La Londe 03/05/04Correlation de spin1 Corrélation de spin dans la production tt F. Hubaut, E....

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


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


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


A=0.33

A=-0.35

A=0.33

A=-0.35

Corrélations entre les spins des quarks t et t


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



)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



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)


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 :


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


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


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%)


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%)


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

.)



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



Distribution angulaires pour Signal + Bruit de fond avec

‘lep+lej’ :Pythia TopReX TopRex / Pythia


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)


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…


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 !


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), …

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