Sommaire

1. Mesures de la section efficace de production de paires de quark top dans les collisionneurs hadroniques

2. Sommaire Des collisions aux objets reconstruits Phénoménologie des quarks top aux collisionneurs hadroniques Mesure de section efficace de paires de quarks top à DØ Préparation à la mesure dans ATLAS Recherche du Higgs chargé dans les paires de top à ATLAS

3. Sommaire Des collisions aux objets reconstruits Les collisionneurs hadron-hadron : TeVatron et LHC Les ensembles de détection : DØ et ATLAS Algorithme de d’identification des électrons mous dans DØ Phénoménologie des quarks top aux collisionneurs hadroniques Mesure de section efficace de paires de quarks top à DØ Préparation à la mesure dans ATLAS Recherche du Higgs chargé dans les paires de top à ATLAS

4. Le TeVatron et le LHC p p 14 TeV

5. Le TeVatron et le LHC 3 fb-1 2.9 fb-1 2 fb-1 2.4 fb-1 Luminosité intégrée 1 fb-1 2002 2003 2004 2007 2005 2006 425 pb-1 Août 2002 – août 2004

6. Schéma d’une collision hadronique • Interaction hadron-hadron • Les hadrons ont une sous structure • Quarks de valence & mer et gluons • Energie totale de la collision inconnue • Déroulement d’une collision • Interaction dure • Grande énergie de transfert • Recombinaison des partons spectateurs • Evénement sous-jacent • Radiation de gluons (ISR, FSR) • Radiations de gluons • Fragmentation/hadronisation • Quarks et gluons s’habillent •  jets hadroniques • Interactions de paquets de hadrons • Empilement des collisions p - p (p)

7. Les collisions hadroniques : le déclenchement • Déclenchement de l’enregistrement • Enregistrement des collisions intéressantes • Filtrage des collisions inélastiques • ~2.5 106 collisions s-1 •  50 Hz sur bande • Le filtrage • Présence de particules énergétiques • Leptons isolés, jet hadroniques… •  Filtres spécifique aux événements 50 Hz 2.5 MHz

8. Les détecteurs DØ et ATLAS • Détecteurs généralistes en physique des particules • Etude des collisions à grande impulsion transverse • Trajectoires et impulsion de particules chargées  Trajectographe • Mesure de l’énergie  Calorimètres EM et hadronique • Détection et mesure d’impulsion des muons  Système à muons

9. Les trajectographes internes • Caractéristiques • Reconstruction des traces • Couverture : |η|<2.5 • Mesure de l’impulsion des traces • Champ B solénoïdal de 2 T •  σ(1/pT)≈1.5%/pT +0.18% Reconstruction de vertex secondaires • Reconstruction des traces Couverture : |η|<2.5 • Mesure de l’impulsion des traces Champ B solénoïdal de 2 T  σ(1/pT)≈1.3%/pT +0.04% Reconstruction de vertex secondaires

10. Les calorimètres électromagnétiques • Caractéristiques • Mesure de l’énergie des e/γ • Echantillonnage U/LAr •  20.5 X0 à η=0 • Couverture |η|<3.7 • Granularité ΔΦ*Δη=0.1*0.1 • Résolution : •  σ(E)/E=0.4% + 0.2/√E + 0.2/E • Mesure de l’énergie des e/γ Echantillonnage Pb/LAr  24 X0 à η=0 Couverture |η|<3.2 Granularité ΔΦ*Δη=0.025*0.025 Résolution :  σ(E)/E=0.7% + 0.1/√E + 0.3/E

11. Les calorimètres hadroniques • Caractéristiques • Mesure de l’énergie des hadrons • U, Cu/LAr •  7 λà η=0 • Couverture|η|<4.5 • Granularité ΔΦ*Δη=0.1*0.1 • Résolution : • σ(E)/E=6% + 0.9/√E • Mesure de l’énergie des hadrons Fe/Tuiles scintillantes, Pb/LAr  10 λà η=0 Couverture |η|<4.9 Granularité ΔΦ*Δη=0.1*0.1 Résolution : σ(E)/E=3% + 0.5/√E

12. Les chambres à muons • Caractéristiques • ID et reconstruction des muons • Tubes à dérive • Couverture|η|<2.0 Mesure de l’impulsion des muons • Aimants torroidaux B=1.8 T •  σ(E)/E ~ 4% @ 20GeV/c • ID et reconstruction des muons Tubes à dérive Couverture |η|<2.4 • Mesure de l’impulsion • Aimants torroidaux B=4 T •  σ(E)/E ~ 2% @ 20GeV/c

