RS モデルと KK グルオンの研究

ミニ研究会 「 LHC での余剰次元研究」９月７日

東京大学 素粒子物理国際研究センター磯部忠昭

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コンテンツ

• RS モデルと KK グルーオン• 高運動量トップクォークの同定–サブジェットを用いたハドロニック崩壊トッ

プの同定– Non-isolated ミューオンを用いたセミレプト

ニック崩壊トップクォークの同定• KK グルーオンの発見可能性• まとめ

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RS 余剰次元モデルと KK グルーオン

• RS warped extra dimension (L. Randall, R. Sundrum)– Physical Review Letters 83 (1999): 3370–3373

• LHC における Kaluza-Klein state のグルーオンの発見が予言されている– JHEP0709:074,2007– KK state の SM ゲージボゾン– クォークに対するカップリングがグラビトンより大きく、生成

断面積が M=1TeV/c2 で ~30pb@√s=14TeV と比較的大きい• 4pb@√s=10TeV, 1.6pb@ √s=7TeV

– ただ幅が ~17% と大きい– カップリングは質量に強く依存し、ほとんどがトップクォーク

対に崩壊する ttbar)= とされている• Br(KKgluon→92.3%

• トップクォーク対というイベントトポロジーに注目し、 ttbar resonance を探索する研究が進んでいる– KK グルーオンに限らず Z’ 探索にも適用

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KK グルーオンの Generator• 生成断面積、 KK グルーオンの生成イベントトポ

ロジーは MADGRAPH を用いて計算– TopBSM (R. Frederix and F. Maltoni,0712.2355)– 但し left /right handed quark のカップリングの値を調整

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L Ru/d -0.2 -0.2b 1 -0.2t 1 4

Generate された KKgluon の質量分布

M=1TeV

Breit-Wigner と pdfによる low-mass のtail

KK グルーオン探索のバックグランド

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B. Lillie et. alJHEP0709:074,2007

KK gluon invariant mass distribution of bulk RS model

QCD

• QCD-multijet が主なバックグランド– 加えて SM-ttbar と W+jet

• QCD から来る多大なバックグランドの中からピークを見つけなければならない

→ トップクォークの同定が必須– ★ 高い運動量 (>500GeV/c) を持ったトップクォーク

トップクォーク対解析におけるターゲット崩壊チャンネル

• 1 レプトン + ジェット–いわゆるゴールデンチャンネル– SM-ttbar 解析でも特に重視されている

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Missing Et と W からのレプトンの要求により、強く QCD バックグランドを削除できる

3 ジェットによるトップクォークの同定

High-pT top ID における問題• High-pT top 再構成の為に

は、通常の invariant mass解析では限界– 例えば pT>500GeV/c のトッ

プでは、トップからくる粒子のほとんどが一つのジェットに含まれてしまう

– 通常 R=0.6 とか 0.4• あたかも single jet のよう

に見えてしまい、 top イベントの再構成が困難に

• この様なブーストされたジェットの再構成の研究は結構ホットな話題

この研究に特化した研究会も：http://www-conf.slac.stanford.edu/Boost2009/ 7

222 )()( R

High-pT top ID の手法~Hadronic decay top~

1. Jet の不変質量– M(jet)~M(top)

2. Jet の sub-structure を見る– 一種のクラスタリングアルゴリズムにおいて、

ジェット同士を merge する際の距離スケールを指標にする

– Hadornic decay top には 3jet(bqq’) の sub-structure– top→3jet を分けられれば、 W 質量も同定に使える

3. b-tagging– high-pT ではパフォーマンスが悪い– W からの寄与でさらに悪い• Sub-jet に対して apply することである程度の改善は期待で

きる8

t→bW →bqq’

Jet の sub-structure を見る• QCD jets がフラグメント化する際の (pT)

スケールが、 heavy particle の崩壊におけるスケールに比べ指数関数的に小さい事を利用する– DGLAP QCD evolution に即した jet のフラグ

メント化• ジェット中の sub-jet の数を数える

– 大きいジェット (R=0.6 とか ) 中に含まれる小さいジェットの数を数える

– 小さいジェットはサンプルをもとに決定した、パラメータをもとに exclusive に再構成したジェット

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大きい R で再構成

Exclusive に再構成2222 /),min( RRppdij ijTjTi

d に対し exclusive に制限をつける

kt ジェット構成アルゴリズムにおけるいわゆるジェット同士の距離スケール

MC サンプルを用いたパラメータ調整

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• KK gluon->ttbar サンプルを用いてパラメータを調整する• pythia による string fragmentation

• ここではアルゴリズムそのものを評価するため、 Truth レベルで調整を行っている (hadronic 崩壊のみを使う )

• pT にあまりよらず一定の数の sub-jet がカウントできている

Sub-jet の数 vs Jet-pt 分布プロットは X 軸にプロファイルをとったもの

dcut=5GeVdcut=10GeVdcut=20GeVdcut=40GeVdcut=60GeV

Sub-jet 数のパラメータ依存性

Jet source による違い

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• High-pT top をもとに出したパラメータを使った上での、 high-pT hadronic W, high-pT b-quark, light-quark jet におけるふるまい

