10/6/2003b e tau identificazione di b e tommaso boccali sns pisa fabrizio parodi infn genova
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10/6/2003 b e tau
Identificazione di b e
Tommaso BoccaliSNS Pisa
Fabrizio ParodiINFN Genova
10/6/2003 b e tau 2
Outline
I rivelatori di tracciamento di ATLAS e CMS
Performance Tracciamento Vertici Identificazione di particelle coi tracker
Tool di selezione B-tagging (online/offline) Tau-tagging (online/offline)
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Rivelatori di tracciamento
Disegno concettualmente simile: A cipolla, con tre sistemi “diversi”
con precisione degradante con la distanza dall’interaction point
Campo magnetico: ATLAS 2 T, CMS 4 T
PixelSilicon -strips ad alta risoluzioneSilicon -strips o Trd a risoluzione
minore
m2
Com
ple
ssit
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PixelATLAS CMS
Layers 3b+5d 3b+2d
Dimensioni 2.87 m2 1.06 m2
Raggio interno 50.5 mm 40.3 mm
Rivelatori 2146 14192
Dimesioni pixel (50*300÷400)m2 (150m*150)m2
Canali di acquisizione
108 4x107
Occupancy (alta
luminosità)
10-4 10-4
Lettura Pulse height(nuovo!)
8 bit
Risoluzione 12 m (r)70 m (z)
10 m (r)10 m (z)
Numeri ancora con readout a
soglia
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Silicon -strips (ID)ATLAS
SCTCMS
TIB & TID
Layers barrel 4 (4 stereo) 4 (2 stereo)
Layers endcap 4 (4 stereo) 3 (2 stereo)
Dimensioni 61 m2 ~100 m2
Rivelatori 4088 3540
Pitch (medio) 80m barrel63÷85m endcap
80,120m barrel120m endcap
Canali di acquisizione
6.3x106 2x106
Occupancy (alta luminosità)
6x10-3 10-2
Lettura Digitale a soglia 8 bit
Risoluzione 22 m (r)24 m (z)
20÷30 m (r)20÷40 m (z)
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Rivelatori “esterni”ATLAS
TRTCMS
TOB & TEC
Layers barrel ~36 punti per traccia per ||<2.5
4 (2 stereo)
Layers endcap 3 (2 stereo)
Rivelatori 370000 11608
Pitch (medio) 2 cm 120m (1 e 2)180m (3 e 4)
Canali di acquisizione
370000 ~7x106
Occupancy (alta luminosità)
15÷40% 10-2
Lettura 2 soglie (ion e TR)ToT
8 bit
Risoluzione 200 m (r) 30÷45 m (r)30÷50 m (z)
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“Staging”
Quanto realisticamente è possibile avere nel 2007?
CMS: Un cilindro e un disco dei pixel in meno a bassa
luminosità; studi fatti (vedi dopo), ma l’ipotesi sembra scongiurata
ATLAS: A partire dalla configurazione di disegno dei pixel e
del SCT (3+4 barrel), sono stati studiati 2+4 più critico per la fisica 3+3
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Performance
Punti per traccia carica Risoluzione Se disponibile, importanti
per particle-id
3d
2d
Info
rmazi
on
e s
u
pu
lse h
eig
ht
o T
oT
Inefficienza di readout +
geometrica (poca)
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Materiale
Purtroppo la scelta all-silicon di CMS ha contribuito ad un aumento sostanziale del materiale presente prima dei calorimetri
Non è un problema del silicio, ma del cooling, dell’elettronica, dei cavi…
0t
d
dM
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Tracciamento Efficienza:
Tracciamento in condizioni ideali (singoli muoni) completamente efficiente
Per pioni + pile up a alta luminosità efficienze comunque maggiori del 90%
Per tracce all’interno di jet efficienza comunque maggiore dell’80% e numero di tracce ghost contenuto al di sotto del percento
Pile-up non importante per l’efficienza, solo per i tempi del tracciamento
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Risoluzioni del tracciatore
=1 PT=20 GeV
CMS (PT)~1.5%
ATLAS (PT)~2%
=1 PT=20 GeV PT=20 GeV
