p1
2008/3/29 ATLAS物理研究会@東大SUSY探索のバックグラウンド(評価と不定性)
片岡洋介 (東大)on behalf of Tokyo group

p2

内容• SUSY探索のバックグラウンド– イベントセレクション、SUSY signature– 各modeのcross section、分布•

実験データによる評価と不定性– 各mode、各バックグラウンドの評価法

p3
本題に入る前に今回使ったシミュレーションについて• バックグラウンドの研究には統計が必要なため、full simulation(Geant4)でなく、smearing algorithmを使う• ジェットの応答、レプトンのefficiency, fake rateなどはfull simulationからパラメータを抽出• missing ETに関してもfull simulationと同等のパフォーマンスを示す
QCD(di-jet) sample

ttbar sample

leading jet
140GeV-280GeV

μのinefficiency
ジェットの応答fake missing ET(rec. MET- truth MET)

fake missing ETp4

イベントセレクション
ベースラインSUSYカット• 4 jets > 50GeV• leading jet >100GeV• missing ET > 100GeV• missing ET > 0.2 x Meff
• Transverse Sphericity > 0.2
no lepton mode
• dφ(jet1-missing ET) > 0.2• dφ(jet2-missing ET) > 0.2• dφ(jet3-missing ET) > 0.2
one lepton mode
• Transverse Mass > 100GeV

Effective Mass (Meff)= ∑ pT + missing ET4 jets

p5

SUSY signature 1～multi jets
ジェット数によりBGの成分が大きく変わる

9pb

referenceとして、
Msusy～700GeV (SU3)W BG
W,ZSUSY

tt BG

ttSUSY

1pb3jet4jet

Number of jet >50GeV(no lepton mode)

3jet

4jet

Number of jet >50GeV(normalized to 4jets)• 3jetではWがdominant• 4jetでは0～2lepton mode通してtt dominantÆ S/Nが良いだけでなく、BG shapeが同じなので評価が容易 (後述)p6

SUSY signature 2～missing ET• Missing ET>100GeV• Missing ET>0.2xMeffの2つのカットでQCD BGをほぼ完全におとす

1nb

1pb

Missing ET(after 4jet cut, no lepton mode)

Missing ET / Effective Mass

つづき、

fake QCD BGの寄与

fake missing ET起源のQCD BGはcross section、shapeの評価が最も困難

1. Missing ET>100GeVカットが効く領域～ Effective Mass < 500GeV

1nb

2.Missing ET>0.2xMeffが効く領域～ Effective Mass > 500GeV

1nbb/c起源

1pb

1pb
fake起源1fb

1fb
Missing ET

Missing ET / Meff

シミュレーションによる評価であるが、fake起源のQCD BGが小さいと予想されることはありがたい

p7

p8

Δφカット(no lepton mode)
QCD BGが効くno lepton modeではジェットとmissing ETとの相関をみてさらにsuppressする
heavy flavor起源(fake起源でも)のQCD BGはjetの方向と一致する

W, tt, Z, SUSYのmissing ETはJetとの相関が少ない

number of events @1fb-1

Min(Δφ1,Δφ2,Δφ3)

Before
cut

After
cut

efficiency

QCD

4778

1041

22%

tt

4722

4237

90%

W

1309

1138

87%

Z

691

623

90%

SUSY

4466

4219

94%

QCD BGのみを効率よく落とすp9

no lepton modeの分布• no lepton > 20GeV

特徴• 高統計、BG評価の系統誤差が重要• tt,W,Z,QCD全て効くのでBG評価は難しい#event@1fb-1

ratio

QCD

1041

15%

tt

4237

60%

W

1138

16%

Z

623

9%

SUSY

4219

p10

Transverse Massカット(one lepton mode)
W起源のmissing ETによるBGをおとす

number of events @1fb-1
Before
cut

After
cut

efficiency

Tt (lnln)

312

164

53%

Tt (lnqq)

