b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Incontri sulla Fisica delle Alte Energie Pavia – 20 Aprile 2006 Andrea Bocci Scuola Normale Superiore e INFN, Pisa

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 2 Sommario -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

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 3 Decadimenti del bosone di Higgs Escluso dalla ricerca diretta a LEP-2m H > GeV/c 2 Fit elettrodebole (95% CL. asimmetrico)m H < 186 GeV/c 2 Limiti teorici (Λ ~ GeV)130 < m H < 180 GeV/c 2

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 4 Caratteristiche 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 impatto vertice secondario Decadimenti con vertice secondario -Alta molteplicità di tracce cariche = 4.95 ± tracce cariche per decadimento -Frazioni di decadimento semileptonici 19.3 ± 0.5 % ( e, ) Soft lepton b-tagging -Decadimento di particelle massive impulso trasverso Alto impulso trasverso dei prodotti di decadimento

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 5 Vita media: parametro di impatto estrapolata -Distanza tra la traccia carica estrapolata e il vertice primario 2D (piano trasverso, rφ) ATLAS 2D + 1D (rφ + z, ATLAS) CMS 3D (distanza euclidea, CMS) parametro di impatto Jet da B vertice primario vertice secondario (1) (2) (2) (1) asse del jet -Origine della traccia: punto di minor distanza tra la traccia e lasse del jet IP positivo(1) a valle del vertice primario: IP positivo (1) IP negativo(2) a monte del vertice primario: IP negativo (2)

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 6 Parametro di impatto (CMS) S IP = IP / σ IP -Significatività del Paramero di Impatto S IP = IP / σ IP b jet da adroni b c jet da adroni c uds jet da adroni leggeri (u, d, s) e gluoni b -Le tracce in jet da b 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 S IP Frazione dei Jet b c u, d, s 3D S IP flavour enriched QCD events

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 7 Vita media e numero di tracce -Significatività del parametro di impatto 3D -Significatività 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 -Discriminante -Discriminante: la significatività del parametro di impatto della 2° o 3° traccia Frazione dei Jet 1° traccia 3° traccia 2° traccia aggiotaggio per

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 8 Vita media e probabilità (CMS) -Ipotesi -Ipotesi: per tracce dal vertice primario, la distribuzione del parametro di impatto è simmetrica rispetto a 0 negativa -Parte negativa 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 b c u, d, s b c P tr L jet

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 9 Vita media e probabilità (ATLAS) distribuzionib quark leggeri -Le distribuzioni del parametro dimpatto per jet da b e da quark leggeri vengono utilizzate per assegnare a ciascuna traccia un peso per lappartenenza ad un jet da b w tr = P b (track) / P u (track) -I pesi di tutte le tracce del jet vengono combinati per dare la likelyhood che il jet abbia origine da un adrone B L jet S IP Frazione dei Jet u 2D S IP b u b

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 10 Vita media: vertici secondari -Lidentificazione di un vertice secondario allinterno di un jet è unottima indicazione dellorigine del jet da un adrone B Reiezione di vertici dovuti al decadimento di adroni neutri (V 0 ) -ATLAS Informazioni extra da combinare alla Likelyhood del jet: Massa invariante Massa invariante delle particelle provenienti dal vertice secondario Frazione di energia Frazione di energia associata alle particelle provenienti dal v. secondario Numero Numero di vertici secondari (2 tracce) associati al jet -CMS Algoritmo di b-tagging indipendente S IP 2D S IP 2D di tutte le tracce Massa invariantefrazione di energia Massa invariante e frazione di energia delle particelle del S.V. Molteplicità Molteplicità delle tracce associate al S.V. distanza Significatività della distanza tra vertice primario e secondario S IP 2D oltre 1.5 GeV/c 2 S IP 2D della traccia che spinge la massa invariante oltre 1.5 GeV/c 2 Rapidità Rapidità rispetto allasse del jet Likelyhood per diversi tipi di S.V. e flavour del jet

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 11 Decadimenti semileptonici Adroni con quark b: Br = (10.7 ± 0.2) % decadimento direttoBr = (10.7 ± 0.2) % b W - * q, W - * - Br = (8.0 ± 0.2) % decadimento a cascataBr = (8.0 ± 0.2) % b W - *c, c + X Br = (1.6 ± 0.4) % decadimento a cascata con segno sbagliatoBr = (1.6 ± 0.4) % b W - * q, W - * cq - X i decadimenti diretto e con segno sbagliato sono mutuamente esclusivi assumendo che il decadimento a cascata sia statisticamente indipendente Br(b ± X) = (19.3 ± 0.5) % Adroni con quark c: Br = (9.7 ± 0.3) % decadimento direttoBr = (9.7 ± 0.3) % c W + * q, W + * + Adroni leggeri (u, d, s): decadono in mesoni leggeri (π, Κ)

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 12 b-tagging con leptoni -Lidentificazione di un leptone allinterno di un jet è un buon indice dellorigine del jet da un adrone B 19% -Branching Ratio per famiglia leptonica: 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 allasse del jet Rapporto p/E lungo la direzione del jet ( rapidità) Distanza pseudoangolare (piano ηφ) dallasse del jet

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 13 Performance c u, d, s g gg g g c c c c Track counting Jet probability Secondary vertex Soft muon Soft electron Plots: CMS QCD jets Full simulation : ATLAS eventi WH (b, u) ATLFAST jets

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 14 Performance (ii) 0.5 -Probabilità di mis-identificaione per unefficienza di b-tagging di 0.5 al variare di Impulso trasverso Impulso trasverso del jet (partone iniziale) Pseudorapidità Pseudorapidità QCD, Secondary vertex c u, d, s g c g

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 15 Performance – 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 c u, d, s c tt, Secondary vertex tt + ttH, 2D

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 16 Allineamento -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) c u, d, s tt, Secondary vertex

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 17 Conclusioni -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) lunga vita media maturi -Tools basati su lunga vita media maturi Parametro di impatto Parametro di impatto Vertice secondario Vertice secondario -Soft lepton b-tagging recente -Soft lepton b-tagging recente (CMS) o meno studiato (ATLAS) -Applicazione a diversi algoritmi di ricostruzione dei jet kT kT, … migliorare la reiezione dei jet leggeri -È indispensabile migliorare la reiezione dei jet leggeri (u, d, s, gluoni) per abbassare il fondo di QCD !

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 18 Slides di backup

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 19 Applicazione: ttH, H bb -Eventi ttH (segnale) e ttjj (fondo) -Efficienza di selezione in funzione del taglio: vertice secondario -Laggiunta delle informazioni sui leptoni permette di migliorare del 10% la purezza di selezione a parità di efficienza -Canale di scoperta per Higgs leggero (m H < 135 GeV/c 2 ) -H bb è sommerso dal fondo QCD: produzione associata a coppia tt (definizione fisica del flavour del jet)

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 20 Soft muon b tagging: tt -Buona indipendenza dal tipo di jet sotto esame artificialmentegluon splitting -Eventi di-jet artificialmente ricchi in gluon splitting flavour enriched di-jet tt + QCD

20 Aprile 2006 IFAE 2006, Pavia b-tagging per la ricerca di Higgs a LHC Andrea Bocci 21 Soft muon b-tagging: no IP in assenza delle informazioni sulla vita media del b -Il b-tagging con leptoni può essere utilizzato in assenza delle informazioni sulla vita media del b (parametro di impatto) indipendente indipendente da altri algoritmi di b-tag prima presa dati a CMS utile per la prima presa dati a CMS: no pixel detector fattore ~ 3 -Perdita di reiezione dellordine delle unità (fattore ~ 3)