CMS (z0)~40m
(d0)~20m
ATLAS
(z0)~95m
(d0)~15m
ATLAS pixel size minore in r
CMS minore in z
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Abbiamo bisogno di tanto? No! Il disegni dei tracker sono altamente ridondanti,
possiamo risparmiare tempo ATLAS: tracking a LVL2, con algoritmi più veloci e usando solo i
pixel. Performance di b-tagging degradate rispetto a offline, ma non biasate; essendo a LVL2 (e non a HLT) permette di abbassare la soglia di LVL1
CMS usa gli stessi algoritmi offline, ma limita il tracking a pochi hit (7)
Supponendo allineamento
perfetto!!!(errore residuo <<
risoluzioni)
Effetto sul b-tagging
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Vertici
1. Trovare il vertice primario Rende il pile-up meno
importante Importante per es. in H Efficienza del primario
~95% (~indipendente dal canale)
2-jet
H (40m)
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Particle id dE/dx
CMS: disponibili ~15 letture a 8 bit per traccia
Separazione p-K meno di una Separazione p-e meno di due
ATLAS: pixel danno solo 4 hit, ma TRT dà in media 36 letture di ToT; in più la doppia soglia degli hit nella TRT permette una certa discriminazione
Elettroni da TR ATLAS: TRT dà
~ 36 letture
ATLAS
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Come selezionare b e t?
Selezione inclusiva di jet da b e Caratteristiche salienti
b: Vita media ~ 1.2 ps; c ~ 470 m Alta molteplicità carica nei decadimenti Decadono spesso in leptoni con pT grosso Massa elevata degli adroni
Tau: Jet molto collimati 1, 3 tracce cariche cluster calorimetrico associato Vita media 0.3 ps; c ~ 90 m Presenza di 0
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b-tagging (tool) Parametro d’impatto -
Abbastanza semplice da essere utilizzato a livello trigger; può essere 3d o nel piano trasversoNumero di tracce Likelihood ratio
Selezione unbiased, ottima per HLT
Dipende criticamente dal segnale e dal fondo, poco usabile a HLT
Almeno 2 tracce con Calcolare la distribuzione di probabilità di S per segnale e fondo, e costruire un estimatore
thresholdIPσ
IPS
iu
ib
Sf
SfW
ATLAS usa come test segnale da H(100
GeV)bb;i risultati possono
dipendere fortemente dal canale.
CMS usa jet da QCD
10/6/2003 b e tau 21
b-tagging online (time limited!)
Confronto a livello di trigger: per b=50%, reiezione•ATLAS ~20•CMS a 100 GeV ~30÷100 ()•CMS a 50 GeV ~50 offline~online
online peggio di offline (tracking differente, siamo solo a LVL2); a livello HLT,
dovrebbe agevolmente recuperare il gap on/off
10/6/2003 b e tau 22
Non male!
Dal punto di vista di potere di separazione, la situazione è già molto buona
Ricordarsi che qui siamo online!
CMS
Miglior curva di selezione
di ALEPHATLAS
Molto bello, ma la sistematica?
Include:
•Pile-up a bassa lumi
•Allieneamento perfetto
•Inefficienze di read-out nei pixel
•Ultime stime di Material budget
50GeV
10/6/2003 b e tau 23
b-tagging offline
Usare il tracciamento ideale Il parametro d’impatto rimane
l’osservabile più discriminante, ma possiamo utilizzarlo meglio
Likelihood ratio o approccio probabilistico
Soft lepton tag Vertexing
Probabilità che le tracce del jet siano compatibili
con venire dal primario (e quindi con parametro
d’impatto ~0)
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Lepton tag - e
Usa i decadimenti blX o bclX (~20% per b quark)
Problemi Materiale nel tracker Efficienza inerentemente bassa, limitata superiormente dal BR
Il BR…
10/6/2003 b e tau 27
Performance
Mettendo tutto insieme dove si può pensare di arrivare?