1593

52

3%

W

324

124%

Z201

QCD

9+-43+-3SUSY

769

44157%

dileptonic tt BG
W BG, semileptonic tt BGはほぼおち、
dileptonic tt BG, SUSYがのこるp11

one lepton modeの分布• one lepton>20GeV, no lepton 10GeV～20GeV

特徴• 統計は減る、統計誤差～系統誤差• ほぼQCD BGフリー、tt dominantでBG評価が容易#event @ 1fb-1

ratio

Tt

216

93%

W

125%

Z1QCD

3+-3

SUSY

442

p12

OS di lepton modeの分布• leading lepton>20GeV, second lepton>10GeV

特徴• さらに統計少• ほぼ全てtt BG#event@1fb-1

ratio

Tt

108

99%

W0.6

Z

1.0SUSY163

p13

SS di lepton modeの分布• 2lepton>20GeV (fake leptonが効くので)特徴• BGはfake lepton起源tt(lνqq)+ lepton from btt(lνqq),W+ fake lepton• 1fb-1ではほぼBGフリー#event@1fb-1tt

2.8

W

0.3

Z

0.1

SUSY

20

p14

実験データによるバックグラウンドの評価
Motivation
1.
2.
3.

MCの不定性は高いと考えられるのでデータを使う(特にlarge missing ET、multi jet領域)
早期(100pb-1～1fb-1) には、detectorの理解(jet energy scale)が完全でないと考える
鋭いピークをつくらないので、BG shapeの見積もりが必要不可欠

我々が提案している評価法は早期のdiscoveryに重要なNo lepton, one lepton, OS di leptonをカバーする
mode

BG

Control data

shapenormalization

No lepton

ZZÆ llMCll置換W / tt

one lepton MT<100GeV

MT外挿

Ｌow MET

QCD

Multi jets
No lepton Δφ<0.2

Jet置換
Δφ外挿

Δφ外挿

One lepton

W / ttone lepton MT<100GeV

MT外挿

Low METOS di lepton

tt

one lepton MT<100GeV

MT外挿

Low METZÆllを用いたZ(Æ νν)の評価
Control sample• same flavor dilepton (>20GeV)• leading > 100GeV• 4jets > 50GeV• missing ET< 40GeV• |mll-mZ|<10GeV• Transverse Sphericity>0.2
Æ llをννに置換後、missing cuts#event@1fb-1

Meff>800GeV

Meff>1200GeV

Z58

142

tt

1.6

SUSY

0.3

ほぼpureなサンプルShapeを出すのは統計的にきつい

p15

p16
• shapeはMCを使い、control dataのイベント数に合うようにMCをスケールするMC (standard)
data (half renormalization scale)

58 event
105 eventÆ 1.82 でMCをスケールする>300GeV2%+-3%>800GeV0%+-3%

MCの不定性は主にnormalization、shapeの変化は小さい

p17

不定性
• statistic error
13% @ 1fb-1,• MC shape～ 10%• detector performance(+-5%)

42%@ 100pb-1

leptonのefficiencyの情報が必要 (1%@1fb-1)

ZÆll法の応用、W BGの評価生成機構が同じなので、同じscale factorで再現する>300GeV5%+-3%>800GeV2%+-4%

p18

one lepton W / tt BGの評価 (MT法)
Control sample• one lepton mode MTカットでおとしたイベント(MT<100GeV)

tt 78%
W 22%
分離することが難しいので同時に評価

MT<100GeV control dataの利点• SUSYの寄与が小さい• SM BGの統計が大きい• MTとの相関が小さいÆ shape をMT>100GeVに外挿できるp19• low missing ET領域(100GeV-200GeV)でnormalize#event@1fb-1

