III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 1 Prime misure: per Jet e QCD P.Francavilla & C.Roda Universita` e I.N.F.N. Pisa

III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 2 Sommario Le misure di QCD che si possono fare con i primi dati I jet con cui farle: novita` sull’algoritmo di jet La scala dei jet Quale calibrazione per i primi dati Come controllare la scala dei jet Gli argomenti non affrontati… Conclusioni

III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa Jets in physics analysis… L’enorme sezione d’urto di QCD produrra` una valanga di jet … 10 7 Fondo: QCD e` il maggior fondo per tutte le analisi di scoperta, dobbiamo dimostrare di saperlo misurare e controllare PDF: sensibilita` alle pdf a grande x Scoperta: Le stesse misure una volta capita la regione “nota” possono essere utilizzate per misure di scoperta (sottostruttura del quark, extra large dimension, resonant production) 3 10 pb 14 TeV -> O(100) jet p T > 1TeV D0 e CDF p T Max = 700 GeV 10 pb 14 TeV -> O(100) jet p T > 1TeV D0 e CDF p T Max = 700 GeV

Le misure da fare con i primi dati Inclusive: Jet cross section vs p T Rapporto delle sezioni d’urto in regioni di eta Jet shapes Dijet events Delta Phi Spettro Mjj CosTheta* Multijet studies … III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 4

Delta Phi Jet Jet - Decorrelation III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 5 Prima pubblicazione di QCD del RUNII di D0: PRL Jet scale uncertainty 7%, maggiore contributo a errore sistematico. Max p T = 180 GeV Δφ e` molto sensibile alla radiazione ISR di QCD -> tuning di Pythia. Risultati di D0 ben descritti da NLO pQCD e HERWIG, ALPGEN, SHERPA Prima pubblicazione di QCD del RUNII di D0: PRL Jet scale uncertainty 7%, maggiore contributo a errore sistematico. Max p T = 180 GeV Δφ e` molto sensibile alla radiazione ISR di QCD -> tuning di Pythia. Risultati di D0 ben descritti da NLO pQCD e HERWIG, ALPGEN, SHERPA

DiJet Mass III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 6 |η 1, η 2 |< pb -1 Predicted number of events Misura di CDF: PRL D79, (2009) Le misure sono in accordo con NLO pQCD. Non c’e` evidenza di nuove risonanze. L’errore sulla scala di energia e` l’errore sistematico piu` rilevante. Misura di CDF: PRL D79, (2009) Le misure sono in accordo con NLO pQCD. Non c’e` evidenza di nuove risonanze. L’errore sulla scala di energia e` l’errore sistematico piu` rilevante. ATLAS M.Hurwitz Con 10 pb -1 possiamo vedere fino a eventi con Mjj = 4 TeV PDF uncertainty ≈ 30%

Incertezze sulle misure III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 7 ATL-PHYS-INT <M<1400 GeV M.Hurwitz Sezione d’urto inclusiva dei jet in funzione del p T Misura di cosθ * Una disuniformita` in eta del 5% genera fino a 25% di shift in χ χ = exp(|η 1 -η 2 |) QCD: flat Contact interaction: excess at low χ

Una piccola rivoluzione in ATLAS … quali jet utilizzare ? Chiunque di voi abbia avuto a che fare con jet ha probabilmente combattuto con la decisione di quale algoritmo di jet utilizzare ? L’algoritmo di jet e` un modo per semplificare la visione dell’evento cercando di liberarsi del processo di frammentazione per risalire alla dinamica dei partoni Non c’e` un modo unico per implementare questa “proiezione” ma l’esperienza ci ha fatto capire quali sono le proprieta` sperimentali e teoriche che vorremmo che l’algoritmo avesse I jet sono nati con un algoritmo a cono che ha via via mostrato i suoi limiti. Gia` D0 e CDF hanno cercato di cambiare algoritmo di jet ma con grossa difficolta` e poco successo… III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 8

Dei “buoni” jet per questi studi III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 9 … dal punto di vista teorico: Devono essere “collinear and infrared safe” cioe` la ricostruzione dell’evento non deve cambiare se aggiungo un partone a basso p T o se un partone viene splittato in due partoni PERCHE` ? Perche` voglio poter confrontare le misure con le predizioni teoriche e l’applicabilita` ai calcoli di pQCD e` possibile solo se l’algoritmo e` collinear and infrared safe I

Dei “buoni” jet per questi studi III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 10 … dal punto di vista sperimentale: Veloce: gli eventi ad LHC avranno alta molteplicita` con hard jets sovrapposti a underlying event e pile-up … l’algoritmo di jet deve essere anche su eventi complessi Insensibile a processi soffici, quindi guidato dalla parte hard dell’evento Stessa visione dell’evento se applicato alla lista delle particelle mc o ai depositi calorimetrici: insensibilita` all’input -> alta efficienza e purezza e facilita` nella calibrazione Flessibilita`:  Jet “grossi” per segnali esotici  Jet “piccoli” per top  Possibilita` di cercare la sottostruttura dei jet es.: highly boosted W,Z,H->1jet(bb)

