# Presentation: 194295

## Pourquoi étudier le quark top ?

**Pourquoi étudier le quark top ?**

**top (1995)**

- bottom (1977)

- C’est *a priori* un constituant élémentaire  il nous intéresse !
- Sa** masse tr****è****s ****é****lev****é****e **le singularise :
-  ● découvert récemment  propriétés mal mesurées. Le top étudié est-il le top du Modèle Standard ?
-  ● nature (élémentaire ?) et rôle de ce quark dans le mécanisme de génération des masses ? Nouvelle fenêtre sur la compréhension de la hiérarchie des masses.
-  ● top >> QCD  le top se désintègre avant de s’hadroniser. Accès simplifié à ses propriétés (masse, spin) sans approximations de QCD non perturbative et sans modification par interaction dans l’état lié hadronique.
-  ● permet de tester la physique à une échelle d’énergie plus élevée que les mesures de précision habituelles.

- charm (1974)

- up

- down

- strange(1964)

- (masses  rayons)

## Caractériser le quark top

- p

- p

- -

- t

- t

- -

- W-

- b

- -

- l

- 

- b

- W+

**charge**
**spin**
**masse**

**taux de production** tt
**production de r****é****sonance ?**

**nature du couplage tWb** : mesure de l’hélicité du W
**amplitude |V****tb****|** : single top
**canaux de d****é****sint****é****gration** : Br(t  Wb) / Br(t  Wq) canaux rares  t  Zc, c     susy t  H+ b

## Mesure des propriétés du quark top à DØ-France

-  Etude du couplage tWb par la mesure de l’hélicité du boson W dans la désintégration des paires de top :
-     ● thèse de Vincent Siccardi (+ IRB + Denis Gelé)
-         soutenance 2007
-        ≈ 1 fb-1   data p17
-         canal l + jets avec b-tagging
-     ● thèse de Marion Arthaud (+ Marc Besançon + Fred. Deliot + Slava Shary) : section efficace puis     masse ou hélicité  ??
-        soutenance 2008
-        canal dilepton
-   Mesure de la masse : nécessiterait du manpower.

- ??

## Nature du couplage tWb  

**Nature du couplage tWb  **

- Interaction faible : **structure de type V-A**. Introduite **artificiellement** pour décrire ce qui est observé expérimentalement.
-  doit être testé à toutes les échelles.
- (pour l’instant n’a jamais été remis en cause, même le top a l’air très standard.)
- De manière générale : **O****eweak**** = Combi. Lin****é****aire.(S, P, V, A, T)**

- top

- bottom

- W (réel)

## Hélicité du W 

- t

- W+-

- bL

- W+0

- bL

- bR

- W++

- p

- sz

- t

- t

- Interaction V-A  le boson W couple des particules de chiralité gauche.
- Limite relativiste : **chiralit****é ******** h****élicité ****(observable !)**** pour ****m/p ******** 0**
- Désintégration t  W b : mb << Eb et **b****L******** b****-**

- Dans le cadre du M.S. : W++ (hélicité droite) supprimé par facteur mb2/mt2 dans la désintégration t  W+ b et on a les fractions d’hélicité du W suivantes (à 3 % près) :

**F****-**** ≈**

**2 M****W****2**

**m****t****2 ****+ 2 M****W****2**

-  **≈ ****0.30**

**F****+**** ≈ 0**

## Hélicité du W (suite)  

- En pratique :
- ● **soit on mesure** **F****+** et **on teste une contribution de type V+A**, **qui diminue F****-**** au profit de F****+**** et laisse F****0**** inchang****é** : en comparant les données à un M.C. =  (V-A) +  (V+A), en négligeant les interférences entre les deux contributions.
- Permet de tester de nombreuses théories B.S.M. : mécanismes de brisure dynamique EWS (topcolor), 4ième génération avec interaction V+A mélangée au top (top *seesaw*), nature composite du top...
- Il existe déjà une **contrainte exp****é****rimentale indirecte limitant la contribution V+A au vertex tWb a quelques %** : **processus b ******** s ******** ****à**** CLEO en 1993**. Résultat faisant intervenir beaucoup de corrections QCD et des hypothèses théoriques (échelle de la physique B.S.M.).
- ● **soit on mesure** **F****0** **sans pr****é****supposer la physique B.S.M**. et on fixe F+ à 0.