13. DØ : les détecteurs de pieds-de-gerbes • Description • 2 détecteurs • CPS : |η|<1.2 • FPS : 1.5<|η|<2.5 • Caractéristiques • Couches scintillateurs +fibres • Radiateur (Solénoïde ou Pb) Objectifs • Discrimination e±/π± π± : faible dépôt d’énergie (~ MIP) e± : dépôt d’énergie important • Discrimination γ/π0 π0γγ : 2 gerbes EM proches résolution ~ 1.5 mm • Maintien de la résolution en énergie Compensation du solénoïde e± ±

14. DØ : algorithme de reconstruction des électrons • Signature des électrons dans le détecteur • 1 dépôt d’énergie dans le calorimètre EM • 1 trace dans le trajectrographe • Critères de forme de la gerbe EM • Electron énergétique isolé • Reconstruction de l’amas EM  Algorithme de cône • Association à une trace • Critères de qualité • Electron mou dans un jet • Electrons de bas pT • Algorithme basé sur les traces • Electron dans le jet • Recueillir l’énergie de l’électron • Eviter d’ajouter l’énergie du jet

15. DØ : algorithme de reconstruction des électrons *mous* La méthode de la route Reconstruction d’amas calorimétriques Extrapolation des traces Sélection des cellules du calorimètre Eventuellement ajout de cellules adjacentes Critères de qualité Fraction EM, ET/PT Performances de la reconstruction Reconstruction de vrais électrons Isolés : ε≈ 75% Dans les jets : ε≈ 40% Reconstruction de π±, K± HAD EM CPS trajectographe (*) Thèse F. Beaudette, 2003

16. DØ : algorithme de reconstruction des électrons mous • Ajout du CPS dans la méthode de la route • Recherche du cluster CPS • Estimation de la position de la particule • Estimation précise • Résolution sur la position estimée • σΦ=1.6 mrad • σz =1.8 mm • Association cluster CPS – électron mou • Critère géométrique •  Discrimination e±/π±  électron  π±, K±

17. DØ : algorithme de reconstruction des électrons mous Discrimination e±/π± Performances Electrons: ε≈ 90 % π±, K± : ε≈ 2-20 % Applications Identification de J/Ψ Déclenchement sur des électrons mous Etiquetage des jets b semileptoniques Résolution en énergie des électrons mous Etalonnage en énergie Corrections géométriques (pT, η) Ajout de l’énergie déposée dans le CPS Reconstruction de J/Ψ ee Performances -15% sur σE/E M(e+e-) Sans CPS Avec CPS σE/ESans CPS Avec CPS

18. Sommaire Des collisions aux objets reconstruits Phénoménologie des quarks top aux collisionneurs hadroniques Le Modèle Standard et le quark top Production des paires de quarks top et désintégration Signatures comparées des quarks top au TeVatron et LHC Processus de fonds au signal Mesure de section efficace de paires de quarks top à DØ Préparation à la mesure dans ATLAS Recherche du Higgs chargé dans les paires de top à ATLAS

19. Le Modèle Standard et le quark top Le Modèle Standard Description des particules et des interations  Symétries de jauge Interaction électro-faible : Introduction d’un doublet de Higgs  1 état physique “boson de Higgs” Le quark top 3e famille de quarks, partenaire du quark b Observation directe en 1995 à Fermilab Masse mtop ≈ 170 GeV/c2 Couplage de Yukawa λtop=1 Permet d’explorer la physique à l’échelle EW Désintégrations  ~ 4.10-25s « 1/ΛQCD  Pas d’hadronisation  Etude des propriétés d’un quark “nu” tWb à 100% t u c γ quarks d s b g bosons de jauges νe νμ ντ Z leptons e μ τ W 1ere 2eme 3eme génération

20. Production de quarks top aux collisionneurs hadroniques Production par interaction forte TeVatron σNLO (pptt) = 6.77±0.42 pb Annihilation qq : 85% LHC LHC : σNLO (pptt) = 830±100 pb Fusion gg : 90% Production par interaction faible TeVatron σNLO (ppt) = 3.0±0.4 pb 2 canaux : voies «s» et «t» LHC LHC : σNLO (ppt) = 310±45 pb 3 canaux : voies «s», «t» et «W+t» t g q q’ q t W W W b q’ b t b Voie «t» Voie «W+t» Voie «s»