Dei “buoni” jet dai nuovi algoritmi III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 11 Da molti anni si cerca di andare verso un algoritmo di jet definito in un modo migliore che abbia buone proprieta` sia dal punto di vista teorico che da punto di vista pratico/sperimentale. Due tipi di algoritmi sono stati proposti negli ultimi anni che ben soddisfano queste richieste: SISCONE & AntiKT.. Grosso lavoro per confrontare le performance di questi algoritimi con quelli piu` standard (cone, KT). AntiKT e` l’algoritmo che e` risultato avere migliori performance da tutti i punti di vista: Soddisfacente dal punto di vista teorico; Dal punto di vista tecnico (utilizzo di memoria,velocita`); Efficenza e purezza: migliore efficenza a basso p T (controllato su QCD inclusiva ed esclusiza, top, light and b-quark…), minore sensibilita` al tipo di input (truth o segnali calorimetrici); Migliore match ai jet trigger; Nessuna problema con le calibrazioni

III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa H1: calibrazione al Particle Jet I jet ricostruiti dai depositi calorimetrici alla scala EM differiscono per circa il 20-30% dall’energia del particle-jet con grosse non linearita` dovute (principalmente) a energia persa nel Dead Material + non-compensazione dei calorimetri. L’idea` e` utilizzare la densita` dei depositi di energia per discriminare i depositi elettromagnetici da quelli adronici w(ρcell,CellPosition) coefficients obtained by minimizing the energy resolution with respect to particle jets on QCD di-jet events. 12 Solo jet lontani dai crack vengono utilizzati per ottenere i pesi. Un ulteriore peso viene utilizzato per migliorare l’equalizzazione e la linearita`.

III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa From the uncalibrated jet to the calibrated jet A.Gupta 13 S.Eckweiler

III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa Cosa sappiamo della sistematica di H1 Funzionamento del metodo massima non linearita` sul campione da cui si ottiene (QCD) la calibrazione e` del <4% a p T = 20GeV il metodo funziona bene per qualsiasi tipo di jet Dipendenza dal campione Se applico la calibrazione ad un campione diverso (diverso generatore, tipi di jet …) da quello per cui la ho ottenuta: SUSY, top, gamma-jet … si ha una massima non linearita` del 5% 14 F.Paige SUSY Sample Linearita` in E ttbar Sample Linearita` in E B.Salvachua

Cosa sappiamo della sistematica di H1 Dipendenza dalla descrizione della geometria del rivelatore Calibro un rivelatore perfetto e applico la calibrazione ad un rivelatore con maggiore Dead Material nella regione del Gap(η ≅ 1.5)  Effetto dell’ordine del 5% III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 15 Dipendenza dal modello di shower adronico Calibro con un modello di shower (QGSP) e lo applico ad un modello diverso (QGSP_BERT)  Effetto dell’ordine del 5-8%

H1 su dati veri … III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 16 Test con pioni singoli al TB Ottengo la calibrazioni con pioni (e protoni) MC in configurazioni CTB Applico la calibrazioni ai pioni del TB e verifico le performance confrontando con l’energia del fascio Discrepanza tra dati e MC alla scala EM 2% Discrepanza tra dati e MC alla scala HAD 4% ATLAS – CSC Note – Detector Level Jet corrections Linearita` pioni vs EDiscrepanza pioni vs E

Sebbene si siano fatti molti studi per capire le peformance di H1 il principale problema e` che H1 si basa su una buona descrizione dati/MC: shower, frammentazione, risposta del rivelatore … Cosa possiamo fare per controllare se questo e` vero con i primi dati ? III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 17 Campioni di controllo 10pb -1 Le prime misure da fare alla scala EM (alcuni esempi): uniformita` con i muoni: dE/dx E/p per traccie isolate dijet balance vs pt/eta W->jj gamma/jet balance Plot basati solo su quantita` misurabili Alcuni di questi plot danno informazioni in assoluto altri solo come confronto Dati/MC

Scala EM: cosa sappiamo gia`… III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 18 Uniformita`Muoni in TileCal da Splash Events 4% M.Volpi Struttura di TileCal da Cosmici C.Santoni, G.Usai Estrapolazione delle tracce del tracciatore al calorimetro L’analisi si propone di arrivare a misurare l’uniformita` della calibrazione EM di TileCal

Plot di controllo alla scala EM Sfruttando p T Jet = p T gamma si ottiene una stima dell’energia “vera” del jet (E’): III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 19 Eventi Gamma+Jet M.Cascella,V. Giangiobbe Eventi QCD DiJet Sfruttando p T Jet (η=0) = p T Jet (η) si ottiene una stima della non uniformita` in eta la non linearita` e` dovuta (in gran parte) a dead material + non compensazione 1pb -1

