Messung des Wirkungsquerschnitts der Top-Quark Paarproduktion mit dem ATLAS Experiment

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1 Messung des Wirkungsquerschnitts der Top-Quark Paarproduktion mit dem ATLAS Experiment Patrick Rieck Max-Planck-Institut für Physik (Werner-Heisenberg-Institut) TUM Seminar Physik am LHC 30. Januar 2016

2 Physik am LHC - Ziele Motivation des LHC durch zwei Ziele 1. Suche nach dem Higgs-Boson 2. Suche nach Phänomenen jenseits des Standardmodells der Elementarteilchenphysik? Mögliche Gründe für das Ausbleiben weiterer Entdeckungen Begrenzte Reicheweite des LHC - Λ BSM 1 TeV Signatur übersehen Kleine Rate neuer Phänomene 1

3 Bedeutung des Top-Quarks Schwerstes bekanntes Elementarteilchen, m t = 173 GeV Zerfall t Wb (BR 100%), weiterhin W qq oder W lν reichhaltige Phänomenologie, Untergrund für Prozesse jenseits des SM Grosser Phasenraum für den Zerfall, Γ t G F m 3 t Zerfall vor Hadronisierung Higgs-Fermion Kopplung: L Yukawa = m f v/ ψ f ψ f h m t 2 v/ 1! 2 2

4 Bedeutung des Top-Quarks Schwerstes bekanntes Elementarteilchen, m t = 173 GeV Zerfall t Wb (BR 100%), weiterhin W qq oder W lν reichhaltige Phänomenologie, Untergrund für Prozesse jenseits des SM Grosser Phasenraum für den Zerfall, Γ t G F m 3 t Zerfall vor Hadronisierung Higgs-Fermion Kopplung: L Yukawa = m f v/ ψ f ψ f h m t 2 v/ 1! 2 2

5 Gliederung Top-Quark Paarproduktion Simulation von hadronischen Kollisionen Experimentelle Techniken Wirkungsquerschnittsmessung 3

6 Top-Quark Paarproduktion 4

7 Top-Quark Zerfall Schwacher Iospin-partner des b-quarks f {q, l} SM: t Wtq hadronische and leptonische Endzustände, abhängig vom W boson Zerfall t W f {q, ν} Flavour Physik und Unitarität der CKM-Matrix V tb 1 Top-Quark Zerfall q {d, s, b} 5

8 Hadronische Kollisionen P 1 P 2 f(x 1, µ F ) x 1 P 1 + x 2 P 2 f(x 2, µ F ) σ hadronic = dx 1 dx 2 f i (x 1 )f j (x 2 )σ ij partonic (x 1x 2 ) i,j Faktorisierung hadronischer (soft) und partonischer Wechselwirkungen (hart) Soft: PDFs f i aus eigenständigen Messungen Hart: Partonischer Wirkungsquerschnitt σ ij Störungstheorie partonic 6

9 Top-Quark Paarproduktion Starke Wechselwirkung - dominanter Produktionsmodus LHC (pp-kollisionen): hohe Gluon-Beiträge hoher Wirkungsquerschnitt auch ohne Antiproton-Strahl f {l, q d } f {l +, q d} f { νl, qū} b W t t W + f {ν l, q u } b Verschiedene Zerfallskanäle N l ± {0, 1, 2} 7

10 Simulation von hadronischen Kollisionen 8

11 Simulation von hadronischen Kollisionen Faktorisierungsansatz Harter Streuprozess: Monte Carlo Integration des voll differentiellen, partonischen WQs 1 σ = dx 1 dx 2 dφf i (x 1 )f j (x 2 ) 2x 1 x 2 s M 2 Parton Shower: Splitting von Partonen zwischen Energieskalen Q und Q 0 α S dϑ 2 dσ 0+k σ 0 2π ϑ dzdϕp ki(z, ϕ) 2 i,j {partons i} Underlying event: Multiple Parton Interactions Teilchenzerfälle QED Bremsstrahlung Zusätzliche pp-kollisionen (soft) Detektorsimulation 9

