importante per lefficienza, solo per i tempi del tracciamento

13 10/6/2003b e tau13 Risoluzioni del tracciatore =1 P T =20 GeV CMS (P T )~1.5% ATLAS (P T )~2% =1 P T =20 GeV CMS (z 0 )~40 m (d 0 )~20 m ATLAS (z 0 )~95 m (d 0 )~15 m ATLAS pixel size minore in r CMS minore in z

14 10/6/2003b e tau14 Risoluzioni Queste erano per muoni, gli elettroni soffrono molto di più la presenza del (materiale del) tracciatore Utilizzando algoritmi più sofisticati, è possibile recuperare risoluzione

15 10/6/2003b e tau15 Abbiamo bisogno di tanto? No! Il disegni dei tracker sono altamente ridondanti, possiamo risparmiare tempo ATLAS: tracking a LVL2, con algoritmi più veloci e usando solo i pixel. Performance di b-tagging degradate rispetto a offline, ma non biasate; essendo a LVL2 (e non a HLT) permette di abbassare la soglia di LVL1 CMS usa gli stessi algoritmi offline, ma limita il tracking a pochi hit (7) Supponendo allineamento perfetto!!! (errore residuo << risoluzioni) Effetto sul b-tagging

16 10/6/2003b e tau16 Vertici 1. Trovare il vertice primario Rende il pile-up meno importante Importante per es. in H Efficienza del primario ~95% (~indipendente dal canale) 2-jet H (40 m)

17 10/6/2003b e tau17 Vertici secondari 2.Vertici secondari V 0 : test sui K 0 S che decadono in 1cm<R<37cm Efficienza media ~50% con tagli di qualità Vertexing inclusivo: usato per esempio nel b-tag lefficienza dipende fortemente dal parametro dimpatto delle tracce; per tracce con significatività maggiore di ~5, il vertice viene trovato in >70% dei casi

18 10/6/2003b e tau18 Particle id dE/dx CMS: disponibili ~15 letture a 8 bit per traccia Separazione p-K meno di una Separazione p-e meno di due ATLAS: pixel danno solo 4 hit, ma TRT dà in media 36 letture di ToT; in più la doppia soglia degli hit nella TRT permette una certa discriminazione Elettroni da TR ATLAS: TRT dà ~ 36 letture ATLAS

19 10/6/2003b e tau19 Come selezionare b e t? Selezione inclusiva di jet da b e Caratteristiche salienti b: Vita media ~ 1.2 ps; c ~ 470 m Alta molteplicità carica nei decadimenti Decadono spesso in leptoni con p T grosso Massa elevata degli adroni Tau: Jet molto collimati 1, 3 tracce cariche cluster calorimetrico associato Vita media 0.3 ps; c ~ 90 m Presenza di 0

20 10/6/2003b e tau20 b-tagging (tool) Parametro dimpatto - Abbastanza semplice da essere utilizzato a livello trigger; può essere 3d o nel piano trasverso Numero di tracceLikelihood ratio Selezione unbiased, ottima per HLT Dipende criticamente dal segnale e dal fondo, poco usabile a HLT Almeno 2 tracce conCalcolare la distribuzione di probabilità di S per segnale e fondo, e costruire un estimatore ATLAS usa come test segnale da H (100 GeV) bb; i risultati possono dipendere fortemente dal canale. CMS usa jet da QCD

21 10/6/2003b e tau21 b-tagging online (time limited!) Confronto a livello di trigger: per b =50%, reiezione ATLAS ~20 CMS a 100 GeV ~30÷100 ( ) CMS a 50 GeV ~50 offline~online online peggio di offline (tracking differente, siamo solo a LVL2); a livello HLT, dovrebbe agevolmente recuperare il gap on/off

22 10/6/2003b e tau22 Non male! Dal punto di vista di potere di separazione, la situazione è già molto buona Ricordarsi che qui siamo online! CMS Miglior curva di selezione di ALEPH ATLAS Molto bello, ma la sistematica? Include: Pile-up a bassa lumi Allieneamento perfetto Inefficienze di read-out nei pixel Ultime stime di Material budget 50GeV

23 10/6/2003b e tau23 b-tagging offline Usare il tracciamento ideale Il parametro dimpatto rimane losservabile più discriminante, ma possiamo utilizzarlo meglio Likelihood ratio o approccio probabilistico Soft lepton tag Vertexing Probabilità che le tracce del jet siano compatibili con venire dal primario (e quindi con parametro dimpatto ~0)