Meff>800GeV

real

232

36.1

estimated

227

29.0

ratio

0.98

0.81+-0.03

不定性• Statistics
scale factor: 8% @ 1fb-1 24% @ 100fb-1
shape:
6% (Meff>0.8TeV), 16% (>1.2TeV)• Jet energy scale< 5%• MC parameters< 5%p20
補足ですが、、
MT>100GeV領域への外挿は自明ではない
2. それぞれの成分で傾きが異なる

1. BGの成分が変化する
Signalregioncontrol
regionTt (bblνｌν)

70%

7%

Tt (bblνqq)

22%

71%

W8%

22%

• Wのcontamination小さい (14%の変化)• lνlν,lνqqの傾きの差が小さい (Wと逆のbiasをかける)
ことによりMT法がうまくいく
W / tt ratioからの不定性は1桁suppress
W+0%

W+20%

W+50%

real BG

36.1

36.7

37.8

estimated BG

28.5

29.9

32.0

+2%

+5%

ratio

p21

no lepton modeのtt/W BGへの適用• no lepton modeとone lepton control dataは成分が同じ
0l signal

1l control

Tt (bblνlν)7%7%

Tt (bblνqq）

71%

71%

W

22%

22%

• leptonのID によるバイアス

Æ W/ttの差と比べて小さいWÆlνのleptonがＩＤされない原因
tau mode39%

out ofacceptance37%

Isolation,efficiency

24%

Æ W/ttの傾きの差が効かないp22• low missing ET領域(100GeV-200GeV)でnormalizeN(tt/W) = N(all) – N(QCD) – N(Z)#event@1fb-1

Meff>800GeV

real BG

5369

622

estimated BG

5327

681

ratio

0.99

1.10

不定性
• Statistics
scale factor:

3% @ 1fb-1 9% @ 100fb-1
他QCDの不定性(50%)から 9%
shape:
6% (Meff>0.8TeV), 16% (>1.2TeV)• Jet energy scale< 5%• MC parameters
< 5%

p23

OS di lepton modeへのMT法の適用• BGの成分はone leptonと同じ(ほぼ全てdileptonic tt)#event@1fb-1

Meff>800GeV

real BG

110

17estimated BG

107

14

ratio

0.97

0.82+-0.03

不定性• Statistics
scale factor: 11% @ 1fb-1 34% @ 100fb-1
shape:
6% (Meff>0.8TeV), 16% (>1.2TeV)• Systematics
one leptonと同じ

p24

QCD BG normalizationの評価
Δφカット(MET<200GeV)

1. Δφ分布、QCD BGの集中するピーク
から絶対量を見積もる
N(QCD,<0.2) ～ N(all,<0.2) – N(all,0.4-0.6)
0-0.2

0.4-0.6

差QCD

3497

1013396

W,Z,tt553

611-58All SM4051

712

3339

susy5665-90.95でよく一致

2. Δφカットefficiencyをかけて、Δφ>0.2のQCD BGを求める (3339x0.21=701)
Rの不定性
Jet resolution -10%

0.18-15%

Jet resolution +10%

0.23+9%No add muon to jet pT

0.29+39%

Alpgen+Herwig

0.32+-0.03+52%

MC (Pythia)

0-0.2

0.2以上

R (ratio)

3497

728

0.21+-0.02

p25

QCD BG shapeの評価1
Multi jetのcontrol dataからMCによるheavy flavorのmissing fractionを施してQCD BGをつくる•4jet>50GeV•leading>100GeV•missing ET<50GeVreal BG shapeΔφカットによるバイアス(missingが大きいとsmearされにくい)

estimated
QCD BG
estimated BG shapeΔφ<0.2Δφ>0.2

real shape

0.087+-0.006

0.035+-0.007

Estimated shape

0.084+-0.004

0.038+-0.006

ratio

0.97+-0.08

1.09+-0.26

p26

QCD BG shapeの評価2• jetとmissing ETの相関が小さいtt,W,Z,SUSYはΔφ=0.2前後でshapeを変えない
Δφ<0.2の領域からQCD以外の寄与を差し引くことができる
N(non-QCD,0.2未満)
N （all,0.4-0.6)= 0.144
N (0.2以上)をかけて差し引く

