Top Paarproduktion am ILC Messung der Top Masse und

Top Paarproduktion am ILC
Messung der Top Masse und Breite
Andreas Moll
DPG Frühjahrstagung
12. März 2009
●
Einführung
●
Der International Linear Collider (ILC)
Übersicht
Messung der Top Masse am ILC
●
Die Analyse
Erzeugung und Rekonstruktion der Ereignisse
Ergebnisse
Einführung
2
Das Top-Quark zerfällt bevor es gebundene Zustände bilden kann nahezu ausschließlich in
ein W-Boson und ein b-Quark.
Betrachte die Erzeugung von t t Paaren.
t t W + bW - 
b
Kombination der Messungen am DØ und CDF
m t =172.4±0.7GeV stat.
Das W-Boson zerfällt entweder hadronisch in ein q q
 Paar oder leptonisch in l  .
In diesem Vortrag:
qq
t t  b q q  b

Vollhadronisch ,VH
 l 
t t  b q q  b
Semileptonisch ,SL
Der International Linear Collider (ILC)
3
Der ILC ist der zukünftige Linearbeschleuniger bei dem Elektronen mit Positronen kollidieren.
Hauptmerkmale:
 s=200 GeV bis  s=500GeV
●
Schwerpunktsenergie einstellbar von
●
Polarisierung der Elektron und Positron Beams
●
Integrierte Luminosität in den ersten 4 Jahren: 500 fb−1
Vorteile des International Linear Colliders
4
Der ILC erlaubt hoch präzise Messungen da:
●
●
●
●
die stoßenden Teilchen (Elektronen, Positronen) punktförmige Elementarteilchen sind
klar definierter Anfangszustand der Kollision
die Schwerpunktsenergie einstellbar ist
erlaubt den Einsatz von Threshold Scans
der erwartete Standard Model Untergrund moderat ist, auf Grund des einfachen,
elektroschwach-wechselwirkenden Anfangszustandes
Fortschrittliche Detektorkonzepte und Rekonstruktions Algorithmen
International Large Detector (ILD)
●
Sehr gute Impulsauflösung
●
Herausragende Jet Energie Auflösung
p
~ 3⋅10−5 GeV −1
p2
E
E
jet
~
0.3
 E jet GeV 
Der International Large Detector (ILD)
Einer von drei Detektoren ist der ILD. Er besteht aus:
●
VTX
Pixel Vertex Detektor (6 Ebenen, doppelseitig)
●
SIT
Silizium Strip Detektor (2 Ebenen)
●
FTD
Forward Tracking Disks
●
TPC
Time Projection Chamber (über 200 echte 3D Messpunkte)
●
ECAL
hoch granulares Wolfram-Silizium Elektromagnetisches Sampling Kalorimeter
E
15 %
~
E
E
●
HCAL
hoch granulares Eisen-Szintillator Hadron Kalorimeter
E
60 %
~
E
E
●
ein supraleitender Magnet erzeugt ein homogenes Magnetfeld von 3.5 T
5
Messung der Top Masse am ILC
6
Es gibt zwei Methoden um die Top Masse zu messen:
1
Threshold Scan
Benutzt die Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts der Top Paarproduktion von der
Energie.
Erzielt in der Regel bessere Ergebnisse als die direkte Rekonstruktion.
Benötigt hohe Statistik an vielen verschiedenen Schwerpunktsenergie
Punkten nahe des Top Paar Thresholds und ist daher inkompatibel mit
anderen Analysen die nicht gleichzeitig durchgeführt werden können.
2
Direkte Rekonstruction
der Top Masse aus den Zerfallsprodukten des Top Paar Produktionsprozesses (z.B. Jets).
Kann bei jeder Schwerpunktsenergie über dem Top Paar Produktions
Threshold durchgeführt werden.
Ergebnis hängt stark von der korrekten Kombination der Zerfallsprodukte (Jets) ab.
Welche Techniken angewendet werden können um die Kombination der
Zerfallsprodukte (Jets) effizient durchzuführen, zeigt die folgende Analyse.