## Hélicité du W (suite)  

- Distribution angulaire (top non polarisé) :
*w** *(cos ) =      (1 + cos )2 F+ +       (1 – cos )2 F- +        sin2  F0

- 3

- 8

- 3

- 8

- 3

- 4

- t

- b

- W+

- 

- l+

****

- R*top

- R*W

****** ****on va mesurer les fractions d’h****é****licit****é**** F****+**** et/ou F****0**** et/ou F****-**** en mesurant la distribution angulaire *****w *****(cos ********).**

## Distribution angulaire 

- Mesurer cette distribution angulaire : **** nécessite de se placer dans **les r****éfé****rentiels propres du top et du W**, ce qui pose le problème du *boost* inconnu suivant z, de la résolution sur ET et du (des) neutrino(s) manquants. Plusieurs méthodes :
**1) **_**approximation**__** (m**__**b**__** ≈ 0)**_** : **

**cos ********  ≈**

**2 M****lb****2**

**-** **1**

**m****t****2**** – M****W****2**

**2) **_**diff**__**é**__**rentes fractions d’h**__**é**__**licit**__**é**__** du W modifient le **__**spectre en p**__**T**__** du lepton charg**__**é**_** :**

- /

## Distribution angulaire (suite)

- - utilisé pour mesurer mtop.
-  permet d’améliorer la sensibilité statistique car on **utilise les deux W de l’****évé****nement****.**
-  utilise **toute l’information** de l’événement et **toutes les combinaisons** du lepton et des jets en W, pondérées.
-  **discrimine** efficacement le signal tt du bruit de fond.
-  à vérifier pour la précision du calcul : radiations de gluons, ordre du calcul (L.O. ?), inclusion des 15 % de gg  tt ?

**3) **_**ajustement contraint**__** de l’**__**évé**__**nement (HitFit)**_** :**

**4) **_**calcul de l’**__**élé**__**ment de matrice**__** en fonction des observables cin**__**é**__**matiques de l’**__**é**__**v**__**é**__**nement**_** ****:**

## Mesure de l’hélicité : projet

- - canal **l + jets**
-  hélicité mesurée via distribution en **M****lb****2** dans les données, comparée à des **templates simulés**.
-  discrimination signal tt / bruit de fond : likelihood = f(aplanarité, 2 de HitFit, HT’s, centralité, sphéricité, ...)
-  **combinaison des jets et du lepton en deux W** : choix d’une combinaison ou pondération des 12 combinaisons ?
-  **étiquetage des jets beaux** par JLIP ou NN. Etiquetage des jets dans la simulation ?
-  mesurer **F****0**** et/ou F****+** ? Simulation V+A ou lots séparés de W longitudinaux et de W transverses. **Likelihood binné** à partir des templates.
-  dans le cas d’une limite sur la fraction : la dériver correctement...

## Mesure de l’hélicité : systématiques

- Actuellement : mesure largement dominée par l’**erreur stat**.
- Source dominante d’erreur systématique : **m****top**.
- Puis selon les méthodes de mesure :
- - **JES** : tenir compte de l’**anti-corrélation** avec mtop,
- - courbe de calibration (acceptance),
-  forme et/ou normalisation du bruit de fond,
-  étiquetage des jets beaux : contribue très peu.

## Hélicité du W : mesures existantes 

| 
CDF Run I | l + jets
e-
106 pb-1 |   pT lepton
  b-tag | F0 = 0.91  0.37 (stat)  0.13 (syst)
F+ < 0.28   95 % C.L.  (F0  0.70 !)
PRL  84, 216-221 (2000) |
| --- | --- | --- | --- |
| 
CDF Run I | l + jets
e-
109 pb-1 |   Mlb2
  b-tag | F+ < 0.24   95 % C.L.  (F0  0.70 !)
F+ < 0.80  95 % C.L.
F+ = -0.21 +0.42 (stat)  0.21 (syst) |
| DØ Run I | l + jets
125 pb-1 |  Matrix El.
 | F0 = 0.56 0.31 (stat)  0.07 (syst)
Phys.Lett.  B 617, 1-10 (2005) |
| 
CDF Run II | l + jets
dilepton
162 pb-1 |   pT lepton
  b-tag |    F0 < 0.88  95 % C.L.
   F0 = 0.27+0.35 (stat + syst)
(consistant à 2 avec M.S.) |
| CDF Run II | l + jets
162 pb-1 |    Mlb2
   b-tag | F0 > 0.25  95 % C.L.
F0 = 0.89  0.32 (stat)  0.17 (syst)
PRD 71, 031101 (2005) |
| 
DØ Run II | l + jets
230 pb-1 | cos  (HitFit)
topo + b-tag | F+ < 0.25  95 % C.L. (F0  0.70 !)
F+ = 0.00  0.13(stat)  0.07 (syst)
PRD 72, 011104 (2005) |

- -0.21

- -0.24

## Hélicité du W : analyses en cours 

- Analyses en cours dans DØ :
-  B. Gmyrek + K. Johns + J. Levêque + E. Varnes :
-  canal **l + jets**
-  analyse **topologique + b-tagging par JLIP** utilisé comme variable de sélection dans le likelihood discriminant signal / bdf. JLIP appliqué à la simulation...
-  **cos******** **donné par HitFit.
-  mesure **F****+** en fixant F0 = 0.7.
-  basée sur données **p14** : **370 pb****-1**.
-  B. Penning :
- - canal **l + jets**
-  **spectre p****T**** du lepton**
-  mesure **F****0**
-  basée sur données **p14** (thèse en cours d’écriture).

