2009年4月1日

LHC研究会 @ 小柴ホール

SUSY探索のバックグラウンド
その不定性とdata-driven評価法
片岡 洋介 (ICEPP)

p1

p2

1．イントロ及びカット、ＢＧの説明• イントロダクション• SUSYカット• no-, one-, di-lepton modeバックグラウンド• non-collision起源のバックグラウンド

p3

イントロダクション•

バックグラウンド評価のモチベーション– SUSYはテールにexcessをつくる物理のためサイドバンドをとることができない
discoveryにはバックグラウンドの形と大きさの理解が重要– 100pb-1程度の比較的初期の段階で結果が出るので、検出器の理解やMCの調整がまだ不完全であると想定される
この不定性をコントロールするため実データを用いたバックグラウンドの評価が不可欠•

評価方法– 基本的にcontrol regionからsignal regionへの外挿法
MCの不定性を被らない、検出器の不定性のキャンセルが期待される– BG毎にshapeが異なるので、それぞれに対し評価法を提案
control data、外挿の変数、etc– これらによりnormalizationとshapeの両方をデータから引き出すことを目指す(control data等の制約上、MCに頼る場合もある)•

解析に使ったsimulation– 高統計でのテールのstudy、SUSY parameter scanを可能にするために、full simulationでチューンしたsmearing algorithmを用意 (transfer function)
jetのeta,pT依存性、leptonのefficiency、fakeを考慮、METを含めてfull sim.を再現– スライドのプロット、数字はfirst dataとして期待される10TeV、200pb-1のものですp4

基本的なカットSUSYカットは２つのsignatureによる• 3 jets > 50GeV… multi-jet cuts• leading jet >100GeV• missing ET > 100GeV… MET cuts
• missing ET > 0.2 x Meff
• transverse sphericity > 0.2（トリガーもstart up時~1031は3jet, METのredundant、その後、METあるいはcombinedの予定）
No lepton mode without 3jet cut

Effective Mass (Meff)= ∑ pT + missing ET
4 jets２つのsignetureを含む
SUSY eventのdiscriminating変数

No lepton mode without MET cut

ベンチマークポイント(~600GeV, ~10pb)

2jet

3jet

4jet

• 3jet以上はtt dominant、2jetはW/Z dominant• first dataでは広いトポロジーをカバーするため、統計を稼ぐため、3jet以上でサーチMET• QCD BGをおとすのにcriticalなカット• high METではfakeに対しheavy flavorが優勢なため比較的predictableno lepton modeのバックグラウンドp5•ベースラインカットの他、min Δφカットを導入
Δφ = jetとMETの角度
leading 3jetから0.2以上離れていることを要求
Δφ(jet1-MET)>0.2
Δφ(jet2-MET)>0.2
Δφ(jet3-MET)>0.2

Æ heavy flavorやjetのmis-measurement起源のQCD BGはjetとMETがcorrelateし、効果的におちる

min Δφ123

no lepton mode BG shape• tt, W、ZÆνν BG が同等に効く、最も統計の大きいmode ~ 1700 events at 10TeV,200pb-1• tt, Wでno leptonになる理由は、tau mode(4割)、acceptance(4割)、isolation(2割)• shapeはそれぞれ異なり、high METではW/Z、low METではQCDが効く

tt722
W478
Z295
QCD 194
SU3 445
METMeff

p6

one lepton modeのバックグラウンド• one lepton(e,μ)>20GeV• additionalにMTカットを導入
transverse mass (MT) > 100GeV
M T = 2 pT (l ) pT ( miss )[1 − cos(ϕ (l ) − ϕ (miss ))]Æ W, semi-leptonic tt を効果的におとす
di-leptonic ttのみ2つのνによりMw constraintなし
one lepton mode BG shape• 統計はno leptonより1,2桁小さい ~40 event• ほぼdi-leptonic ttのみ、評価は容易になる• 一般にno leptonと比較してS/Nがよい

MT

SUSY探索のゴールデンモードtt
38
W5
Z0.5
SU3 45MET

Meff

p7

di-lepton modeのバックグラウンド
Oposite-signSame-sign• di-lepton >20GeV, >10GeV• di-lepton >20GeV, >20GeV

tt
22
W0.2
Z0.5Diboson <0.1
SU318

• ほぼ完全にtt BG• one leptonよりさらに統計少• しかし、exclusive studyには重要

tt
WSU30.5
0.12• first dataでは統計がない• fake lepton からの寄与のみ、ＢＧフリーtt(lνqq)+ lepton from btt(lνqq),W+ fake lepton

non-collision起源のバックグラウンド•

p8

cosmic ray, beam halo、あるいはhot cells, noiseなどの検出器起源
去年秋のcosmicのデータ• 簡単なclean up(mask)によりdetector起源は除くことができる

生データ• しかし、cosmicはsingle jet likeなactivityを残すことができ、バランスしないのでそのままfake METになる

cosmicJet energy• ATLASホールを含むcosmicのfull simulationにより再現• high energy jetはcalorimeter中でのhard brems γの寄与
simulationdata
simulationのフィルタによりバイアス有

