la londe 03/05/04correlation de spin1 corrélation de spin dans la production tt f. hubaut, e....
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La Londe 03/05/04 Correlation de spin 1
Corrélation de spin dans la production Corrélation de spin dans la production tttt
F. Hubaut, E. Monnier, P. Pralavorio (CPPM)
1. Motivations
2. Etat des lieux théorique
3. Analyse expérimentale
4. Résultats
5. Conclusions et perspectives
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 2
1. Motivations1. Motivations
Le top décroît sans s’hadroniser (t~3x10-25 s) :
•production et décroissance du top : QCD perturbative et calculs NLO
•spin conservé entre production et désintégration
•transmission directe aux produits de la désintégrationEtude des observables reliées au spin du top :
•recherches des couplages non standard dans les décroissances du quark top (test de la structure V-A)
•sensibilité à la nouvelle physique : nouveaux mécanismes de production, test des symétries discrètes (CP), ...
tests du Modèle Standard
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 3
2. Introduction théorique (1)2. Introduction théorique (1)
)cos1(2
1
cos
1ii
iS
d
dN
N
W b l+,d,s v,u,c
(NLO) 0.40 -0.40 1. -0.32
Dans le repère du top, les effets de polarisation (S) sont observés en mesurant les distributions angulaires des particules filles :
i angle entre une particule de la décroissance du top et l’axe de quantification du spin du top s
i degré avec lequel l’angle de cette particule est lié au spin du top
t W b
l+ q1q2
l+,d,s
ν,u,c
l+,d,s
ν,u,c
l+,d,s
ν,u,c
s
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 4
A=0.33
A=-0.35
A=0.33
A=-0.35
Corrélations entre les spins des quarks t et t
2. Introduction théorique (2)2. Introduction théorique (2)
Etudes aux collisionneurs hadroniques :
1. ‘Single’ top car le top est produit polarisé (~300 pb au LHC)
2. Paires tt (~800 pb au LHC) non polarisées (< 1%) mais …
(dans la base
hélicité)
0
)()()()(
)()()()tt(
A
tttttttt
ttttttA
)()( LLRR tttt Invariance sous CP :
Invariance sous P : )()( RLLR tttt Mtt (GeV)
(u
.a.)
LLRR tttt
RLLR tttt
LLRR tttt
RLLR tttt
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 5
2. Introduction théorique (3)2. Introduction théorique (3)
)coscos1(4
1
)(cos)(cos
121
21
2
Cdd
Nd
N
1 (2) : angle entre une particule fille dans le repère
du top (anti-top) et une direction a (b), axe de quantification du spin du top (anti-top).
21 AC
Connaissant A et on peut
écrire :
Le choix des axes (a, b) conditionne la mesure de la corrélation de spin
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 6
2. Introduction théorique (4)2. Introduction théorique (4)
LHC:
• ~90% gg vs 10% qq, g(x) à petit x (~ 0.02)
• Asymétrie maximale dans la base ’hélicité’ (A=0.33), pas de base optimale
Tevatron:
• ~15% gg vs 85% qq, g(x) à grand x (~ 0.2)
• Plusieurs choix de base possibles : optimal pour off-diagonale, i.e. A(qq)=1 au LO
Avantages du LHC :
• Grande statistique (x 100 Tevatron)
• Corrections QCD petites (1-10%)
• Incertitudes théoriques plus faibles (améliorations d’ici le démarrage)
Hélicité (A=-0.35)
Off-diag
(A=0.78)
Beamline
(A=0.78)
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 7
3. Monte Carlo3. Monte Carlo
•TopReX 4.05 : matrice de densité de spin au LO pour la production et la décroissance des paires tt (développé par CMS et intégré dans ATHENA)
•Pythia 6.2 : hadronisation, fragmentation et décroissances
•Tauola+Photos : décroissance du lepton et corrections radiatives
•Atlfast 2.60 : simulation rapide d’ATLAS + reconstruction
•avec fonction de structure CTEQ5L, ISR-FSR, pas de pile-up.
