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Relazione sullattività del secondo anno di dottorato: Studio del canale ttH con il rivelatore CMS ad LHC candidato relatore Daniele Benedetti Paolo Lariccia.

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1 Relazione sullattività del secondo anno di dottorato: Studio del canale ttH con il rivelatore CMS ad LHC candidato relatore Daniele Benedetti Paolo Lariccia

2 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti2 Sommario Descrizione delle attività e collocazione nellambito della collaborazione CMS. Motivazioni per lo studio del canale ttH Stato degli studi Selezione del canale Ricostruzione del segnale Fondi risonanti e non Prospettive future

3 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti3 La scrittura del Physics TDR Per aprile 2006 è prevista la pubblicazione del physics TDR dellesperimento CMS. volume 1: Detector Performance volume 2: Physics Performance ottobre 2004 creato al cern un working group del PRS-Tracker per il canale ttH (coordinatore S. Cucciarelli) Semileptonico W-> semileptonico W->e completamente adronico (Perugia, Karlsruhe) (Pavia, Napoli) (Perugia) Prevista la scrittura di tre note per dicembre 2005 (b-tagging, identificazione dei leptoni, descrizione delle analisi e risultati) Attività trasversali: - studio sulla ricostruzione di jet nei processi ttbar e ttH (nota in preparazione) - utilizzo di uno strumento di fit cinematico applicato al canale ttH (nota sottomessa AN )

4 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti4 Importanza del canale ttH per la scoperta del bosone di Higgs Per M H ( ) GeV Sezione durto Rapporto di decadimento Fondo atteso Osservabilità gg H bb P1+D1 No gg H P1+D2 Si gg ttH ttbb P2+D1 ? P1 D2 D1 P2

5 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti5 Il canale ttH (pb) ttH (LO) ttH(NLO) M H = 115, 120, 130 GeV Rapporto di decadimento W qq 67.6% W-> 10.8% H (120 GeV) bb 67.8% Total H->bb, W->qq, W-> 9.9% 1.muone isolato 2.4 b-jet 3.2 jet leggeri 4.energia trasversa mancante 5.possibile jet aggiuntivi da ISR/FSR oggetti nello stato finale: ingredienti chiave: ricostruzione dei jet b-tagging

6 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti6 Selezione del muone: variabili discriminanti R Mu-Jet P T Muon Tracker IsoCalorimeter Iso IP Significance Le distribuzioni mostrano un potere discriminante tra muoni good e bad. Le distribuzioni normalizzate sono considerate pdf (probability density function) Per la selezione del muone sono state considerate alcune variabili in grado di distinguere i muoni good provenienti dal decadimento del W dai muoni bad (muoni nei jet o muoni fake)

7 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti7 Selezione del muone: likelihood ratio L i = La Likelihood ratio totale è: L = i=1 n L i P i S (x j ) P i S (x j ) + P i B (x j ) Le funzioni di densità di probabilità sono state quindi combinate in un likelihood ratio: 3 variabili: P T, R jet-muone, IsoTk 4 variabili: P T, R jet-muone, IsoTk, S IP -Log 10 (L)

8 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti8 Selezione del muone: risultati Prestazioni per differenti combinazioni delle variabili Blu = 3 Variabili Rosso = 4 Variabili P T + IsoCalo + IsoTk + S IP P T + R Jet- + IsoTk + S IP P T + IsoCalo + R Jet- + S IP Mu eff ~ 90 % Fake eff ~ 1% Lo strumento è implementato, con una classe in c++, nel software ufficiale dellesperimento Un campione di muoni dal W e muoni fake è stato create partendo da un campione di ttH usando le informazioni MC. Le prestazioni dellalgoritmo sono state valutate in termini di efficienza (good vs fake muon) al variare del taglio –Log 10 (L tot ).

9 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti9 Energia trasversa mancante Lenergia mancante trasversa viene valutata considerando linformazione delle torri calorimetriche, le correzioni di calibrazione dei jei e dei muoni tramite la seguente relazione: La componente longitudinale invece viene calcolata imponendo la conservazione del quadrimomento alla massa del W: Questa eq. negli eventi ttH ha soluzioni reali nel 66% delle volte. Il 34% degli eventi viene recuperato considerando il neutrino collineare al muone: p z = p z RMS = RMS = RMS = RMS = Risoluzione neutrino trasversa longitudinale Solo soluz. reali Soluz. reali + coll.

10 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti10 Selezione dei jet: algoritmi considerati La ricostruzione dei jet adronici può essere effettuata considerando differenti algoritmi: Vengono associate le torri entro un raggio ΔR (0.7 o 0.2) attorno al seed e viene calcolato il baricentro del jet. Selezionate le torri calorimetriche con E T > E t seed (tipicamente 2 GeV) si cerca il d minimo: Per ogni precluster i e per ogni coppia di precluster i,j si definiscono (D=0.2->1): se (d min = d ii ) jet trovato. se (d min = d ij ) unisco i e j (4-vector sum) in un nuovo d ii algoritmo a cono vicinanza in angolo algoritmo K T vicinanza in P T e angolo Due jet vengono uniti se lenergia di sovrapposizione è >50-75% Principali parametri: larghezza del con R Energia del seed Energia di attivazione delle torri Principali parametri: D (simile al concetto di cono) Energia di attivazione delle torri

11 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti11 Selezione dei jet: variabili di Les Houches Per confrontare i diversi algoritmi di ricostruzione e i differenti parametri degli algoritmi, alla scuola di Les Houches si è deciso di usare le seguenti variabili: Per tutti gli eventi con nº jets > nº partoni angolo nello spazio = ( i jet-parton )/n i = 1…n n = numero di partoni Energia E = ( | E jet /E par -1 |)/n efficienza s di trovare n jets nellevento (dopo E T e tagli) FracIn Plot bidimensionale di 1 e 2 Lo studio è stato effettuato da 4 persone per diverse topologie dello stato finale 2,4,6,8 jet usando un codice comune scritto al cern in luglio. 12 4

12 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti12 Selezione dei jets: variabili di Les Houches I risultati ottenuti possono infine essere riassunti in un grafico che, ad esempio per il ICA, mostra la scelta migliore per la larghezza del cono ( R) in funziona della molteplicità dei jet dello stato finale. Vecchio plot!