Jet energy• cosmicによる大きなfake METのレートは比較的大きく
0.05Hz (MET>100GeV)

Cosmic + QCD のpile-up事象

p9

single jet-likeなeventはSUSY探索のバックグラウンドにはならないが、QCD BGとのpile-upすることで、 MET cutとmulti-jet(3jet) cutを同時に通る可能性がある• simulationでのcosmicとQCDのpile-upイベント※ 25ns widthでのpile-upを仮定

QCD(J3-5) with cosmic
From cosmic:163.5GeV
From QCD: 60.5GeV
0.2event at 100pb-1, 14TeV

MET
MET:
174.3GeV

From QCD: 78.6GeVÆ このイベントは実際にno lepton mode のカットを通る• 14TeV, 100pb-1のとき
cosmicSM BG
0.2 event << 2000 event
Æ 無視できる寄与 (~10-4)• beam halo muonについても同様にnominalな状況(1M proton loss/s)で10-4

p10

2．バックグラウンド評価• ZÆνν バックグラウンド評価• QCD バックグラウンド評価• tt/W バックグラウンド評価• 不定性まとめp11

ZÆννバックグラウンドの評価••

ZÆ ll + multi-jetsがほぼ純粋でよいcontrol sample (di-leptonでトリガー)llÆννの置き換えでsignal regionと同じkinematic regionをプローブできる

10TeV
200pb-1di-lepton control sample• same flavor OS di-lepton >20GeV• missing ET<40GeV• |Mll-Mz|<10GeV• llをννに置換後、no lepton SUSY cuts

••

Z 34
tt 0.6su3 0.03

統計が少ないため、first dataではshapeの情報を得ることが難しい
normalization factorのみ抽出、shapeはMCに頼る
Data

MC※このときMCのlepton efficiencyなどはtuneしておく

factorZÆllZÆllZÆννZÆννestimatex

factorfactorの統計エラー ~ 20%p12
一般的に、normalizationと比べてshapeの不定性は比較的小さく、データ(half renormalization scale)を再現※ WÆlνについても生成過程に相関がZÆνν BG
強いので同じscale factorが使える

X1.58

Meff• shapeはMCを使うので不定性はそのまま伝播

PDF

other MC parameters

5～10%
15thCTEQ6ll
MRST2001nlo

CTEQ61 error sets
※ 15th vector sensitive to high x gluon< 10%Norm.

MET>300GeV ratio

renorm. scale (half)+77%-5%+-3%factori. scale (half)-27%+0%+-3%

parton pT (40Æ15)+11%3%+-9%

parton ΔR (0.7Æ0.35)-45%9%+-4%

normalizationに対してshapeは比較的stable

p13

QCD バックグラウンドの評価• ２段階に分けて考える、まずはnormalization
Δφ methodにより low MET (100-200GeV)でのQCD BGの量を求める
MET 100-200GeV

cut

signalheavy flavor、mis-measurement of jet起源のQCD BGはMETとjetが相関、
min Δφ ~ 0にピークを立てる

1. JetとMETの相関が小さいＱＣＤ以外の成分はフラット分布
サイドバンドの差引きによりピークからcontaminationを除く
N(QCD,<0.2) ～ N(all,<0.2) – N(all,0.4-0.6)
2

signal region

Δφカット efficiency = R を掛けてsignal regionでのnormalizationを得る
N(QCD,>0.2) ～ N(QCD,<0.2) x R (from MC)• 統計エラーa few %• systematics from R
MC (pythia,herwig,alpgen) ~ 50%
検出器 (MET reso. 10%)~ 10%

次に、QCD BG shapeの評価、これにより今求めたlow METからsignal regionへ外挿できる
smearing method
heavy flavorの寄与がdominantなので、multi-jetのdataが、semi-leptonic decayによるhigh pT νを含む状況を考える
1. missingのないmulti-jet control dataを収集 (トリガーはprescaleでよい)• 3jet>50GeV• leading jet>100GeV• missing ET<50GeV
2. leading jetがsemi-leptonic decayを含むと考えて、一部のpTをmissingで置き換える(この関数は、MCから)

MET∑ν/(∑ν+jet)

3. no lepton SUSY cutをかけると、BG shapeを再現する• reconstructされたjetを使っているため、JESといった検出器の不定性にも安定>800GeVreal BG 3.3+-0.6
est. BG 3.6+-0.6• 統計エラー 10% (prescale=100)• systematic error at MET>200GeVMC dependence (pythia, alpgen bb/cc)
decay from second jet~30%~30%~20%

p14

p15
subtraction method … 同じくQCD shapeの評価、response functionを仮定しないもう一つの方法• low MET regionでnormalizationを求めるのに使ったΔφピークからshapeも引き出す• Jet-MET相関の小さなtt/W/Z, SUSYはΔφカット前後でshapeが同じ、Δφピーク部分のcontaminationを分布ごと差引くことができる
MET(Meff)

Signal region

200GeV
100GeV00.2min Δφ(jet-MET)