In particolare, per alcuni canali (susy, top) si vuole un fattore di reiezione sugli u ~O(1000)
Reiezione per b=50%
Benchmark quotati
ATLAS: b% con reiezione
300÷400
CMS:100÷1000 ()
H(100GeV)bb
H(400GeV)bb
10/6/2003 b e tau 28
Come confrontare?
Atlas: H(100-400GeV)bb CMS: posso confrontare
con jet di pT~50 GeV
H(100GeV)bb
H(400GeV)bb
ATLAS: reiezione 400 a 100 GeV
CMS: reiezione 200÷1000 ()
Risultati a 200 GeV non disponibili per
CMS
10/6/2003 b e tau 29
Non male! - offline
Riguardiamo LEP per le performance offline (LEP è per definizione offline) – jet da 50 GeV e H(100 GeV)bb
CMS
Curva di selezione di
ALEPH
ATLAS
Molto bello, ma la sistematica?
Include:
•Pile-up a bassa lumi
•Allineamento perfetto
•Inefficienze di read-out nei pixel
•Ultime stime di Material budget
10/6/2003 b e tau 30
Sistematiche?
Detector Allineamento: può essere davvero critico. In questi
studi, si assume il disallineamento residuo molto minore della risoluzione. Per i pixel, vuol dire allineare a 1m!A questi livelli un detector non può nemmeno essere considerato un corpo rigido.ATLAS e CMS hanno proof of concept con allineamento tramite tracce, ma nulla di definitivo è stato provato.
Conoscere davvero bene material budget e campo magnetico
Fisica Grosse assunzioni sui rate QCD e sul minimum bias
(meno critico)
10/6/2003 b e tau 31
E i charm?
ATLAS: La reiezione non
supera 10÷12 per b=50%
CMS: Anche meno. Per
un’efficienza sui b del 50%, l’efficienza sui c è poco meno del 10%
10/6/2003 b e tau 32
Cosa manca?
Avere molta fede nelle sistematiche … Mass tag, dovrebbe permettere una
buona reiezione dei charm Voglio far notare un’ultima volta come il
confronto non sia in realtà esatto CMS: inclusivo ATLAS: canale/i specifico
10/6/2003 b e tau 33
Effetti dello staging
Tutto questo in situazione ideale. Come cambiano le cose con lo staging?
CMS: a parità di reiezione, 10÷20% peggio
ATLAS: studiati effetti sulla fisica e in generale. Per il b
tagging, degrado delle prestazioni del 30% se viene
tolto il secondo layer dei pixel; solo del 10% con una layer di
SCT in meno. Nel canale H(400 GeV)bb, l’ effetto si traduce in minore significatività pari a 6% e 2% (effetto trascurabile rispetto
alle sistematiche)
10/6/2003 b e tau 34
Tau tagging
Tau adronico: Cluster calorimetrico associato Missing ET
Jet molto collimati 1, 3 tracce cariche Vita media 0.3 ps; c ~ 90 m Presenza di 0
Tau leptonico: BR(ee)~18% ricade nel caso precedente 1 prong BR()~17% è più o meno perso
In ogni caso, pT(leptone)~1/3 pT() e quindi non è eccezionale per taggare
Utilizzabile online /
offline
Utilizzabile offline
10/6/2003 b e tau 35
Cosa è stato fatto?
ATLAS: Studi di trigger a livello 1 per canali specifici Studi offline per tools di -tagging Manca ancora il livello HLT
CMS: Livello 1 + HLT Qualcosa offline, ma ricalca abbastanza da
vicino l’HLT
10/6/2003 b e tau 36
Livello 1
Identificazione calorimetrica! Jet + isolamento Non mi ci soffermo troppo…
10/6/2003 b e tau 37
…
Primo jet da Lvl1 In un canale di benchmark A/H il livello 1 è efficiente più del 70%
Vari canali di trigger utilizzati; principale è comunque + Emiss
10/6/2003 b e tau 38
Lvl 1 Rate
L’ efficienza di selezione è buona, ma a livello 1 bisogna più che altro combattere col rate di QCD !
