Étiquetage de saveur

Les jets initiés par la présence d’un quark b (b-jet) jouent un rôle important dans le cadre de certaines analyses. Leur identification est par exemple essen-tielle à l’étude de processus impliquant des quarks top ou à la recherche du boson de Higgs dans le canal H → bb. Dans le cadre de l’analyse décrite dans le Chapitre 5, l’identification des b-jets permet de mieux contrôler la contribution des processus de création de paires de quarks tops (accompagnées ou non de par-ticules additionnelles), bruit de fond important de cette analyse. L’identification de b-jets permet également de mieux séparer les éventuels processus supersym-métriques produisant des quarks tops dans l’état final des bruits de fond issus du Modèle Standard n’en produisant pas, tels que la production de bosons de jauge. Les quarks b se désintègrent majoritairement par interaction faible en quark c de la manière suivante : b → cW . Le couplage V_bc de la matrice CKM est parti-culièrement réduit, si bien que les hadrons contenant un quark b parcourent une distance relativement importante dans le détecteur (∼ 4mm pour un b-jet d’im-pulsion transverse de 50 GeV). La désintégration d’un quark b va alors produire un jet dont les traces associées sont issues d’un vertex déplacé, permettant une identification efficace de ce dernier. L’algorithme d’étiquetage des b-jets utilisé par la collaboration ATLAS pour l’analyse des données 2015, est présenté dans les documents [108,109]. Il combine à partir d’un arbre de décision boosté, des variables discriminantes construites à partir des trois algorithmes suivants :

— IP3D

Cet algorithme utilise les distances entre la projection des traces associées au jet dans le plan transverse au faisceau et le vertex primaire, appelées pa-ramètres d’impacts. Les papa-ramètres d’impacts longitudinaux (z₀) et trans-verses (d₀)g des traces passant certaines coupures de qualité, sont utilisés pour construire un rapport de vraisemblance permettant l’identification des jets de saveur lourde (b/c-jets).

— SV1

Cet algorithme reconstruit le vertex secondaire associé à la désintégration du méson B à partir des traces associées au jet. Afin d’éviter la contamina-tion de traces provenant de la désintégracontamina-tion d’un kaon, d’un hypéron ou d’un photon converti, toutes les traces sont successivement appariées et re-jetées lorsqu’elles forment un vertex secondaire compatible avec ces objets. Le reste des traces est alors utilisé pour reconstruire le vertex secondaire le plus probable de manière itérative, en otant la trace la moins compatible à chaque étape, jusqu’à obtenir un ajustement satisfaisant (critère de χ2). Le vertex ainsi reconstruit permet alors de définir des variables telles que la masse invariante ou l’énergie des traces associées, utiles à l’identification des b-jets.

— JetFitter

La désintégration du méson B implique la présence d’un méson D dont le vertex de désintégration est généralement déplacé par rapport au vertex secondaire. Cette topologie particulière est prise en compte par cet algo-rithme permettant de reconstruire la direction de la désintégration du mé-son B à partir d’un filtre de Kalman et de combiner l’ensemble des traces compatibles avec cette direction reconstruite. De manière similaire à l’algo-rithme SV1, les propriétés associées à ces vertex permettent de définir des variables utiles à l’identification des b-jets.

Les jets issus de la désintégration de quarks c ont une signature expérimentale intermédiaire entre celle des jets légers et celle des b-jets. C’est pourquoi l’algo-rithme d’identification des b-jets est entrainé également contre les c-jets. Dans le cadre de l’analyse décrite dans le Chapitre 5, une mixture composée à 20% de c-jets et à 80% de jets de saveur légère est utilisée pour l’entraînement de l’algo-rithme d’identification.

Les performances de l’algorithme d’identification des b-jets sont illustrées par la Figure 3.9, montrant le rejet des jets légers (gauche) et des c-jets (droite)

=70% _b

ε

Light-flavour jet rejection for

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 MV1c Run-1 MV2c20 Run-2 ATLAS Simulation Preliminary

t =8,13 TeV , t s [GeV] T Jet p 50 100 150 200 250 300 350 400 Run-2 / Run-1 1 2 3 4 5 6 =70% _b ε

c-jet rejection for

2 4 6 8 10 12 14 16 18 MV1c Run-1 MV2c20 Run-2 ATLAS Simulation Preliminary

t =8,13 TeV , t s [GeV] T Jet p 50 100 150 200 250 300 350 400 Run-2 / Run-1 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8² 2.2

Figure 3.9. – Rejet des jets légers (gauche) et des c-jets (droite) en fonction de l’im-pulsion transverse du jet. Ces performances sont estimées à partir de pro-cessus tt simulés pour le point de fonctionnement associé à une efficacité de 70% des algorithmes d’identification des b-jets utilisés en 2012 (MV1c, bleu) et un de ceux utilisés en 2015 (MV2c20, rouge). Les performances des algorithmes MV1c et MV2c20 sont respectivement estimées à partir des conditions expérimentales des collisions 2012 et 2015 [109].

en fonction de l’énergie transverse du jet, obtenu pour une efficacité de signal de 70%. Les algorithmes utilisés pour l’analyse des donnés 2012 sont compa-rés avec ceux utilisés en 2015. Le rejet des jets légers et celui des c-jets sont ainsi améliorés d’un facteur 4 et 2 pour pour p^jet_T < 120 GeV respectivement. Cette amélioration considérable est en grande partie expliquée par l’ajout d’une couche supplémentaire de détecteur à pixel (IBL [83]) au plus proche du point de collision permettant une amélioration de la reconstruction de vertex malgré l’augmentation du bruit d’empilement attendue. Une amélioration du rejet des jets légers et de c-jets d’un facteur 2 et 1.4 respectivement est également visible à p^jet_T > 200 GeV. Cette augmentation du rejet à efficacité égale est principa-lement le reflet des améliorations apportées aux algorithmes d’étiquetage des b-jets, étant donné que le méson B a de fortes chances de se désintégrer en aval de l’IBL du fait de son énergie transverse importante.

3.4.3. Étalonnage

3.4.3.1. Estimation de l’énergie

L’estimation de l’énergie associée au jet est effectuée en deux étapes princi-pales [106]. La première consiste en l’étalonnage de l’énergie des amas utilisés

par l’algorithme anti-k_t pour la reconstruction des jets, tandis que lors de la se-conde étape, l’ensemble du jet est étalonné.

Lors de l’hadronisation d’un parton, différents types de particules peuvent être produits. De manière générale, un jet est constitué d’une partie électromagné-tique (∼ 30%) issue de la désintégration des mésons π0 en paires de photons, d’une partie issue de l’interaction des hadrons stables, chargés ou non, et d’une partie issue de l’énergie emportée par les neutrinos plus réduite. Pour chacune de ces catégories, la réponse des calorimètres peut varier de manière importante. Par exemple, la réponse en énergie associé à un pion chargé sera en moyenne inférieure d’un tiers à celle d’un électron d’impulsion égale. Afin de permettre une estimation de l’énergie des amas adaptée, la nature des amas est identifiée à partir de leur densité d’énergie locale, leur compacité et leur position longitudi-nale. Cela permet d’utiliser des procédures d’étalonnage en énergie spécifiques, améliorant de manière significative l’estimation de l’énergie des jets reconstuits. Une fois le jet reconstruit, son énergie est estimée en appliquant le jeu de cor-rections suivantes, décrites plus en détail dans le document [110] :