Remarque : la plupart des générateurs (Pythia, Herwig, MC@NLO) n’ont pas la corrélation de spin implémentée
La génération des événements s’effectue à l’aide de :
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 8
3. Résultats au niveau partonique3. Résultats au niveau partonique
Distributions angulaires avec 2 leptons ‘analyseurs de spin’ :
C=0.00 C=0.33
Pythia TopReX
Estimateur non biaisé de C: -9 < cos 1 cos 2 >
-9 * CosΘ1 · CosΘ2
TopReX reproduit l’asymétrie attendue au LHC
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 9
Différents canaux de décroissance des paires tt (LHC 104 pb-1) :
•Dileptonique (0.4M): ee, e,
Prague
•Semileptonique (2.5M): e+jets,+jets
CPPM
•Tout hadronique (3.7M): jets
Difficile …
•Bruit de fond intrinsèque (1.7M) : +X
3. Décroissances des paires tt3. Décroissances des paires tt
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 10
3. Canal dileptonique (1)3. Canal dileptonique (1)
33.0 AACll
Sélection des événements :
•2 leptons (e ou ) reconstruits de charge opposée avec pT > 25 GeV, ||< 2.5
•ETmiss > 40 GeV (2)
•2 jets de b avec pT > 25 GeV, < 2.5
•|Mll-MZ| > 5 GeV , |Mbb-MZ| > 5 GeV pour BdF
Signal : 80 000 evts/an (= 20%)
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 11
3. Canal dileptonique (2)3. Canal dileptonique (2)
Bruit de fond tt :
• tt + X
Bruit de fond non tt :
• Processus Drell-Yan associés avec des jets
• Z associés avec des jets
• WW
• bb ll
S/B~10
S/B~8.5
Reconstruction de la topologie de l’événement:
Ensemble de 6 équations à 6 inconnues (p et p) résolu dans 98% des cas (>=1 solution) avec ~70% de pureté (solution correcte) au niveau partonique
Signal : 60 000 evts/an (= 15%)
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 12
3. Canal semileptonique (1)3. Canal semileptonique (1)
13.0ou 16.033.0 hadhadlAC
had : lej (~ 0.5) ou W, b (~ 0.4)
Sélection des événements :
•1 lepton (e ou ) avec pT > 20 GeV, ||< 2.5
•ETmiss > 20 GeV (1 )
•4 jets avec pT > 40 GeV, < 2.5 dont 2 b
Signal : 20 000 evts/an (= 0.8%)
Signal : 100 000 evts/an (= 4.0%)
Coupures de qualité :
• MWREC-MW| < 20 GeV et |Mt
REC-Mt| < 35 GeV Pour augmenter l’asymétrie :
•M(tt) < 500 GeV (A~0.33 0.5)
A=0.33
A=-0.35
A=0.33
A=-0.35
Mtt (GeV)
(u.a
.)
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 13
3. Canal semileptonique (2)3. Canal semileptonique (2)
Reconstruction de la topologie de l’événement:
M~173 GeV
~ 11 GeV
tlep thadM~175 GeV
~ 11 GeV
Bruit de fond non tt :
•W+4jets simulé grâce à AlpGen
•Z + jets ll + jets
•WW, WZ, ZZ, Wbb : faible•bb lv + jets
40<S/
B<200
Bruit de fond tt :
•tt + X
•ttjets
S/B~15
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 14
3. Canal semileptonique (3)3. Canal semileptonique (3)
Distribution angulaires pour Signal + Bruit de fond avec
‘lep+lej’ :Pythia TopReX TopRex / Pythia
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 15
Remarque : sans reconstruction des tops, analyse possible avec les angles dans le laboratoire, mais effets plus faibles…
4. Résultats au LHC (1)4. Résultats au LHC (1)
Résultats attendus pour C à 104 pb-1 (erreurs statistiques) :
Analyseurs de spin
lep + lep lep+lej* lep+bhad * ou lep+Whad*
Partons SM 0.332 0.004 0.245 0.002 0.192 0.002
Partons NC 0.005 0.004 -0.002 0.002 0.003 0.002
Sel.+ Recons. SM 0.15 0.01 0.15 0.02 0.10 0.02
Sel.+ Recons. NC 0.01 0.01 -0.03 0.02 -0.02 0.02
* : résultats préliminaires + coupure
M(tt)
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 16
4. Résultats au LHC (2)4. Résultats au LHC (2)
Remarque :
la coupure sur M(tt) permet de s’affranchir des incertitudes à grand pT
Systématiques (en cours):
•Génération : fragmentation du b, ISR, FSR, PDF, mtop, BdF
•Reconstruction : b-tag, jets (taille du cône, calibration), acceptance, …
•Coupures de sélection (pT,), de qualité (MW, Mt), M(tt)
•Incertitudes théoriques…
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 17
4. Résultats au Tevatron4. Résultats au Tevatron
Première mesure de la corrélation de spin par D0 :
• dans la base non –diagonale (optimale)
• pour les décroissances dileptoniques
Résultats (RUN I, 125 pb-1) :
• 6 événements
• Coff >-0.25 à 68% CL (théorie : ~0.8 NLO)
Perspectives :
• A la fin du Run II (2fb-1), 150 événements
• C mesuré avec une précision de ~ 0.4
C’’est la première limite sur C !
La Londe 03/05/04 Correlation de spin 18
5. 5. Conclusions et Conclusions et perspectivesperspectives
• Effort théorique important pour offrir un cadre adapté à l’étude des corrélations de spin au Tevatron et au LHC.
• LHC produira une grande statistique de top sensibilité aux effets fins dans la production des paires tt à faible luminosité
• ATLAS peut mesurer une corrélation de spin entre quark top et anti-top mais encore beaucoup de travail …
• Développements connexes : polarisation des ‘single tops’, effets de la physique au-delà du modèle standard, lien avec la production de Higgs dans le canal (ttH), …