10/6/2003 b e tau 39
A livello 2 calorimetrico è possibile migliorare la risposta dei calorimetri utilizzando (inter-)calibrazioni e maggiore granularità
L’isolamento può essere migliorato con il tracker. Se tutto quello che serve è contare le tracce in un certo range di R intorno al jet calorimetrico, possono bastare i pixel
Se si vuole anche calcolare / utilizzare la distribuzione in pT della traccia leading del jet, serve anche il resto del tracker
Visto che la selezione di per sé non è molto interessante, canali di benchmark per 2 tau jets e per 1 tau jet sono H e H+.
Livello HLT
10/6/2003 b e tau 40
Calorimetro a livello 2
Usare il calorimetro elettromagnetico Circa il 90% dell’energia del t-jet è contenuta in un
cono di “raggio” R=0.2, il 98% in R=0.4
H
Se P è piccolo, il jet è molto collimato
Perdita di eff ~ 10% a fronte di un fattore tre di reiezione prima di usare il
tracker
Pisol = 5.6 GeV
10/6/2003 b e tau 41
CMS
Usare come guida la direzione del jet calorimetrico, e cercare tracce in un cono definito da R<Rm (Rm~0.1)
La traccia con pT maggiore è la leading track, e ridefinisce la direzione del candidato jet di tau
Altre tracce da decadimento n-prong del sono cercate all’interno del cono R<Rs (Rs~0.07)
Viene richiesto che nessuna traccia sia presente nel cono di isolamento Rs
<R<Ri (Ri~0.2÷0.5) Il tracciamento può essere fatto solo
con i pixel o con un tracking con pochi hit
10/6/2003 b e tau 42
Online CMS: isolamento calorimetrico + pixel e/o tracker Numeri rispetto al livello 1!
H+Reiezione 30 con ~40%
Taglio in pT sull LT
A/HReiezione 1000 con ~40%
richiedendo 2
10/6/2003 b e tau 43
ATLAS Diverso approccio: tagging come tool offline Misurare la curva di reiezione QCD – in modo il più
unbiased possibile: Prendere A/H, far decadere un tau leptonico su cui agisce il
trigger e poi considerare l’altro
•Rem: raggio del jet nel calorimetro e.m.
•Frazione di energia contenuta fra 0.1<R<0.2
•Tracce cariche entro R=0.3
Rem Rem QCD15<pT<30GeV70<pT<130GeV
10/6/2003 b e tau 44
ATLAS
A parità di efficienza, la reiezione dipende pesantemente dal pT
del -jet
Per =50%, Reiezione QCD
20÷200
10/6/2003 b e tau 45
Tau tagging offline
Ottimi risultati già raggiunti per la -selection
Cosa si può fare di più offline? Sfruttare la vita media (piccola) del Cercare di ricostruire i 0
10/6/2003 b e tau 46
Parametro d’impatto per i
Somma in quadratura i parametri d’impatto dei due tau (solito canale di benchmark)
Reiezione presente, ma
selezione offline non studiata fino
in fondo
10/6/2003 b e tau 47
0
In teoria si potrebbe cercare l’isolamento anche per le tracce neutre: 0!!!
Non mi risulta lo abbia fatto ancora nessuno, non è banale visto che i tracker non sono troppo trasparenti ai fotoni…
10/6/2003 b e tau 48
Staging
Visto che il parametro d’impatto è non troppo usato, gli effetti sul tau tagging sono meno preoccupanti
Quello che conta dal punto di vista del tracker è semplicemente il poter ricostruire le tracce; questo è assicurato con tutte le possibili configurazioni di staging per i tracciatori
10/6/2003 b e tau 49
Conclusioni
Tante cose sono ancora work in progress CMS ha puntato più sulla parte HLT ATLAS più sulla offline
Ma sta per uscire il TDR sull’ HLT!
Rivelatori di tracciamento diversi sulla carta, ma alla fine con performance paragonabili in molti aspetti Tracciatura B-tagging
Selezioni di b- e - disponibili sia a livello trigger e a livello offline, spesso molto avanzate La fisica di scoperta è “salva”
I tracciatori di CMS e ATLAS sono sulla carta i migliori tool di selezione di b e mai costruiti!