21. Désintégration des paires top-antitop dans le MS • Désintégrations tt  (Wb)(Wb) • “Hadronique” • tt (jjb) (jjb) • BR grand : 44% • Bruits de fond multijets important • “lepton+jets” l=e, μ • tt (lvb) (jjb) • BR intermédiaire : 30% • Bruits de fond réduits • “Di-leptonique” l=e, μ • tt (lvb) (l’vb) • BR faible : 5% • Bruits de fond réduits Lepton+jets

22. Désintégration des paires top-antitop dans le MS Désintégrations tt  (Wb)(Wb) “Hadronique” tt (jjb) (jjb) BR grand : 44% Bruits de fond multijets important “lepton+jets” l=e, μ tt (lvb) (jjb) BR intermédiaire : 30% Bruits de fond réduits “Di-leptonique” l=e, μ tt (lvb) (l’vb) BR faible : 5% Bruits de fond réduits Lepton+jets v l b-jet l b-jet jet jet

23. Pourquoi mesurer σ(tt) ? • Tests de QCD • Production par interaction forte • Couplage aux gluons • Corrélations de spin • Tests du secteur électrofaible • Décroissance du top • Mesure de |Vtb| • Propriétés du W • Hélicité, décroissance • Mesure indirecte de mtop • σ(tt) dépend de mtop • Recherche de nouvelle physique • Nouveaux diagrammes de production • Bosons supplémentaires, états liés • Désintégrations exotiques • H± léger, stop, … • Bruit de fond à d’autres analyses • Higgs, single top, SUSY, ...

24. Signature des événements ttl+jets (l=e, μ) • Signature recherchée • 1 lepton isolé, énergétique & central

25. Signature des événements ttl+jets (l=e, μ) • Signature recherchée • 1 lepton isolé, énergétique & central • ET importante

26. Signature des événements ttl+jets (l=e, μ) • Signature recherchée • 1 lepton isolé, énergétique & central • ET importante • 2 jets b, grand pT& centraux

27. Signature des événements ttl+jets (l=e, μ) • Signature recherchée • 1 lepton isolé, énergétique & central • ET importante • 2 jets b, grand pT& centraux • 2 jets, grand pT& centraux

28. Signature des événements ttl+jets (l=e, μ) • Signature recherchée • 1 lepton isolé, énergétique & central • ET importante • 2 jets b, grand pT& centraux • 2 jets, grand pT& centraux • Jets supplémentaires • Jets grand η • Jets énergétiques pT>15 GeV/c

29. Bruits de fond aux événements ttl+jets (l=e, μ) Bruits de fond Processus avec quark top tt (lvb) (l’vb) Single top : σ~ O(1pb) Processus avec bosons W, Z W+jets : σ~O(100 pb) Z+jets : σ~O(10 pb) WW,WZ,ZZ : σ~O(10 pb) Processus multi-jets Multi-jets : σ~O(mb) Multi-jets bb : σ~O(μb) Fonds car : - Grande section efficace - Mauvaise identification barn mb μb σ nb pb fb

30. Sommaire Des collisions aux objets reconstruits Phénoménologie des quarks top aux collisionneurs hadroniques Mesure de section efficace de paires de quarks top à DØ Stratégie de l’analyse Sélection des paires de quarks top Etiquetage des jets beaux avec des leptons Evaluation des fonds Extraction de la section efficace Résultats Préparation à la mesure dans ATLAS Recherche du Higgs chargé dans les paires de top à ATLAS

31. Stratégie d’analyse Expérience de comptage Analyse Sélection des événements Canaux e+jets, μ+jets Détermination des niveaux de bruits de fond A partir des données réelles A partir de la simulation Extraction de la section efficace Réalisation d’une expérience statistique Prise en compte des fluctuations statistiques

32. Sélection des événements tt Sélection selon la signature “W+jets” Conditions Identique analyses “l+jets” Orthogonale aux analyses “dilepton” Étiquetage des événements Purifier le lot en saveurs lourdes Séparer le signal des fonds A • Critères de qualité • PV, lepton isolé, ET, jets • Critères cinématique • pTl>20 GeV/c, |ηe|<1.1, |ημ|<2.0 • ET>20 GeV • ≥ 3 jets ETjet >40, 20 GeV, |ηjet|<2.5 • Etiquetage des jets • ≥ 1 jet étiqueté b