• 予測されるとおりのふるまいを見せる• 80% の W->qq が 2jet と判定される

pT>1TeV/c における projection面積で normalize

only hadronic decay

• #Sub-jet>=3 を要求したカット• Efficiency 63% に対して light quark rejection

30

Sub-jet を使った top-ID のパフォーマンス

Truth レベル

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Top

W

Light quark

~0.03

~0.17

~0.63

レプトニック等すべての崩壊モードを含む

Sub-jet を使った top-ID のパフォーマンスATLAS Full シミュレーション

Include all of decay mode(i.e. hadronic and leptonic)

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Z’->ttbarZ’->uubar

Efficiency of top/jet (ATLAS)CMS の場合

Cut: Nsubjet>=3

Cut: Nsubjet>=3, Mjet~Mtop, use W mass

constrain

High-pT top ID の手法~Leptonic decay top~

1. Non-isolated muon を指標にする– t->bW (W->)• b-jet 中のレプトンを探す

– 電子は 0 からのフェイクの寄与が大きいと予測されるので難しい

2. b-tagging– high-pT ではパフォーマンスが悪い

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t→bW →bl

Non-isolated muon を使ったhigh-pT top-ID

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Search muon from W or b

• b-jet ととの関係を用いたもので多くのパラメーターが propose できる– pt of in jet– pt fraction of in jet– Relative pt of wrt jet– – x≡1-m(b)2/m(b+)2

• fraction of visible top mass carried by muon (arXiv:0806.0023)

– -isolation in dynamical cone (Mini-isolation)

Mini-isolation

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KKgluon(M=1TeV)red,blue: QCD jet

pT()/pTcone(dR<(15GeV/pT()))

• Leading lepton に対し、 isolation cone を jet の情報を元に dynamic に変化させる

W

t

R ~ mb / Ptb

R ~ mt / Ptt

R ~ mb / Ptb

R ~ ?

B

B

BW

t

semileptonic Top-ID パフォーマンスtagging based on non-isolated muon

w/ mini-isopT()/pTcone(dR<(15GeV/pT()))<0.85

non-isomuon-pT>20GeVM(Jet+mu) > 60GeV/cc

• mini-isolation カットを使った場合の Rejection power は 3000~5000!.

• 単純な non-isolated muon を使った方法に比べ良い結果

KK グルーオン解析 :ハドロニック崩壊トップ + セミレプトニック崩壊

トップ• 10TeV, 200pb-1 を過程– SM-ttbar 約 80000 イベント• 8fb-1ppbar 1.96TeV で約 64000 SM-ttbar イベント

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カットサマリーと残るイベント数(√s=10TeV 200pb-1)

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KKg(1TeV) KKg(2TeV) QCD Top Wj

w/o cut 795.5 28.4 6.85e+8 7.47e+4 1.19e+6

2Jet-pT>20GeV 723.7 26.6 4.9e+8 6.43e+4 5.42e+4

MissEt>20GeV 683.2 25.5 5.92e+7 4.19e+4 4.62e+4

Nsubjet>=3 211.5 14.2 2.22e+5 1.66e+3 38.7

Muon-pT>30GeV 36.0 3.86 1.62e+3 79.9 8.93

MiniIso>0.85 26.1 2.69 37.3 36.0 8.93

x>0.4 24.8 2.46 7.61 31.8 8.93

M(jet+)>20GeV 23.6 2.42 6.81 29.9 0

QCD バックグランドに変わり、 SM-ttbar が major なバックグランドに

True MttTrue Mtt after cutM(jet+jet+l+l)M(jet+jet+l+l+n) same rapidityM(jet+jet+l+l+n) W constrain

ニュートリノの再構成

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• トップクォーク対の不変質量を再構成するには、ニュートリノの pz をどうにかして、計算する必要がある– px,py は missing-et から得る

• 再構成の方法– W の質量をもとにする

• 0~2 個の解が存在する– ()=(l) と仮定する

• もしくは collinear approximation– ()=(l) の方がいい結果

不変質量分布 : 10TeV 200pb-1

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• M=1TeV• Reconstruction on the

assumption of ()=()• For optimized mass window

– M=1TeV, S: 15.1 N: 12.5 S/sqrt(N): 4.3

– Exclude は可能 (95% C.L.) だが、 5 発見には 275pb-1 必要

まとめと展望• Bulk RS KK gluon は LHC での 1st data における物理ターゲット

のひとつになっている– 大部分がトップクォーク対に崩壊すると言われている

• KK gluon を探索するため、 boosted top の同定法を開発– サブジェットを用いた hadronic decay top の同定– Non-isolated muon を用いた semi-leptonic decay top の同定

• 10TeV, 200pb-1 で 4.3 significance(M=1TeV/c2)

• SM-ttbar が主なバックグランドとなり、さらなる探索のためには、トップクォーク対ピーク幅の精度をあげる必要がある

• 実データに基づく subjet 解析の為のパラメータチューンが必要– low-pt での 3jet から extrapolate

• 実データからのバックグランドの見積もり– このままだと MC 頼り

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