Plot di controllo alla scala H1 III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 20 Eventi QCD DiJet Eventi Gamma+Jet M.Cascella,V. Giangiobbe P.Weber … e se scopriamo che la scala EM e` fuori del 10% ? 1.Do NOT Panic 2.Si lavorera` per capire dove e` il problema 3.Come back-up temporaneo possiamo utilizzare una calibrazione completamente/parzialmente data-driven 4.Questo al prezzo di perdere alcuni campioni di controllo e quindi piu` difficolta` nella stima della sistematica … e se scopriamo che la scala EM e` fuori del 10% ? 1.Do NOT Panic 2.Si lavorera` per capire dove e` il problema 3.Come back-up temporaneo possiamo utilizzare una calibrazione completamente/parzialmente data-driven 4.Questo al prezzo di perdere alcuni campioni di controllo e quindi piu` difficolta` nella stima della sistematica 1pb -1 Effetto del fondo da (ri)studiare

Un esempio: EM+Dijet+GammaJet III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 21 Accurancy on all pT range 2% Correzione uniformita` Correzione scala assoluta Accurancy on pT range 4% P.Weber M.Cascella,V. Giangiobbe

Argomenti importanti di cui non ho parlato... Misure con particelle isolate: E/P Studi per controllo della frammentazione Correzioni per le efficienze di trigger Unfolding della risoluzione Misure per il tuning del MB UE III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 22

Conclusioni Il controllo della misura dei jet ha un impatto su molte delle misure di scoperta. Misure importanti come benchmark della comprensione della dinamica della QCD che sara' uno dei fondi per molte analisi. Capire il prima possibile gli effetti sperimentali e le sistematiche, specialmente per la calibrazione, avra' un grosso impatto su molte ricerche. Molto lavoro e' stato fatto su questi argomenti, in preparazione dei primi dati di LHC. Queste tipo di misure saranno fattibili con i primissimi dati di LHC sarebbe bello se si riuscisse ad aumentare la massa critica italiana su questo argomento… III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 23

AntiKt Algorithm III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 24

Risoluzione III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 25

III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa Calibration using data: Gamma + jet Validation: comparing balance at reconstruction, particle jet and parton level gives indication on source of unbalances and deviation between MC and data: Source of p T unbalance: 1. effect of ISR contribution. 2. losses due to unclustered energy. 3. contribution of UE event 4. calibration biases pT balance at parton level is within <1% ISR effect is small Cone 0.7 is correctly calibrated (red vs blue) and losses due to out of cone energy are compensated by UE (blue vs black). (pT γ+ pTparton )/2 (GeV) pT balance 5% Parton level Particle level Cone 0.7 Reconstruction level Cone 0.7 p T jet p T gamma UE 26

di-jet events III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 27

28 χ distribution (truth level) χ = exp(|η 1 -η 2 |) Expected shape –QCD: flat –Contact interaction: excess events at low χ Truth-level shape –Keep simple cuts p T >50 GeV for both jets |η|<2.2 for both jets –Additional cuts for unbiased distribution |η 1 -η 2 |<2.7 |η 1 +η 2 |< <M< pb -1 M> pb -1 III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa

CosTheta* III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 29

W->jj with AntiKt III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 30

I campioni di controllo III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 31 Le prime misure da fare alla scala EM (alcuni esempi): uniformita` con i muoni: dE/dx E/p per traccie isolate dijet balance vs pt/eta W->jj gamma/jet balance Plot basati solo su quantita` misurabili Alcuni di questi plot danno informazioni in assoluto altri solo come confronto Dati/MC

Sommario dei risultati sugli algoritmi di jet III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 32 JetEtMiss Meeting T.Carli

Jet physics in analysis III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 33 ATL-PHYS-INT Con 10 pb 14 TeV si avranno un centinaio di jet con p T > 1TeV Le analisi di D0 e CDF p T Max = 700 GeV W. Stirling, LHCC Workshop “Theory of LHC Processes” (1998) *annotation from J. Huston, ATLAS Standard Model WG Meeting (Feb. 2004) Un grande spazio di nuovi Q 2,x da esplorare Nuove informazioni sul protone

Dei “buoni” jet dai nuovi algoritmi III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 34 Da molti anni si cerca di andare verso un algoritmo di jet definito in un modo migliore che abbia buone proprieta` sia dal punto di vista teorico che da punto di vista pratico/sperimentale. Due tipi di algoritmi sono quelli che meglio soddisfano queste richieste: Run II Jet Physics: Proceedings of the Run II QCD and Weak Boson Physics Workshop, 2000

I nuovi algoritmi di jet III Physics Workshop ATLAS Italia Giugno 2009 P.Francavilla, C.Roda Universita` & INFN Pisa 35 Molto lavoro negli ultimi mesi e` stato fatto per decidere: sostituiamo il default cone ? con quale delle molte scelte ? Molto lavoro negli ultimi mesi e` stato fatto per decidere: sostituiamo il default cone ? con quale delle molte scelte ?