QCD dominantnormalized to real BG(>0.2)• scale factorはΔφmethodのようにサイドバンドからQCD shape = shape(<0.2) – F x shape(>0.2)
F ～ N(all,0.4-0.6)/N(all,>0.2) = 0.10
Meff>800GeV• 統計エラー16%• systematicバイアス ~12%
ただし、求めたshapeはΔφカット前のもの(バイアス~60%)

Meff>800GeV
real BG(>0.2) = 3.3
real BG(<0.2) = 5.5
estimated= 6.4(with SU3)
= 5.0

tt / W BG estimation

p16

MT method tt/ Wはトポロジーが似ていて分離することが困難なので、同時に評価する
MT
Signal region

control sampleはMT<100GeV• SM >> SUSY
• MTとMET(Meff)の相関が小さいÆ control regionのshapeをそのまま外挿できる
normalizationは low MET(100-200GeV)で合わせる

100GeV
100 200
GeV GeV

MET (Meff)

one lepton mode MET

one lepton mode MeffMeff

p17
No lepton modeのtt/W shapeも同様にone lepton MT control sampleで評価• normalizationはQCD, Z BGの寄与を引いてから
No lepton mode MET

No lepton mode Meff

•統計エラーone lepton … norm: 17%
shape: 16%(>800GeV) 48%(>1200GeV)
no lepton … norm: 5%+15%(from QCD,Z) shape: 16%(>800GeV) 48%(>1200GeV)•systematicエラー
bias… < 20%W ratio (+-20%)… < 10%detector uncertainty … a few %(jet scale 5%,reso.10%,etc)

data-drivenのキャンセルによるメリットp18
first data(10TeV,200pb-1)の不定性について簡単なまとめ
one lepton mode (Meff>800GeV)• tt/W (MT method)
統計エラー ~ 24%systematic error ~ 20%~30%

Data統計 (BG only) 50%
データの統計エラーが効く

no lepton mode (Meff>800GeV• tt/W (MT method)
統計エラー ~ 22%systematic error ~ 20%• Z (replace method)
統計エラー ~ 20%
systematic error ~ 10%~ 30%

Data統計 (BG only) 11%
BG評価のエラーが効く• QCD … 残らない、MT methodのnormalization経由

no-leptonのdiscovery reachは若干後退して
one-leptonと同程度 mq~800GeV(金谷さんのトーク)p19

3．BG評価 (SUSYのある場合)• SUSY contamination• new MT method

p20

SUSY contamination• ZÆνν、QCD BG estimationについてはnegligible• tt/W estimationのMT methodはSUSYの影響を受ける

MTnormalization

1. normalization region (MET:100-200GeV)へのSUSYのしみだしによる、normalization factorの過大評価

Signal region

100GeV

2. control region (MT<100GeV)へのSUSYのしみだしによるshapeのexcess

shape
100 200
GeV GeV

MET (Meff)

One lepton mode with SU3
MET>300GeV

events Zn
SU322
true BG 1.2 Æ 6.7
est. BG 3.1 Æ 5.1• どちらもBGを過大評価する方向に働く
significanceは小さくなる方向• 影響が大きいところは、発見も容易。
統計が必要な1~2TeVでは影響は小さい• discovery前にBG onlyの立場をとるならば、signalの存在は仮定できないÆ discovery前のcorrectionは考えていないp21

New MT method

ベンチマークポイント

しかし、discovery後にexcessを正しく理解するためには修正が必要• shapeの変化について
SUSYのMT shapeは比較的同形、control regionに0.5~0.7

controlsignalcontrol, signal regionでBGもSUSYもMETのshapeが同形
control regionのshape – 0.6 x signal regionのshapeにより近似的に分布として差引けるMT• normalization factorの変化について
normalization regionへのしみだしは、mass、Xsecで変化

norm. signal• 依存性を入れて、しみだしの割合を出す• low massではMCのfactor (SM BGのMT cut effi.)を使う• normalization regionを下げる
ここでは簡単にnormalizationを100-150GeV

MET

p22
2点の修正を施した new MT method でほぼ正しいレベルに復帰
One lepton mode with SU3

events Zn
SU3
22
true BG 1.2 Æ 6.7
est. BG 1.3 Æ 6.6

その他のSUSYのベンチマークポイント
Msusy

Xsec (pb)control/ signal

Old MT
Est. BG / true BG ratioMET>300GeVNew MT
Est. BG / true BG ratio
MET>300GeV

SU1760GeV

3.50.66

1.80.9SU2860GeV

4.00.90

1.00.9SU3630GeV

9.70.722.5

1.1

SU4410GeV

160

1.05

11.3

1.6

SU6870GeV

1.6

0.65

1.3

0.9

SU8.1

800GeV

2.6

0.44

1.2

0.7

p23

まとめ•

MC、検出器の不定性を直接かぶらないように、実データを用いてＳＵＳＹのバックグラウンドを評価する•

我々の提案する手法は、discoveryに必要なno lepton mode, one leptonmodeの各BGをカバーする•

エラーはfirst data(10TeV,200pb-1)に対してだいたい30%程度、no lepton modeではすでに効きはじめリーチが若干後退して、one lepton mode と同程度 mq~800GeV•SUSYのcontaminationは特にlow massでバイアスを与える
discovery後にはcorrectionが可能