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ATLASATLAS 検出器における検出器における Fake LeptonFake Lepton のの割合と割合と

HiggsHiggs ・・ SUSYSUSY粒子探索に与える影響の研粒子探索に与える影響の研究究

麻植健太・陣内修・佐々木貴之田中純一・浅井祥仁・小林富雄

（ＩＣＥＰＰ and KEK ）

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Ｍｏｔｉｖａｔｉｏｎ• SUSY では 1 lepton+jets が有望 channel である。しかし、 LHC

で は QCD multi-jet event の断面積が非常に大きいため ( ～ μb) 、　 jet が lepton に missID されてしまう background が無視できない

可 能性がある。• Ｈｉｇｇｓ探索ではＶＢＦ Ｈ→ ττ が有望 channel である。 しかし、これも QCD multi-jet が τ や lepton に missID されてしま

う　 background が無視できない可能性がある。

　　　　　　　これらの background の見積もりが必要

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Contents

• Fake Lepton の候補• Fake Lepton の割合の評価• Lepton の Efficiency の評価• Background の評価

Full Simulation

Fast Simulation

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Fake Lepton の候補

γ

soft な hadronjetB や Dν

l

ＨＣＡＬ

μ

ν

Pion decay in flightPν が小さい場合

ＥＭTRT

π±

ＨＣＡＬ

Pion punch-throughHCAL で minimum ionization

ＥＭTRT

e+

π±

γ からの pair production片方の electron がsoft

heavy flavor のsemi-leptonic decay

Muon

Electron

π±

ＨＣＡＬ

ＥＭTRT

e-

π± と π0 による γたまたま π± と γ が近くで E/p ～ 1

ＨＣＡＬ

ＥＭTRT

γ γπ0

ATLAS EMCAL は segmentation が高いので、ほとんど効かない

起源が jet なのでfake lepton として扱う

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Fake lepton の例

B→D+μ+ν の例

EMCAL

HCAL

Muon System

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Efficiency and RejectionFake rate= 1/Rejection Factor = miss ID lepton/reconstructed JetsFake rate は reconstructed jets のなかに missID された lepton が含まれ

る割合として定義した。 Reconstructed jet として light flavor 起源と heavy flav

or 起源では miss ID lepton の発生過程が異なる。　　 light flavor 　　　　　　　　　　　　　　 punch-through など heavy flavor ( b や c ) 　　　　　　　 semi-leptonic decay など　よって、この 2 通りを考えて、それぞれの fake rate を見積もる。

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Fake rateHeavy flavor

Light flavor

fake rate 　 10-3 ～ 10-4

Jet 、 lepton の Pt が大きくなるにつれて fake rate は小さくなる傾向がある。Muon は統計が少ないためばらついている。Heavy flavor 起源のほうが fake rate が大きい。

fake

rate

・ muon・ electronfa

ke r

ate

・ muon・ electron

Pt(GeV)Pt(GeV)

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Efficiency vs Fake rate (Electron)

Electron の isolation 条件を2,5,10,20GeV で変化させたplot 。 isolation 条件を緩くするとefficiency はあまり変わらないが fake rate が大きくなる。isolation 条件を厳しくするとefficiency が小さくなる。

　 5 ～ 10GeV は適当な isolation cut

　　　

efficiency

fake

rate e-

ΔR=0.45 Et<5GeV― 2GeV ― 10GeV― 5GeV ― 20GeV

Isolation=5GeV とは

electron cluster のまわりの ΔR=0.45 内で Et deposit が 5GeV 以下

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Efficiency vs Fake rate (Muon)

　 Muon の isolation 条件を5,10,20,30GeV で変化させたplot 。

統計が足りないが、おおよそ10 ～ 20GeV が適当な isolatio

n条件となっている。

fake

rate

efficiency

― 5GeV ― 20GeV― 10GeV ― 30GeV

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Fake rate まとめ

Pt(GeV) jet→e jet→μ bjet→e bjet→μ bjet→τ

15-35 6.7±0.8 2.3±0.5 19±7.7 0+3.2 25±9.0

35-50 6.0±1.3 0.6±0.4 10±7.2 0+5.1 10±7.2

50-80 3.8±1.0 2.2±0.7 3.7±0.4 7.5±5.2 3.7±3.7

80-130 3.8±1.0 0.3±0.3 0+4.2 0+4.2 0+4.2

130-200 3.4±1.0 0.6±0.4 0+5.2 5.2±5.2 0+5.2

× 10-4

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Determination of fake rate by Experiment