24 10/6/2003b e tau24 Lepton tag - e Usa i decadimenti b l X o b c l X (~20% per b quark) Problemi Materiale nel tracker Efficienza inerentemente bassa, limitata superiormente dal BR Il BR…

25 10/6/2003b e tau25 Lepton tag - Problemi Il muon system è lontano! Non è possibile abbassare più di tanto la soglia in p T Anche qui lefficienza è limitata superiormente Meno del BR, per taglio in p T

26 10/6/2003b e tau26 Vertici Ricerca inclusiva di vertici nei jet Metodo combinatorio: provo a fittare tutto il jet e comincio ad escludere le tracce che contribuiscono di più al 2. Metodo alla CDF: correlazione lineare fra parametro dimpatto e.

27 10/6/2003b e tau27 Performance Mettendo tutto insieme dove si può pensare di arrivare? In particolare, per alcuni canali (susy, top) si vuole un fattore di reiezione sugli u ~O(1000) Reiezione per b =50% Benchmark quotati ATLAS: b % con reiezione 300÷400 CMS:100 ÷ 1000 ( ) H(100GeV) bb H(400GeV) bb

28 10/6/2003b e tau28 Come confrontare? Atlas: H(100-400GeV) bb CMS: posso confrontare con jet di p T ~50 GeV H(100GeV) bb H(400GeV) bb ATLAS: reiezione 400 a 100 GeV CMS: reiezione 200÷1000 ( ) Risultati a 200 GeV non disponibili per CMS

29 10/6/2003b e tau29 Non male! - offline Riguardiamo LEP per le performance offline (LEP è per definizione offline) – jet da 50 GeV e H(100 GeV) bb CMS Curva di selezione di ALEPH ATLAS Molto bello, ma la sistematica? Include: Pile-up a bassa lumi Allineamento perfetto Inefficienze di read-out nei pixel Ultime stime di Material budget

30 10/6/2003b e tau30 Sistematiche? Detector Allineamento: può essere davvero critico. In questi studi, si assume il disallineamento residuo molto minore della risoluzione. Per i pixel, vuol dire allineare a 1 m! A questi livelli un detector non può nemmeno essere considerato un corpo rigido. ATLAS e CMS hanno proof of concept con allineamento tramite tracce, ma nulla di definitivo è stato provato. Conoscere davvero bene material budget e campo magnetico Fisica Grosse assunzioni sui rate QCD e sul minimum bias (meno critico)

31 10/6/2003b e tau31 E i charm? ATLAS: La reiezione non supera 10÷12 per b =50% CMS: Anche meno. Per unefficienza sui b del 50%, lefficienza sui c è poco meno del 10%

32 10/6/2003b e tau32 Cosa manca? Avere molta fede nelle sistematiche … Mass tag, dovrebbe permettere una buona reiezione dei charm Voglio far notare unultima volta come il confronto non sia in realtà esatto CMS: inclusivo ATLAS: canale/i specifico

33 10/6/2003b e tau33 Effetti dello staging Tutto questo in situazione ideale. Come cambiano le cose con lo staging? CMS: a parità di reiezione, 10÷20% peggio ATLAS: studiati effetti sulla fisica e in generale. Per il b tagging, degrado delle prestazioni del 30% se viene tolto il secondo layer dei pixel; solo del 10% con una layer di SCT in meno. Nel canale H(400 GeV) bb, l effetto si traduce in minore significatività pari a 6% e 2% (effetto trascurabile rispetto alle sistematiche)

34 10/6/2003b e tau34 Tau tagging Tau adronico: Cluster calorimetrico associato Missing E T Jet molto collimati 1, 3 tracce cariche Vita media 0.3 ps; c ~ 90 m Presenza di 0 Tau leptonico: BR( e e )~18% ricade nel caso precedente 1 prong BR( )~17% è più o meno perso In ogni caso, p T (leptone)~1/3 p T ( ) e quindi non è eccezionale per taggare Utilizzabile online / offline Utilizzabile offline

35 10/6/2003b e tau35 Cosa è stato fatto? ATLAS: Studi di trigger a livello 1 per canali specifici Studi offline per tools di -tagging Manca ancora il livello HLT CMS: Livello 1 + HLT Qualcosa offline, ma ricalca abbastanza da vicino lHLT

36 10/6/2003b e tau36 Livello 1 Identificazione calorimetrica! Jet + isolamento Non mi ci soffermo troppo…

37 10/6/2003b e tau37 … Primo jet da Lvl1 In un canale di benchmark A/ H il livello 1 è efficiente più del 70% Vari canali di trigger utilizzati; principale è comunque + E miss

38 10/6/2003b e tau38 Lvl 1 Rate L efficienza di selezione è buona, ma a livello 1 bisogna più che altro combattere col rate di QCD !

