ミニ研究会 「LHC での余剰次元研究」 ９月７日 東京大学 素粒子物理国際研究センター 磯部忠昭 RSモデルとKKグルオンの研究 ミニ研究会 「LHC での余剰次元研究」 ９月７日 東京大学 素粒子物理国際研究センター 磯部忠昭

コンテンツ RSモデルとKKグルーオン 高運動量トップクォークの同定 KKグルーオンの発見可能性 まとめ サブジェットを用いたハドロニック崩壊トップの同定 Non-isolatedミューオンを用いたセミレプトニック崩壊トップクォークの同定 KKグルーオンの発見可能性 まとめ

RS余剰次元モデルとKKグルーオン RS warped extra dimension (L. Randall, R. Sundrum) Physical Review Letters 83 (1999): 3370–3373 LHCにおけるKaluza-Klein stateのグルーオンの発見が予言されている JHEP0709:074,2007 KK stateのSMゲージボゾン クォークに対するカップリングがグラビトンより大きく、生成断面積がM=1TeV/c2で~30pb@√s=14TeVと比較的大きい 4pb@√s=10TeV, 1.6pb@ √s=7TeV ただ幅が~17%と大きい カップリングは質量に強く依存し、ほとんどがトップクォーク対に崩壊するttbar)=とされている Br(KKgluon→92.3% トップクォーク対というイベントトポロジーに注目し、ttbar resonanceを探索する研究が進んでいる KKグルーオンに限らずZ’探索にも適用

KKグルーオンのGenerator 生成断面積、KKグルーオンの生成イベントトポロジーはMADGRAPHを用いて計算 TopBSM (R. Frederix and F. Maltoni,0712.2355) 但しleft /right handed quarkのカップリングの値を調整 L R u/d -0.2 -0.2 b 1 -0.2 t 1 4 M=1TeV Breit-Wignerとpdf によるlow-massのtail GenerateされたKKgluonの質量分布

KKグルーオン探索のバックグランド QCD-multijetが主なバックグランド 加えてSM-ttbarとW+jet QCDから来る多大なバックグランドの中からピークを見つけなければならない →トップクォークの同定が必須 ★高い運動量(>500GeV/c)を持ったトップクォーク QCD B. Lillie et. al JHEP0709:074,2007 KK gluon invariant mass distribution of bulk RS model

トップクォーク対解析における ターゲット崩壊チャンネル 1レプトン+ジェット いわゆるゴールデンチャンネル SM-ttbar解析でも特に重視されている Missing EtとWからのレプトンの要求により、強くQCDバックグランドを削除できる 3ジェットによるトップクォークの同定

High-pT top IDにおける問題 High-pT top再構成の為には、通常のinvariant mass解析では限界 例えばpT>500GeV/cのトップでは、トップからくる粒子のほとんどが一つのジェットに含まれてしまう 通常R=0.6とか0.4 あたかもsingle jetのように見えてしまい、topイベントの再構成が困難に この様なブーストされたジェットの再構成の研究は結構ホットな話題 この研究に特化した研究会も： http://www-conf.slac.stanford.edu/Boost2009/

High-pT top ID の手法 ~Hadronic decay top~ Jetの不変質量 M(jet)~M(top) Jetのsub-structureを見る 一種のクラスタリングアルゴリズムにおいて、ジェット同士をmergeする際の距離スケールを指標にする Hadornic decay topには3jet(bqq’)のsub-structure top→3jetを分けられれば、W質量も同定に使える b-tagging high-pTではパフォーマンスが悪い Wからの寄与でさらに悪い Sub-jetに対してapplyすることである程度の改善は期待できる t→bW →bqq’

Jetのsub-structureを見る QCD jetsがフラグメント化する際の(pT)スケールが、heavy particleの崩壊におけるスケールに比べ指数関数的に小さい事を利用する DGLAP QCD evolutionに即したjetのフラグメント化 ジェット中のsub-jetの数を数える 大きいジェット(R=0.6とか)中に含まれる小さいジェットの数を数える 小さいジェットはサンプルをもとに決定した、パラメータをもとにexclusiveに再構成したジェット kt ジェット構成アルゴリズムにおけるいわゆるジェット同士の距離スケール Exclusiveに再構成 大きいRで再構成 dに対しexclusiveに制限をつける

MCサンプルを用いたパラメータ調整 KK gluon->ttbarサンプルを用いてパラメータを調整する pythiaによるstring fragmentation ここではアルゴリズムそのものを評価するため、Truthレベルで調整を行っている(hadronic崩壊のみを使う) pTにあまりよらず一定の数のsub-jetがカウントできている dcut=5GeV dcut=10GeV dcut=20GeV dcut=40GeV dcut=60GeV Sub-jetの数 vs Jet-pt分布 プロットはX軸にプロファイルをとったもの Sub-jet数のパラメータ依存性