12 Simulation von hadronischen Kollisionen Vergleiche mit Messdaten Charged particle density, p > 100 MeV, s = 7 TeV Hohe Komplexität der Ereignissimulation - notwendig zur Beschreibung der Messdatan 1/Nev dnev/dnch ATLAS Pythia 8.145, default Pythia 8.145, no MPI Pythia 8.145, no MPI, no shower State of the art: NLO - Generatoren, harter Streuprozess mit virtuellen und reellen QCD-Korrekturen Nch Notwendig um mit experimenteller Präzision mitzuhalten Figure 8: Models with and without MPI and parton showers, compared to the c particle multiplicity Multiplizität measured by thegeladener ATLAS experiment Teilchen [93], for particles wit 100 MeV, η < 2.5, and cτ > 10 mm, in events that contain at least two such pa by Sjöstrand and van Zijl in [96], and most modern implementations a similar physical picture. Below, in section Section 7.3, we therefo summarize the main points of this basic framework, pointing out the ences between the currently existing models as we go along. Some additional references to the history and development of the subject o tiple interactions also outside the Monte Carlo context can be found 10

13 Simulation von hadronischen Kollisionen Vergleiche mit Messdaten Hohe Komplexität der Ereignissimulation - notwendig zur Beschreibung der Messdatan State of the art: NLO - Generatoren, harter Streuprozess mit virtuellen und reellen QCD-Korrekturen Notwendig um mit experimenteller Präzision mitzuhalten / GeV (t) T dσ d p σ 1 Pred. / Data Pred. / Data ATLAS s = 13 TeV, 3.2 fb Fiducial phase-space Data Stat. Stat Syst. POWHEG Box POWHEG Box POWHEG Box + PYTHIA 6 + HERWIG++ + PYTHIA 8 SHERPA MG5_aMC@NLO + HERWIG++ MG5_aMC@NLO + PYTHIA p (t) [GeV] T Normalised fiducial differential t t cross-section 10

14 Experimentelle Techniken 11

15 Experimentelle Techniken t t Signaturen Drei Kanäle der t t Produktion Voll-hadronisch Semi-leptonisch Di-leptonisch Verschiedene Untergründe Multijet Produktion W+jets, Z+jets Single Top-Quark Produktion f {l, q d } f { νl, qū} b W t t W + f {l +, q d} f {ν l, q u } b Bevorzugung des Di-lepton Kanals Geringer Untergrund (insbesondere im eµ-kanal) Hohe Präzision Hohe Ereignisraten trotz geringen BR dank hoher Luminosität Signatur: e, µ, (E miss ), zwei b-jets T 12

16 Experimentelle Techniken Single Lepton Trigger Trigger gemäss einem der gesuchten Objekte proton - (anti)proton cross sections σ 10 8 tot b-jets: Untergrund hoch p T -Schwelle hoch Rate geringe E miss : gleiches Problem T e OR mu: Untergrund W+jets moderat Relativ niedrige Triggerschwellen von ca. p T = 25 GeV Relativ hohe Triggerrate für eµ t t Ereignisse σ (nb) Tevatron LHC σ b σ jet (E jet T > s/20) σ W σ Z σ jet (E jet T > 100 GeV) σ WW σ σ t ZZ σ ggh M H =125 GeV WJS2012 { σ WH σ VBF s (TeV) events / sec for L = cm -2 s 13

17 Experimentelle Techniken Elektron und Myonrekonstruktion Eingeschraenkter Akzeptanz-Bereich Hoher Transversalimpuls Richtung innerhalb des inneren Spurdetektors Primärvertex als Ursprung Isolation, kein Überlapp mit Jets Korrektur der Rekonstruktionseffizienzen in Simulationen Kalibrationen basierend auf Z ll Ereignissen Elektron-spezifisch Kalorimeterenergie, E T > 25 GeV, Kalorimeter-Isolation Myon-spezifisch Transversalimpulses p T > 25 GeV, zwei unabhängige Messungen (innerer Detektor vs. Myonspektrometer) 14

18 Experimentelle Techniken Jetrekonstruktion und b-tagging I Cluster aus Kalorimeterzellen, Anti-kT -Algorithmus (D = 0.4), pt > 25 GeV I Absolute Energiekalibration basierend of Z ``+jet und γ+jet Ereignissen I Bezug der Energiekalibration auf Hadron-Level jets mit Hilfe von Simulationen I Besonderheit von jets mit B-Hadronen: b-tagging I Hohe Lebensdauer von B-Hadronen Sekundärvertices bzw. hohe Impact Parameter von Spuren I Limitierung auf Akzeptanz des inneren Spurdetektors 15