## Hélicité du W : le futur 

- Précision actuelle avec **230 pb****-1** :  **F****+**** < 0.25**
-                                     **162 pb****-1** :  ******F****0****/F****0**** ≈ 40 % - 100 %**
- Actuellement : **erreur stat ≈ 2 x erreur syst**
- Précision attendue avec **2 fb****-1** : **F****+**** < 0.05**
**                                ********F****0****/F****0**** ≈ 5 – 6 %**
- Avec **30 fb****-1** (3 ans de LHC) :    ******F****0****/F****0 ****< 2 %**

## Pourquoi mesurer la masse du top ?

- mtop GeV/c2

- mtop GeV/c2

- MHiggs GeV/c2

- MW GeV/c2

**m****top**** = 172.7 ******** 1.7 (stat) ******** 2.4 (syst) GeV/c****2**

- 68 % C.L.

- 68 % C.L.

| DØ Run I | CDF Run I | DØ Run II
  l + jets | CDF Run II
 dilepton | CDF Run II
     l + jets |
| --- | --- | --- | --- | --- |
|    20 % |     2 % |    33 % |       8 % |      36 % |

## Mesure de la masse / DØ Run II

-  _Canal l + jets_
-  sélection btagging + idéogrammes
-       160 pb-1    mtop = 177.5  5.8 (stat)  7.1 (syst) GeV/c2
-  sélection topologique + templates
-       230 pb-1    mtop = 169.9  5.8 (stat) +7.8 (syst) GeV/c2
-  sélection btagging + templates
-       230 pb-1    mtop = 170.6  4.2 (stat)  6.0 (syst) GeV/c2
-  **m****é****thode de l’****élé****ment de matrice**   **fit combin****é**** m****top**** + JES**
-       320 pb-1   mtop = 169.5  4.4 (stat + JES) + 1.7 (syst) GeV/c2

- -7.1

- -1.6

## Mesure de la masse / DØ Run II (suite)

-  _Canal dilepton_  (CDF : 24 personnes !!)
- - méthode Dalitz et Goldstein
-        230 pb-1   mtop = 155 +14 (stat)  7 (syst) GeV/c2
-  neutrino weighting
-        370 pb-1   mtop = 175  16 (stat) +15  (syst) GeV/c2
-  _Source d’erreurs syst__é__matiques_ :
**JES domine largement**. Une partie de cette erreur est **corr****élé****e** entre les canaux et entre CDF et DØ  défavorable quand on fait la moyenne de toutes les mesures.

- -13

- -13

## Perspectives pour mtop au Tevatron 

- cf. présentation durant le Top Mass Workshop (D. Glenzinski, CDF 10/11/2005), considère 3 scénarios :
-  **Lazy** = seule amélioration vient de l’augmentation de la stat.
** ****Proactive** = augmentation de la stat. + **progr****è****s sur JES** (calibration des jets légers à partir du W hadronique des mêmes événements l + jets) et **mod****é****lisation du signal** (ISR, FSR, PDF, NLO). Erreurs en partie corrélées entre les canaux et les expériences (même LHC !).
-  **Proactive++** = comme Proactive et on ajoute DØ-dilepton + DØ-all jets + CDF-all jets.
** ****Il serait important de rajouter les canaux dileptons et   all-jets pour comparer les canaux et possiblement am****é****liorer   la precision de 25 %.**
** ****L’erreur totale projet****é****e pour 2 fb****-1**** est au plus de 2 GeV/c****2**** **(i.e. on pourrait faire mieux !).

## Perspectives pour mtop au Tevatron 

|  |     Lazy | Proactive | Proactive++ |  |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 

   1 fb-1 |    1.15
   0.76
   0.84
   0.42
   1.9
  1.2
   2.2 |  |  |    JES
   signal
bruit de fd
  autres
    syst
   stat
  total |
|   2 fb-1 |   1.9 |   1.6 |    1.6 |   total |
|   5 fb-1 |   1.6 |   1.4 |    1.3 |   total |
| 

   8 fb-1 |    0.98
   0.63
   0.79
   0.46
   1.5
  0.5
   1.6 |    0.85
   0.40
   0.53
   0.48
   1.2
   0.5 
   1.3 | 

    1.2
   0.4
   1.3 |    JES
   signal
bruit de fd
  autres
    syst
   stat
  total |

**On ne gagne plus !**