Jet sourceによる違い pT>1TeV/cにおけるprojection 面積でnormalize only hadronic decay High-pT topをもとに出したパラメータを使った上での、high-pT hadronic W, high-pT b-quark, light-quark jetにおけるふるまい 予測されるとおりのふるまいを見せる 80%のW->qqが2jetと判定される

Sub-jetを使ったtop-IDのパフォーマンス Truthレベル ~0.63 ~0.17 W ~0.03 Light quark レプトニック等すべての崩壊モードを含む #Sub-jet>=3を要求したカット Efficiency 63%に対してlight quark rejection 30

Sub-jetを使ったtop-IDのパフォーマンス ATLAS Fullシミュレーション Efficiency of top/jet (ATLAS) CMSの場合 Cut: Nsubjet>=3 Z’->ttbar Z’->uubar Include all of decay mode (i.e. hadronic and leptonic) Cut: Nsubjet>=3, Mjet~Mtop, use W mass constrain

High-pT top ID の手法 ~Leptonic decay top~ t→bW →bln Non-isolated muonを指標にする t->bW (W->mn) b-jet中のレプトンを探す 電子はp0からのフェイクの寄与が大きいと予測されるので難しい b-tagging high-pTではパフォーマンスが悪い

Non-isolated muonを使った high-pT top-ID b-jetとmとの関係を用いたもので多くのパラメーターがproposeできる pt of m in jet pt fraction of m in jet Relative pt of m wrt jet xm≡1-m(b)2/m(b+m)2 fraction of visible top mass carried by muon (arXiv:0806.0023) m-isolation in dynamical cone (Mini-isolation) m Search muon from W or b

Mini-isolation Leading leptonに対し、isolation coneをjetの情報を元にdynamicに変化させる DR ~ ? DR ~ mt / Ptt DR ~ mb / Ptb DR ~ mb / Ptb KKgluon(M=1TeV) red,blue: QCD jet m n n m B B B W W pT(m)/pTcone(dR<(15GeV/pT(m))) t t

semileptonic Top-ID パフォーマンス tagging based on non-isolated muon w/ mini-iso pT(m)/pTcone(dR<(15GeV/pT(m)))<0.85 non-isomuon-pT>20GeV M(Jet+mu) > 60GeV/cc mini-isolation カットを使った場合の Rejection power は 3000~5000!. 単純なnon-isolated muonを使った方法に比べ良い結果

KKグルーオン解析: ハドロニック崩壊トップ+セミレプトニック崩壊トップ 10TeV, 200pb-1を過程 SM-ttbar約80000イベント 8fb-1ppbar 1.96TeVで約64000 SM-ttbarイベント

カットサマリーと残るイベント数 (√s=10TeV 200pb-1) KKg(1TeV) KKg(2TeV) QCD Top Wj w/o cut 795.5 28.4 6.85e+8 7.47e+4 1.19e+6 2Jet-pT>20GeV 723.7 26.6 4.9e+8 6.43e+4 5.42e+4 MissEt>20GeV 683.2 25.5 5.92e+7 4.19e+4 4.62e+4 Nsubjet>=3 211.5 14.2 2.22e+5 1.66e+3 38.7 Muon-pT>30GeV 36.0 3.86 1.62e+3 79.9 8.93 MiniIso>0.85 26.1 2.69 37.3 xm>0.4 24.8 2.46 7.61 31.8 M(jet+m)>20GeV 23.6 2.42 6.81 29.9 QCDバックグランドに変わり、SM-ttbarがmajorなバックグランドに

ニュートリノの再構成 トップクォーク対の不変質量を再構成するには、ニュートリノのpzをどうにかして、計算する必要がある 再構成の方法 px,pyはmissing-etから得る 再構成の方法 Wの質量をもとにする 0~2個の解が存在する h(n)=h (l)と仮定する もしくはcollinear approximation h(n)=h (l)の方がいい結果 True Mtt True Mtt after cut M(jet+jet+l+l) M(jet+jet+l+l+n) same rapidity M(jet+jet+l+l+n) W constrain

不変質量分布: 10TeV 200pb-1 M=1TeV Reconstruction on the assumption of h(m)=h(n) For optimized mass window M=1TeV, S: 15.1 N: 12.5 S/sqrt(N): 4.3 Excludeは可能(95% C.L.)だが、5s発見には275pb-1必要

まとめと展望 Bulk RS KK gluon はLHCでの1st dataにおける物理ターゲットのひとつになっている 大部分がトップクォーク対に崩壊すると言われている KK gluonを探索するため、boosted topの同定法を開発 サブジェットを用いたhadronic decay topの同定 Non-isolated muonを用いたsemi-leptonic decay topの同定 10TeV, 200pb-1で4.3s significance(M=1TeV/c2) SM-ttbarが主なバックグランドとなり、さらなる探索のためには、トップクォーク対ピーク幅の精度をあげる必要がある 実データに基づくsubjet解析の為のパラメータチューンが必要 low-ptでの3jetからextrapolate 実データからのバックグランドの見積もり このままだとMC頼り