19 Wirkungsquerschnittsmessung 16

20 Wirkungsquerschnittsmessung Ansatz pp-kollisionsdaten 2015, L = 3.2fb 1, s = 13 TeV Ereignisselektion: genau ein Elektron und ein Myon, entgegengesetzte Ladung, geometrischer Abstand Zählen der Anzahl der b-jets N bkg 1,2 N 1 = Lσ t t2ε eµ ε b (1 C b ε b ) + N bkg 1 N 2 = Lσ t tc b ε 2 b + Nbkg 2 aus Simulationen bzw. Daten-basiert (Lepton Fakes anhand von Same-Sign Ereignissen abgeschätzt) C b = ε bb /ε 2 = (Simulation) b ε eµ = 0.83% (Simulation) Messung von N 1 und N 2 ε b und σ t t 17

21 Wirkungsquerschnittsmessung b-jet Multiplizitäten Events ATLAS s = 13 TeV, 3.2 fb Data 2015 tt Powheg+PY Wt Z+jets Diboson Mis-ID lepton Powheg+PY amc@nlo+hw++ Powheg+HW++ Powheg+PY radhi Powheg+PY radlo MC/Data Stat. Uncert N b-tag Hier: Normierung verschiedener t t Simulationen auf den theoretischen Wirkungsquerschnitt (NNLO+NNLL) Gute Beschreibung von N 1 und N 2 Schwierigkeit der Modellierung von N 0 (WW, Z+jets) und N 3+ (t t + Heavy Flavour) - keine Relevanz für die Messung 18

22 Wirkungsquerschnittsmessung Systematische Unsicherheiten Für jede systematische Unsicherheit: Wiederholung der Bestimmung von σ t t mit entsprechender Veränderung aller eingehenden Parameter Quadratische Summation aller resultierenden Variationen von σ t t Wichtigste Beiträge: Integrierte Luminosität t t Modellierung, insbesondere Parton Shower und Hadronisierung 19

23 Wirkungsquerschnittsmessung Ergebnisse Totaler Wirkungsquerschnitt: σ t t = 818 ± 8(stat) ± 27(syst) ± 19(lumi) ± 12(beam) pb Vergleich mit der Theorie (NNLO+NNLL): σ t t = pb Fiducial cross-section: Bezug auf Akzeptanz ε eµ = A eµ G eµ (eµ, p l T = 25 GeV, ηl < 2.5), keine Extrapolation auf den vollen Phasenraum geringere Modellierungsunsicherheiten σ fid t t = A eµ σ t t = (ε eµ σ t t)/g eµ = ± 0.10(stat) ± 0.29(syst) ± 0.26(lumi) ± 0.17(beam) pb 20

24 Wirkungsquerschnittsmessung Übersicht cross section [pb] Inclusive tt Tevatron combined 1.96 TeV (L 8.8 fb ) CMS eµ* 5.02 TeV (L = 26 pb ) ATLAS eµ 7 TeV (L = 4.6 fb ) CMS eµ 7 TeV (L = 5 fb ) ATLAS eµ 8 TeV (L = 20.3 fb ) CMS eµ 8 TeV (L = 19.7 fb ) LHC combined eµ 8 TeV (L = fb ) ATLAS eµ 13 TeV (L = 3.2 fb ) CMS eµ* 13 TeV (L = 2.2 fb ) ATLAS ee/µµ* 13 TeV (L = 85 pb ) ATLAS l+jets* 13 TeV (L = 85 pb ) CMS l+jets* 13 TeV (L = 2.3 fb ) CMS all-jets* 13 TeV (L = 2.53 fb ) * Preliminary ATLAS+CMS Preliminary Aug 2016 LHCtop WG NNLO+NNLL (pp) NNLO+NNLL (pp) Czakon, Fiedler, Mitov, PRL 110 (2013) NNPDF3.0, m = GeV, α s (M ) = ± top Z s [TeV] s [TeV] 13 21

25 Zusammenfassung Top-Quark Paarproduktion als Test des SM / bedeutender Untergrund für zahlreiche Suchen nach neuen Phänomenen Wirkungsquerschnittsmessung = Zusammenspiel von Theorie und Experiment Hohe Pr zision der Messung von σ t t, begrenzt durch Modellierung (Theorie), Luminosität und Strahlenergiegenauigkeit (LHC) 22