Inclusive b-jet production cross section measurement at LHCb

Abstract

The LHCb detector features an outstanding capability to identify displaced secondary vertices with respect to the interaction point. The extraordinary performance of the whole LHCb tracking system makes possible accurate measurements for particles’ trajectories and momenta. Many lifetime and kinematic based properties of the decay of the long-lived B hadrons are at the basis of the identification of b-jets, thus the LHCb detector could prove to be suitable to perform QCD studies based on heavy-quark jets.

The aim of the analysis is to calculate the inclusive bb quark pair production cross section inside the range η ∈ (2.5, 4.0). For this purpose, a cone jet algorithm has been developed to reconstruct and identify jets from the B decay. It relies on how well the measured B hadron approximates the properties of the b quark in order to infer the cross section of b quarks production.

Monte Carlo productions of fully simulated events in which a b quark pair has been produced have been used to study the correlation between the emerging quarks and the resulting B hadron pairs. Due to the large mass of the b quark, for which it turns to be less affected by non-perturbative QCD effects than lighter quarks, most of the properties of the b are retained by the corresponding B hadron. Thus may be safe to infere the b production cross section from inclusive B final states.

The method used here is also expected to be less affected by non-perturbative effects than other measurements based on exclusive channel decays.

The jet reconstruction tool developed to identify the jets originating from the b quark hadronisation is a cone-type seeded algorithm: the basic idea is to take an inclusive secondary vertex originating from the long-lived B hadron as seed for jet reconstruction. The position of the seed with respect to the primary verted establishes the direction of a cone of given aperture. The jet is then built collecting charged and neutral particles that are found to be inside the cone.

The radius of the cone is expressed in terms of the dimensionless parameter Rin the (φ, η) plane (azimuthal angle and pseudorapidity). Seed track candidates are properly preselected with requirements on transverse momentum, χ2 of the resulting track fit and impact paramenter significance IPS (= IP/σIP) with respect to the PV. Goodness of vertex is ensured with cuts on the resulting vertex fit χ2 and on the distance of closest approach between the two tracks (DOCA). The reconstructed seed are found to describe well the B hadron direction: the φ and θ resolution evaluated for signal seeds turns out to be (15.8 ± 0.2) mrad and (1.82 ± 0.18) mrad respectively.

Jets are then built and their properties studied, such as their b-tagging efficiency and spatial overlapping.

Monte Carlo simulations have also been used to study the LHCb trigger. A handful of trigger lines have been selected meeting the following requirements: good efficiency in selecting signal events, the inclusive feature of the analysis must be preserved, difficult evaluation of systematic effects has to be avoided.

A jet energy correction has been studied and applied in order to account for energy loss due to undetected particles or wrong energy measurement and tracking. This allows to compare Monte Carlo and real data and define a fiducial cut on the transverse momentum of the jets.

Events are finally selected requiring them:  to have only one reconstructed primary vertex (to avoid ambiguous assignation of tracks to the proper primary vertex);  to have at least one reconstructed secondary vertex;  to be accepted by at least one line of each trigger stage.

The measurement has been performed using 17.7 pb−1 of data, about ½ of the total luminosity collected in 2010 at 7Tev. Background from c-jets and light quarks and gluons has been studied using LHCb Monte Carlo simulations. The bbˉ production cross has been found to be σbbˉ = 80.6 ± 1.2 (stat) ± 11.4 (syst) μb, compatible within 1 sigma with NLO predictions.

El colisionador de hadrones superconductor LHC es el accelerador de partículas de energía más alta del mundo, actualmente produce colisiones de protones a un energía en el centro de masa de sqrt{s}=8 TeV. El detector LHCb es dedicado al estudio de física de los sabores pesados en LHC. Su objetivo principal es buscar evidencias indirectas de nueva física en la violación CP y en los decaimientos raros de los hadrones que contienen quarks b y c. La excelente capacidad de LHCb para identificar vértices desplazados de decaimientos de hadrones B se basa en un localizador de trazas de silicio (VELO) puesto alrededor del punto de interacción. Las prestaciones del VELO garantizan una resolución espacial altamente superiór a los demás experimentos situados en en LHC.