Nreco leptons = NL + rj()NJ + rb

fake rate = (rj()NJ + rb()NB) / Nreco leptons

　 rj(): fake rate by light flavor jets

　 rb(): fake rate by heavy flavor jets 実際の process では fake rate は上のように決められる。N は実験的に決められる。ｒは MC から推定する。Drell-Yan, top, SUSY(SU3) sample を用いて、この方法が適用できる

か検証する。

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DY, top and SUSY sample

DY と top では推定した fake rate と一致している。＠ isolation 5GeVDY は実験的に control できるので efficiency, fake rate を決められる。これから帰納的に SUSY の efficiency, 　 fake rate を求めることができるか？さらなる研究が必

要。

isolation Et< 2GeV

5GeV

10GeV

20GeV

Expected range for the 5GeVisolation condition

rj : 4x10-4

rB: 5x10-4

assumed

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Background の評価Full Simulation により、 Fake rate は 10-3 ～ 10-4 であ

ることがわかった。　　　　 Fast Simulation に適用して、 QCD multi-jets

が fake lepton を含んだ場合の Background を見積もる。

l

missID lepton

QCD multi-jet event

SUSY 1lepton modeのBackground になる

soft な jet

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SUSY QCD multi-jetsQCD multi-jets σ ～ 190nb(4jet 以上 ,pt>50GeV)

　

L=10fb-1

　 Background は QCD multi-jet を今回求めた Fake rate で lepton に置き換えたもの。low Meff 領域（～ 1TeV ）のbackground となるがシグナルに比べて小さい。(Meff=missEt+Σpt)

signalbackground

Meff(GeV)

events

/40

0G

eV

m( ),m( ) ～1TeV

q~ g~

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VBF H→ττ →hνlνν

QCD multi-jet の miss IDbbjj→ltaujjjjjj→ ltaujjが background になる。

τ

τ

hadron

Lepton

ν

ν

ν

Mττ （ GeV ）

events

/5G

eV

L=30fb-1 での Mττ distribution 統計が不十分なので background は平均化した。110 ～ 135GeV で signal ～ 12 events background ～ 6eventsBackground としてかなり大きい。

mH=120GeV

signalBG average

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Summary• Fake Rate は 10-3 ～ 10-4 のオーダーである。• Electron の isolation 条件は 5 ～ 10GeV が適当である。

Muon については 10 ～ 20GeV が適当であるように見えるが、統計を上げる必要がある。

• 今回得られた Fake Rate の範囲では Muon, Electron の Fake は SUSY 1lepton mode の大きな background にはならないことがわかった。

• しかし、 VBF process では Fake lepton は大きな background となる可能性がある。これを小さくするために、更なる Lepton ID の研究が必要である。

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ＨＣＡＬ

ＥＭ

e-

Lepton IDΔR=0.45 Et<5GeV

Pt>15GeV,|η|<2.5 Inner

TRT hit

electron

0.7<E/p<1.4

Electron は EMCAL でシャワーを起こし、すべてのエネルギーを deposit する。

ＨＣＡＬ

ＥＭ

μ-

ΔR=0.45 Et<10GeV

Pt>15GeV,|η|<2.5 Inner

muon

Muon は minimum ionization をして、最後に Muon Chamber に hit する。

tracker

tracker

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Efficiency vs Fake rateelectoron muon

・ 15-35GeV ・ 80-130GeV・ 35-50GeV ・ 130-200GeV・ 50-80GeV

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Atlas detectorInnerSi strip,pixel , TRT ,solenoidσ （ pt ） /pt ～ 0.4pt

EMCALLAr, Accordion σ(E)/E ～ 10%/√E+200MeV/E+0.7%

HCALLAr, Tile

Muon detectorTroidal magnetσ （ pt ）～ 2.5%@100GeV

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VBF H→ττ →hνlνν

QCD multi-jetbbjj→ltaujjjjjj→ ltaujjが background になる。

τ

τ

hadron

Lepton

ν

ν

ν

Mττ （ GeV ）

events

/5G

eV

30fb-1 での Mττ distribution 110 ～ 135GeV で estimated cross section signal ～ 0.4fb background ～ 0.2fbBackground としてかなり大きい。

mH=120GeV

signalbackgroundbg average