33. Etiquetage des jets b avec des muons • Principe • Critère d’association simple • ≥1 μ dans un jet (ΔR<0.5) • Efficace pour la recherche de tt • ≥1 jet semileptonique dans 40% des ttl+jets • Performances • Par jet • ε(b μX) ~ 45% • ε(jet hadronique) ~ 0.5% • Par événement • ε(tt) ~ 17% • ε(Wbb) ~ 14% • ε(Wcc) ~ 7% • ε(Wjj) ~ 1% ε(btag) vs pTjet L’étiquetage des jets b avec μ est un outil efficace pour la recherche des signaux tt.

34. Etiquetage des jets b avec des électrons mous avec CPS • Difficulté essentielle • Reconstruire et identifier un électron dans un jet • Principe • Rechercher un électron mou dans un jet • ≥1 e dans un jet (ΔR<0.5) • Association électron mou-CPS • Performances • Par jet • ε(beX) ~ 45% (μ : 45%) • ε(jet hadronique) ~ 3% (μ : 0.5%) • Par événement • ε(tt) ~ 25% (μ : 17%) • ε(Wjj) ~ 5% (μ : 1%) ε(btag) vs pTjet Pureté en jets b x10 avec le CPS Perfomances d’étiquetage comparables à celles obtenues avec des muons

35. Evaluation des fonds multi-jets • Problématique • σ(multi-jets)/σ(tt) ~ 107 • Reconstruction de jets comme leptons isolés • Mauvaise reconstruction & identification • Jets semileptoniques •  Processus lourds à simuler •  Utilisation des données • Méthode • Choix de variables discriminantes vrais/faux leptons • Qualité du lepton : “ loose” ou “tight” • e : vraisemblance (forme, E/p, …) •  : isolation (énergétique et trace) • Performance des coupures sur ces variables • Vrai lepton (tt+Wjets simulés)  εvrai lepton ~ 85% • Faux lepton (données enrichies en QCD)  εfaux lepton ~ 15% • Méthode de la matrice

36. Evaluation des fonds W+jets • Contexte • Générer proprement les jets supplémentaires • + Cinématique correctement décrite • + Séparation selon les saveurs/nombre de jets • - Section efficace LO •  Normalisation à partir des données • Méthode • Sélection • Méthode de la matrice nombre d’événements avec vrai lepton : Nvrai lepton • Soustraction des autres contributions avec vrai lepton • Etiquetage des événements • Utilisation de la simulation

37. Evaluation des fonds Z+jets • Problématique • Etat final recherchéà 2  • Générer proprement les jets supplémentaires • + Forme des distributions correctement décrites • + Séparation selon le nombre de jets • - Section efficace LO •  Normalisation à partir des données • Méthode • Simulation du déclenchement • Normalisation avec M() • Calcul du nombre d’événements Z( )+jets • Facteur correctif KZ~ 1.1 • Etiquetage des événements • Utilisation de la simulation • Effet dominant : superpositions -jet q Z M() après sélection

38. Distributions cinématiques

39. Calcul de σ(tt) Problématique Combinaison de 8 analyses 4 canaux exclusifs : électron (3 et ≥4 jets) muon (3 et ≥4 jets) 2 lots de données orthogonaux : loose-tight, tight Evaluation du niveau de certains fonds sur les données Pour chaque analyse : Maximisation d’une fonction de vraisemblance Description Trouver σ(tt) tel que N soit le plus proche possible de Nobs Autoriser les fluctuations statistiques du nombre d’événements autour de la valeur observée (loi de Poisson)

40. Incertitudes systématiques Méthode statistique Distribution gaussienne incluse dans L Toutes les sources peuvent varier simultanément Prise en compte des corrélations Combinaison des incertitudes statistiques et systématiques Systématiques sur σ(tt) Taux de mauvais étiquetage : 12% Evaluation des fonds multijets: 5% Etalonnage des jets : 4% Statistique générée : 4% Evaluation des fonds W+jets : 3% Identification  dans les jets : 3% Identification du lepton isolé : 3% Evaluation des fonds Z+jets : 1% Déclenchement : 1%