Una identificación eficiente de b-jets (chorros de partículas inicializados a partir de la fragmentación de un quark b) con respecto a jets de otros sabores ha de aprovechar necesariamente las propiedades de producción y desintegración de los hadrones B. Dado que el objetivo del análisis es medir la sección eficaz de producción de quarks b en LHCb usando estados finales inclusivos con sabor b, también es indispensable la investigación de las correlaciones entre la producción del quark b y el correspondiente hadrón B, así como las correlaciones entre la pareja bb y la pareja resultante de hadrones B. Predicciones Monte Carlo (MC) permiten estimar como las propiedades del quark se modifican al pasar al nivel de hadrón por procesos como la fragmentación. Gracias a su particular función de fragmentación, el mesón B lleva gran parte de la energia del quark originado en la colisión primaria. Por lo tanto, el método aquí utilizado se espera que sea menos afectado por efectos no perturbativos que otras medidas basadas en canales de decaimiento exclusivos.

El fondo del análisis consiste en una componente física, principalmente de jets de hadrones que derivan de la hadronización de quarks c y ligeros, y un fondo combinatorio, definido como los sucesos en que una pareja bb ha sido efectivamente producida y el algoritmo reconstruye jets no físicamente asociados a los quarks de señal. La parte combinatoria requiere una definición de jet para poderse estudiar.

La herramienta de tagging desarrollada para identificar los jets provenientes de la hadronización del quark b es un algoritmo de jet de tipo cono: la idea básica es tomar un vértice inclusivo secundario procedentes de un hadrón B como seed (semilla) para la reconstrucción del jet. La posición del seed respecto al vértice primario (PV) establece la dirección de un cono de apertura dada. El jet se construye recogiendo las partículas cargadas y neutras que se encuentran en el interior del cono. Una ventaja de este método es el alta estadística que permite explorar correlaciones angulares entre las parejas bb y una región cinemática más grande en comparación con reconstrucciones exclusivas. Las trazas cargadas candidatas se seleccionan con requisitos sobre el impulso transverso, calidad de la reconstrucción de las trazas y significancia del parametro de impacto respecto al PV. La línea de vuelo de los hadrones B se reproduce con buena precisión por la posición del seed respecto al PV. Los jets se construyen sumando al quadrimomento del seed otras partículas cargadas y neutras que se encuentran dentro de un cono con el eje que coincide con la trayectoria del seed. Los requisitos para que los sucesos de señal MC sean acceptados preven la respuesta positiva de las lineas de trigger y de stripping seleccionadas para el análisis. Otros requisitos son la reconstrucción de exactamente un PV, y almenos un seed. Se han definido cortes fiduciales en la pseudorapidez eta y en el Pt de los jets, para garantizar la completa reconstrucción de los jets, así evitando inconstistencias infrarrojas en la aplicación de un algoritmo de tipo cono al fondo de quark y gluones. Una corrección de la energía es necesaria para tener en cuenta la pérdida de energía debido a partículas no detectadas o por medidas no correctas de la energía o del tracking. La idea aplicada ha sido calibrar la energía de los jets utilizando jets a nivel de generador Monte Carlo. El objetivo del análisis es calcular la sección eficaz de producción de parejas bb dentro del volumen fiducial (FV). Los datos analizados son los recogidos en el 2010 con colisiones a $\sqrt s = 7$ TeV. La eficiencia de selección tanto para la señal como para el fondo se ha determinado con las simulaciones MC. Las eficiencias de selección del fondo se han utilizado para estimar el número de sucesos de fondo esperados en una luminosidad igual a la de los datos analizados. Se ha utilizado este método debido a la falta de suficiente estadística MC que permitiera el ajuste de distribuciones de los datos y la extracción de las correspondientes fracciones de especies seleccionadas. La sección eficaz en el interval fiducial ha sido medida en 80.6 microbarns.