13 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti13 b-tagging Il b-tagging gioca un ruolo fondamentale sia nella selezione del canale ttH (4 b-jet nello stato finale) sia nel rigetto dei fondi risonanti (produzione tt + jet). Nellanalisi viene utilizzato un b-tagging combinato. vengono definite delle categorie vertici secondari pseudo vertici no vertici (almeno 2 tracce con Sip > 2) Significanza della distanza del VS Massa del VS Rapidità delle tracce nel VS rispetto alla direzione del jet Significanza del parametro dimpatto delle tracce Molteplicità delle tracce Rapidità delle tracce S Ip della traccia più significativa Poi si considera anche la significanza del parametro dimpatto della traccia dopo massa quark c Considerando una eff del 50% per i b si ottiene una eff sui c del ~10% e ~0.6% per udsg. ttH

14 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti14 Ricostruzione del segnale Preselezione: 1.almeno 6 jet ICA ETcali > 20 GeV 2.almeno 4 b-tagged jet D > 1 3.almeno 1 muone –Log 10 (L) < Si selezionano tutte le coppie di jet leggeri che ricostruiscono il W entro tre sigma dalla massa (ricostruita tramite uso di informazioni MC) 2. Si selezionano le due soluzioni per il p z del neutrino 3. Si fa un loop su tutti i b-jet, i jet leggeri (1), le soluzioni del p z neutrino (2) e si applica un fit cinematico imponendo 4 vincoli di massa (W had, W lep, Top had, Top Lep) 4. Si prende la soluzione che da la probabilità di 2 del fit cinematico più alta. 5. Con i due b-tagged jet che restano si costruisce massa Higgs

15 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti15 Ricostruzione del segnale: risultato Lefficienza di pairing viene definita considerando il numero di volte che i due b-tagged jet risultano venire dai due b quark di decadimento dellHiggs (criterio di matching angolare) Tutte le combinazioni di-b-tagged jet Uso del fit cinematico Efficienza di pairing: 14.3 % sigma = 39 Efficienza di pairing: 35.5% sigma = 29

16 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti16 Fondo QCD Considerando la produzione di jet e muoni debolmente correlata è possibile stimare lefficienza di ricostruzione come prodotto dellefficienza di ricostruzione dei jet e dei muoni Limite superiore alla stima del fondo QCD. QCD pT-hat > 170 GeV: 6 jet E T > 20 GeV, 4-btagged jet eff: 0.16 % Ricostruzione del muone eff: 0.1% PT + IsoCalo + IsoTk + SIP PT + DR Jet- + IsoTk + SIP ( no trigger ) efficienza totale QCD = eventi in 30fb -1 = 1056 Comunque applicando i tagli in cascata non abbiamo sufficiente statistica (non passa le selezioni nessun evento) per avere distribuzione di massa invariante.

17 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti17 Fondi Risonanti Lo studio del fondo risonante tt + jet provenienti da quark leggeri risulta essere al momento il problema maggiore di questa analisi. ttH ttjj E T dei primi 6 jet Variabile di b-tagging primi 4 valori di b-tag I 6 jets del fondo sono più energetici Il b-tagging aiuta ma non è sufficiente nella diminuzione degli eventi di fondo rispetto allefficienza di segnale

18 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti18 ttH e ttjj: eventi attesi in 3 anni di presa dati Sezioni durto considerate: ttH = 664 x 9.9% = fb. Eventi attesi in 30fb -1 = 1972 ttjj inclusivo = pb. Eventi attesi in 30 fb -1 = Selezione degli eventi: Almeno 6 jet con: E T Cal > 20 GeV, | |<2.4 Almeno 1 muone con –Log(L) < 1.78 Almeno 4 b-tagged jet con il taglio di b-tagging > 0.5,1.0,1.5 taglio di b-tag ttH (Eff) ttjj (Eff x 0.85) S/B %0.05 %0.64% %0.018%1.1% %0.009 %1.4 %0.53 Anche considerando una finestra di massa invariante intorno massa Higgs per il momento la situazione non migliora di molto Preliminare

19 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti19 Conclusioni Il lavoro di tesi ha una precisa collocazione nellambito dellesperimento CMS. Il candidato ha avuto la possibilità di presentare molte volte la propria attività in riunioni al cern. Per il canale ttH questo è il primo tentativo di studio di fattibilità utilizzando una simulazione completa dellesperimento. I risultati ancora non sono come sperati ma cè ancora un anno di dottorato!

20 27 Ottobre 2005Daniele Benedetti20 Sviluppi futuri Ottimizzazione dei tagli cinematici in funzione di S/B (per esempio uso di una rete neurale) Ottimizzazione della efficienza di pairing utilizzando alcune informazioni angolari con il metodo della likelihood. Valutazione dei fondi tt+jets e del segnale con un nuovo generatore MC (Alpgen) Valutazione degli errori sistematici Scrittura delle note di cms e del p-TDR


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