Die Analyse - Übersicht
7
−1
●
Integrierte Luminosität:
100 fb
●
Beams:
unpolarisiert
●
Input Werte:
m top=174.0 GeV
 top =1.523 GeV
●
Schwerpunktsenergie:
●
Signal:
500 GeV
qq
qq
bb
qq
 , bb
l
●
Untergrund:
2 Fermion und 4 Fermion Endzustände
Analyse Schritte:
Produktion
der Ereignisse
Detektor
Simulation
Rekonstruktion
Analyse
WHIZARD
MOKKA
Marlin
ROOT
Die Analyse Teil 1 - Rekonstruktion
Detektor
Simulation
Tracking
(VTX, SIT, FTD, TPC)
Rekonstruktion des
4er Vektors aller
gemessenen Teilchen
8
Rekonstruktion einzelner
Tracks (+Kalman Filter)
ParticleFlow Konzept:
Track basiertes Clustering
von Hits in den Kalorimetern
LeptonVeto
Konus (15°)
# geladene Tracks < 2
Jet Clustering
6 Jet
Flavour Tagging
Jet Clustering
4 Jet
Flavour Tagging
Durham Algorithmus:
erzeuge 4/6 Jet-Topologie
Neuronales Netzwerk:
weise jedem Jet die Wkt. zu
aus einem b-Quark entstanden
zu sein („bTag“).
Die Analyse Teil 2 – Kombination der Jets (am Beispiel 6 Jet-Topologie)
1
Mit Hilfe der flavour tagging Information werden die beiden Jets mit den
höchsten bTag Werten ausgewählt.
Sie werden als b-Jets bezeichnet und stammen aus dem direkten Zerfall
der Top-Quarks.
2
Die verbliebenen vier Jets werden als die Zerfallsprodukte der beiden W-Bosons
betrachtet.
Es gibt nun drei Möglichkeiten die vier Jets in zwei Jet-Paare zu kombinieren.
Für jede der drei möglichen Jet Kombinationen wird nun
folgende Größe berechnet:
W =∣m ij −m W ∣∣m kl −m W∣
wobei mij und mkl die di-Jet
Massen für eine gegebene
Jet-Paarung sind.
Die Kombination mit dem kleinsten Wert W wird ausgewählt.
Dabei bilden die Jet-Paare ij und kl („di-Jets“) die beiden W-Bosonen.
3
Da die Produktion von zwei schweren Zuständen mit der selben Masse erwartet wird,
wird die Kombination mit der kleinsten Massendifferenz aus den beiden
b-Jet / di-Jets Paarungen ausgewählt.
9
Die Analyse Teil 3 – Letzte Schritte
Untergrund
Unterdrückung
10
Binned Likelihood Technik
Vollhadronisch
Effizienz:
VH 99.4 %
SL 99.8 %
Cut:
0.9
Signal
Untergrund
Kinematic
fitting
VH: 7 Nebenbedingungen, SL: 4 Nebenbedingungen
6
∑ pi =0
Impulserhaltung
i =1
6
∑ E i = s
Energieerhaltung
i =1
∣ m ij −mW ∣=0
∣ m kl −mW ∣=0
Massen Unterschied di-Jet
und nominaler W Masse
 m 3=0
t and t haben gleiche Masse
VH
SL
Ergebnis – Vollhadronischer Zerfall
11
m top=173.96±0.11stat.GeV
 top =1.59±0.07 GeV
Signal
Physikalischer Untergr.
●
●
●
Fit Funktion ist Faltung von Breit-Wigner + asymmetrischer doppel Gaussfkt.
Fit des kombinatorischen Untergrunds: Polynom zweiten Grades.
Fit des physikalischen Untergrundes: Polynom zweiten Grades.
Ergebnis – Semileptonischer Zerfall
12
m top=174.33±0.14stat.GeV
 top =1.58±0.09 GeV
Signal
Physikalischer Untergr.
●
●
●
Fit Funktion ist Faltung von Breit-Wigner + asymmetrischer doppel Gaussfkt.
Fit des kombinatorischen Untergrunds: Polynom zweiten Grades.
Fit des physikalischen Untergrundes: Polynom zweiten Grades.
Zusammenfassung
13
Analyse der Top Paarproduktion am International Linear Collider (ILC).
●
●
●
Entwicklung einer Methode zur Messung der Top-Quark Masse und
Breite durch direkte Rekonstruktion.
Verwendet Vollhadronische und Semileptonische Zerfälle der
Top Paare.
Berücksichtigt Hintergrund Ereignisse.
−1
Luminosität:
Beams:
Input Werte:
100 fb
unpolarisiert
m top=174.0 GeV
 top =1.523 GeV
Schwerpunktsenergie:
500 GeV
Ergebnis (VH und SL kombiniert):
m top=174.09±0.08 stat.GeV
 top =1.59±0.05 GeV
Die Analyse wird Teil des Letter of Intent (LOI) für den ILD Detektor sein.