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ATLAS 検出器における Fake Lepton の割合と Higgs ・ SUSY 粒子探索に与える影響の研究

ATLAS 検出器における Fake Lepton の割合と Higgs ・ SUSY 粒子探索に与える影響の研究. 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 ）. 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。

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ATLAS 検出器における Fake Lepton の割合と Higgs ・ SUSY 粒子探索に与える影響の研究

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  1. ATLAS検出器におけるFake Leptonの割合とHiggs・SUSY粒子探索に与える影響の研究 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）

  2. 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

  3. 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

  4. Fake Lepton の候補 Electron π±とπ0によるγ たまたまπ±とγが近くでE/p～1 γからのpair production 片方のelectronがsoft e- π± γ π0 γ γ e+ heavy flavor の semi-leptonic decay TRT TRT ＨＣＡＬ ＥＭ ＨＣＡＬ ＥＭ ATLAS EMCALはsegmentationが高い ので、ほとんど効かない Muon softなhadronjet Pion decay in flight Pνが小さい場合 BやD Pion punch-through HCALでminimum ionization ν μ π± π± l 起源がjetなので fake leptonとして扱う ν TRT ＥＭ ＨＣＡＬ TRT ＥＭ ＨＣＡＬ

  5. Fake leptonの例 B→D+μ+ν の例 EMCAL HCAL Muon System

  6. Efficiency and Rejection Fake rate= 1/Rejection Factor = miss ID lepton/reconstructed Jets Fake 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 flavor起源 ではmiss ID leptonの発生過程が異なる。 light flavorpunch-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。

  7. Fake rate Light flavor Heavy flavor fake rate fake rate ・ muon ・ electron ・ muon ・ electron Pt(GeV) Pt(GeV) fake rate10-3～ 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。

  8. Efficiency vs Fake rate (Electron) Isolation=5GeV とは e- 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 fake rate ― 2GeV ― 10GeV ― 5GeV ― 20GeV ΔR=0.45 Et<5GeV electron clusterのまわりのΔR=0.45 内でEt depositが5GeV以下 efficiency

  9. 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isolation 条件となっている。 fake rate ― 5GeV ― 20GeV ― 10GeV ― 30GeV efficiency

  10. Fake rate まとめ × 10-4

  11. Determination of fake rate by Experiment Nreco leptons = eNL + rj(e)NJ+ rb(e)NB fake rate = (rj(e)NJ+ rb(e)NB) / Nreco leptons rj(e): fake rate by light flavor jets rb(e): 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。

  12. DY, top and SUSY sample DYとtopでは推定したfake rateと一致している。＠isolation 5GeV DY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。 Expected range for the 5GeV isolation condition rj : 4x10-4 rB: 5x10-4 assumed 20GeV 10GeV 5GeV isolation Et< 2GeV

  13. 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。 QCD multi-jet event SUSY 1lepton modeの Backgroundになる l missID lepton softなjet

  14. SUSY QCD multi-jets QCD 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) signal background events/400GeV m( ),m( )～1TeV Meff(GeV)

  15. hadron τ ν Lepton τ ν ν VBF H→ττ →hνlνν mH=120GeV events/5GeV signal BG average QCD multi-jetのmiss ID bbjj→ltaujj jjjj→ ltaujj がbackgroundになる。 Mττ（GeV） 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～6events Backgroundとしてかなり大きい。

  16. 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。

  17. Lepton ID electron TRT hit ΔR=0.45 Et<5GeV tracker e- Inner ＥＭ ＨＣＡＬ Pt>15GeV,|η|<2.5 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。 muon ΔR=0.45 Et<10GeV tracker μ- Inner ＥＭ ＨＣＡＬ Pt>15GeV,|η|<2.5 Muonはminimum ionizationをして、最後にMuon Chamber にhitする。

  18. Efficiency vs Fake rate electoron muon ・15-35GeV ・ 80-130GeV ・35-50GeV ・130-200GeV ・50-80GeV

  19. Atlas detector Inner Si strip,pixel , TRT ,solenoid σ（pt）/pt～0.4pt EMCAL LAr, Accordion σ(E)/E～10%/√E+200MeV/E+0.7% HCAL LAr, Tile Muon detector Troidal magnet σ（pt）～2.5%@100GeV

  20. hadron τ ν Lepton τ ν ν VBF H→ττ →hνlνν mH=120GeV events/5GeV signal background bg average QCD multi-jet bbjj→ltaujj jjjj→ ltaujj がbackgroundになる。 Mττ（GeV） 30fb-1でのMττ distribution 110～135GeVでestimated cross section signal～0.4fb background～0.2fb Backgroundとしてかなり大きい。

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