MET>300GeV

Meff>800GeV

real BG

239

326

estimated BG

245

328

ratio1.03

1.01

stat. error@1fb-1+-0.05+-0.04• missing ETの分布を直接みる
Æ MCによらず、fakeにもsensitive•ΔφカットバイアスはMCに拠る

SUSY contamination

p27

ここまで、SUSYのcontaminationを無視してきましたが、• normalization領域(MET=100-200GeV)への混入• control dataのshapeを変えるの2点でBGの評価にバイアスをかける#event@1fb-1

Meff>800GeV

real BG

233

36

estimated BG

364

76

ratio(0.98Æ) 1.57(0.81Æ) 2.11

• バイアスが大きいときはsignalも大きいので、discoveryには問題ないと考えられる

p28

New method
いくつかのSUSY point (referenceとして)

1. normalizationのバイアスを抑える• normalization領域をなるべく低く
contamination 1/2～1/3• scale factorがMCとfactorで異なるとき
Æ MCの値を使えば十分でしょう。。

Msusy

Xsec(pb)

Sig/BG
100-200

Sig/BG
100-150control/ signal

SU1760GeV

10.90.14

0.050.49

SU2860GeV

7.2

0.06

0.02

0.49

SU3630GeV

27.7

0.47

0.19

0.75

SU4410GeV

402

9.57

6.63

1.17

SU6870GeV

6.1

0.09

0.04

0.61

SU8.1

800GeV

8.7

0.08

0.03

0.45

2. control dataのshapeの変化を抑える• SUSYもMTと相関がない
signal regionの分布を引くことでcontrol dataから除く

MET• scale factorは未知であるが、Msusy 600GeV以上で0.5～0.7と比較的安定

MTp29• normalization領域 100GeV-150GeV• scale factor=0.6でsignal regionの分布をcontrol regionから差し引くによりリトライneventMeff>800GeV

real BG

233

36

estimated BG

267

39

ratio

(1.57Æ) 1.15(2.11Æ) 1.09ratio (scale=0.5)

+0.03

+0.11

ratio (scale=0.7)-0.03-0.11

その他のpoint

Meff>800GeV

MT method

New method

No SUSY

0.81

0.76

SU11.37

0.84

SU20.93

0.78

SU3

2.11

1.09

SU4

10.80

6.19

SU6

1.15

0.80

SU8

1.04

0.71

MCのnormalization
factorを使えば 1.44

summary••••

実験データによりＳＵＳＹのバックグラウンドを評価する
我々が提案している手法で、no lepton, one lepton, OS di leptonをカバーする
Normalizationはデータで直接決めるため、cross sectionの不定性は効かない
Shapeについては、一部の方法を除いてデータから見積もるため、
detector performanceの不定性に対しても安定backupCorrection for lepton efficiency
efficiencies are given by pT × eta bins (extracted from T1 sample
with SUSY WG standard Lepton ID)

electron/ 0.734

X(global efficiency for
pT>20GeV,|eta|<2.5)

eta

pT (GeV)in the case of inefficiency

jetsmuon

X/ 0.931(global efficiency for
pT>20GeV,|eta|<2.5)

pT (GeV)etamissing

Correction for lepton fake rate
matched jet (pT)
• fake rate expressed as a function of pT of matched jet (the origin)jet spectrum (pT)
• fake electrons from tau jet and non-tau jet are separately treated• PDFs for energy scale shift are prepared to reproduce pT of fake electron
fake electron from non-tau jet

scale shift PDF

dropped bye threshold(10GeV)～10-3~ 40% of original
jets
fake electron from tau jet

scale shift PDF

fake muon～10-2~ 70% of originaljets… currently neglected(less than 1/10 of fakeelectron ～10-4)
33