39 10/6/2003b e tau39 A livello 2 calorimetrico è possibile migliorare la risposta dei calorimetri utilizzando (inter-)calibrazioni e maggiore granularità Lisolamento può essere migliorato con il tracker. Se tutto quello che serve è contare le tracce in un certo range di R intorno al jet calorimetrico, possono bastare i pixel Se si vuole anche calcolare / utilizzare la distribuzione in p T della traccia leading del jet, serve anche il resto del tracker Visto che la selezione di per sé non è molto interessante, canali di benchmark per 2 tau jets e per 1 tau jet sono H e H +. Livello HLT

40 10/6/2003b e tau40 Calorimetro a livello 2 Usare il calorimetro elettromagnetico Circa il 90% dellenergia del t-jet è contenuta in un cono di raggio R=0.2, il 98% in R=0.4 H Se P è piccolo, il jet è molto collimato Perdita di eff ~ 10% a fronte di un fattore tre di reiezione prima di usare il tracker P isol = 5.6 GeV

41 10/6/2003b e tau41 CMS Usare come guida la direzione del jet calorimetrico, e cercare tracce in un cono definito da R<R m (R m ~0.1) La traccia con p T maggiore è la leading track, e ridefinisce la direzione del candidato jet di tau Altre tracce da decadimento n-prong del sono cercate allinterno del cono R<R s (R s ~0.07) Viene richiesto che nessuna traccia sia presente nel cono di isolamento R s < R<R i (R i ~0.2÷0.5) Il tracciamento può essere fatto solo con i pixel o con un tracking con pochi hit

42 10/6/2003b e tau42 Online CMS: isolamento calorimetrico + pixel e/o tracker Numeri rispetto al livello 1! H + Reiezione 30 con ~40% Taglio in p T sull LT A/H Reiezione 1000 con ~40% richiedendo 2

43 10/6/2003b e tau43 ATLAS Diverso approccio: tagging come tool offline Misurare la curva di reiezione QCD – in modo il più unbiased possibile: Prendere A/H, far decadere un tau leptonico su cui agisce il trigger e poi considerare laltro R em : raggio del jet nel calorimetro e.m. Frazione di energia contenuta fra 0.1< R<0.2 Tracce cariche entro R=0.3 R em R em QCD 15<p T <30GeV 70<p T <130GeV

44 10/6/2003b e tau44 ATLAS A parità di efficienza, la reiezione dipende pesantemente dal p T del -jet Per =50%, Reiezione QCD 20÷200

45 10/6/2003b e tau45 Tau tagging offline Ottimi risultati già raggiunti per la -selection Cosa si può fare di più offline? Sfruttare la vita media (piccola) del Cercare di ricostruire i 0

46 10/6/2003b e tau46 Parametro dimpatto per i Somma in quadratura i parametri dimpatto dei due tau (solito canale di benchmark) Reiezione presente, ma selezione offline non studiata fino in fondo

47 10/6/2003b e tau47 0 In teoria si potrebbe cercare lisolamento anche per le tracce neutre: 0 !!! Non mi risulta lo abbia fatto ancora nessuno, non è banale visto che i tracker non sono troppo trasparenti ai fotoni…

48 10/6/2003b e tau48 Staging Visto che il parametro dimpatto è non troppo usato, gli effetti sul tau tagging sono meno preoccupanti Quello che conta dal punto di vista del tracker è semplicemente il poter ricostruire le tracce; questo è assicurato con tutte le possibili configurazioni di staging per i tracciatori

49 10/6/2003b e tau49 Conclusioni Tante cose sono ancora work in progress CMS ha puntato più sulla parte HLT ATLAS più sulla offline Ma sta per uscire il TDR sull HLT! Rivelatori di tracciamento diversi sulla carta, ma alla fine con performance paragonabili in molti aspetti Tracciatura B-tagging Selezioni di b- e - disponibili sia a livello trigger e a livello offline, spesso molto avanzate La fisica di scoperta è salva I tracciatori di CMS e ATLAS sono sulla carta i migliori tool di selezione di b e mai costruiti!