RS モデルと KK グルオンの研究

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

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

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

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 L R u/d -0.2 -0.2 b 1 -0.2 t 1 4 M=1TeV Breit-Wignerとpdf によるlow-massのtail GenerateされたKKgluonの質量分布

KKグルーオン探索のバックグランド • 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 QCD B. Lillie et. al JHEP0709:074,2007 KK gluon invariant mass distribution of bulk RS model

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 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/

High-pT top ID の手法~Hadronic decay top~ • Jetの不変質量 • M(jet)~M(top) • 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 • 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 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 • DGLAPQCD 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 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 Exclusiveに再構成大きいRで再構成 dに対しexclusiveに制限をつける

MCサンプルを用いたパラメータ調整 • 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 dcut=5GeV dcut=10GeV dcut=20GeV dcut=40GeV dcut=60GeV 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 Sub-jet数のパラメータ依存性

Jet sourceによる違い pT>1TeV/cにおけるprojection 面積でnormalize only hadronic decay • 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

Sub-jetを使ったtop-IDのパフォーマンスTruthレベルSub-jetを使ったtop-IDのパフォーマンスTruthレベル • #Sub-jet>=3を要求したカット • Efficiency 63%に対してlight quark rejection 30 Top ~0.63 ~0.17 W ~0.03 Light quark 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 Efficiency of top/jet (ATLAS) CMSの場合 Cut: Nsubjet>=3 Z’->ttbar Z’->uubar Include all of decay mode (i.e. hadronic and leptonic) Cut: Nsubjet>=3, Mjet~Mtop, use W mass constrain

High-pT top ID の手法~Leptonic decaytop~ t→bW →bln • Non-isolated muonを指標にする • t->bW (W->mn) • b-jet中のレプトンを探す • 電子はp0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 • b-tagging • high-pTではパフォーマンスが悪い

Non-isolated muonを使ったhigh-pT top-ID • b-jetとm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 m in jet • pt fraction of m in jet • Relative pt of m wrt jet • xm≡1-m(b)2/m(b+m)2 • fraction of visible top mass carried by muon (arXiv:0806.0023) • m-isolation in dynamical cone (Mini-isolation) m Search muon from W or b

Mini-isolation • Leading leptonに対し、isolation coneをjetの情報を元にdynamicに変化させる DR ~ ? DR ~ mt / Ptt DR ~ mb / Ptb KKgluon(M=1TeV) red,blue: QCD jet DR ~ mb / Ptb m n n m B B B W W pT(m)/pTcone(dR<(15GeV/pT(m))) t t

semileptonic Top-ID パフォーマンスtagging based on non-isolated muon w/ mini-iso pT(m)/pTcone(dR<(15GeV/pT(m)))<0.85 non-isomuon-pT>20GeV M(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

カットサマリーと残るイベント数(√s=10TeV 200pb-1) 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

ニュートリノの再構成 • 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 • h(n)=h (l)と仮定する • もしくはcollinear approximation • h(n)=h (l)の方がいい結果 True Mtt True Mtt after cut M(jet+jet+l+l) M(jet+jet+l+l+n) same rapidity M(jet+jet+l+l+n) W constrain

不変質量分布: 10TeV 200pb-1 • M=1TeV • Reconstruction on the assumption of h(m)=h(n) • 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、5s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4.3s 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

RS モデルと KK グルオンの研究