41. Résultats combinés et comparaisons aux autres mesures 425 pb-1

42. Conclusion Mesure de σ(tt) • Nécessite un bon contrôle des fonds • Méthode de vraisemblance pour calculer σ(tt) • Bon accord avec la théorie et autres mesures • Limité par la statistique • Approuvé par la collaboration • Comparaison avec CDF (760 pb-1) σ(tt)=7.8±2.0 (stat+syst) ±0.5 (lumi) pb Perspectives • Canal l+jets, étiquetage par électron Sensibilité statistique estimée comparable à l’analyse muon 425 pb-1

43. Sommaire Des collisions aux objets reconstruits Phénoménologie des quarks top aux collisionneurs hadroniques Mesure de section efficace de paires de quarks top à DØ Préparation à la mesure dans ATLAS Stratégie de l’analyse Sélection des paires de quarks top Discriminant topologique Extraction de la section efficace Estimation des erreurs systématiques Recherche du Higgs chargé dans les paires de top à ATLAS

44. Stratégie : de DØ à ATLAS Rapport S/B plus favorable σ(tt)*100, σ(W+jets)*10 10 M de paires tt par an  Etudes de détecteur à partir d’événements tt Critères de sélection plus sévères qu’à DØ Mesures de précision Erreurs systématiques rapidement dominantes Limiter l’effet des incertitudes systématiques Réduction et contrôle des fonds Multijets & W+jets Calibration des jets Préférer des variables topologiques Etiquetage des jets

45. Sélection des événements ttl+jets • Critères de sélection • W leptonique • = 1 lepton (e, μ) pT>20 GeV/c, |η|<2.5 • ET > 40 GeV (DØ : 20 GeV) • ≥ 2 jets légers • pT > 40 GeV/c , |η|<2.5 (DØ : 20 GeV/c) • ≥ 1 jet étiqueté b • Etiquetage : SV+IP • ε(b)=60%, ε(jet léger)=1% • pT > 40 GeV/c , |η|<2.5 (DØ : 20 GeV/c) • W hadronique • mjj=mW±30 GeV/c2 • Discriminant topologique multivarié

46. Discriminant topologique multivarié Principe 2 hypothèses Signal : tt Bruit de fond : W+jets & single top Combinaison de variables Fonction de vraisemblance Variables traitées de façon décorrélée Variables utilisées Combinaison de 8 variables topologiques :  Angles  Rapports d’énergies  Variables globales (aplanarité, …)

47. Discriminant topologique multivarié Principe 2 hypothèses Signal : tt Bruit de fond : W+jets & single top Combinaison de variables Fonction de vraisemblance Variables traitées décorellées Variables utilisées Combinaison de 8 variables topologiques :  Angles  Rapports d’énergies  Variables globales (aplanarité, …)

48. Performances attendues et extraction de la section efficace • Performances de la sélection • Rapports S/B • =1 jet b : S/B ~ 6 (DØ : S/B~2) • =2 jets b : S/B ~ 20 • Extraction de la section efficace • Comptage des événements • 16 canaux exclusifs : e ou μ, N(jets), N(jets b) • Combinaison des canaux • Maximisation d’une fonction de vraisemblance 100 pb -1 e+jets 100 pb -1 e+jets

49. Incertitudes systématiques • Systématiques • Incertitudes théoriques • Sections efficaces des fonds • W+jets : Δσ/σ = 20% • Z+jets : Δσ/σ = 5% • Single top : Δσ/σ = 5% • Δmtop = 2 GeV/c2 • Incertitudes expérimentales • Etalonnage des jets : 2% (jets légers), 3% (jets étiquetés) • Radiations ISR/FSR : αs connu à 10% • Etiquetage des jets : 3% (jets b), 10% (jets légers) • Incertitudes sur la mesure de la luminosité • ΔL/L=5% 1 GeV/c2@ 10fb-1 2% (tous jets) @ 10fb-1 αs connu à 5% @ 10fb-1 2% (jets b), 5% (jets légers) @ 10fb-1 ΔL/L=3% @ 10fb-1

50. Résultats et conclusion Mesure de σ(tt), canal l+jets (l=e, µ), étiquetage des jets b De DØ à ATLAS Evolution favorable des sections efficaces  Pureté en événements tt plus grande  Durcissement de la sélection Trois niveaux de sélection des événements tt Variables cinématiques et multiplicité Reconstruction explicite des bosons W Discriminant topologique Extraction de σ(tt) Maximisation de vraisemblance, inspirée de DØ Sensibilité pour 100 pb-1: pour 10 fb-1:  Sensibilité à la nouvelle physique ?