Mismeasured multi-jet events and W, Z and top quark production in association with jets constitute a major background to searches for supersymmetry at the LHC. We describe recent work performed in the ATLAS Collaboration to estimate these backgrounds for a basic SUSY selection, and we discuss methods to derive them from the first ATLAS data

Legger, F

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Data­driven estimations of Standard Model backgrounds to SUSY searches Federica Legger (Max­Planck­Institut für Physik, Munich) on behalf of the ATLAS collaborationFederica Legger, SUSY08, Seoul 2SUSY searches in ATLASQCD SUSY Baseline selection cuts:● at least 4 jets with PT>50GeV● at least 1 jet with PT>100GeV● n leptons (e,µ ) with PT > 20 GeV, n=0,1,...● ET,miss > min(100 GeV, 0.2 *Meff)● Transverse Sphericity > 0.2For this talk: focus on R­parity conserving, gravitino mediated                          (mSUGRA) models● LSP is stable   large missing energy→● Sparticles produced in pairs   cascade decays→● Signature: Multi jets + leptons + missing transverse energy (ET,miss) Other topics:● GMSB (SUSY breaking mediated by gauge interaction, LSP is gravitino), Split­SUSY. Signature very analysis dependent (high pt photons, long lived sparticles)● Exclusive measurementsTransv. spher. ~ 0 Transv. spher. ~ 0● Effective mass● Total event activity ● correlated to mass of sparticles● Transverse sphericity (event shape)ET,missFederica Legger, SUSY08, Seoul 3ATLAS sensitivity to SUSY MET + 4 jets + leptons Cut on effective mass optimized to get best signal significance Background uncertainties from data­driven methods (assuming 1 fb­1)● top/W/Z (20%) + QCD (50%) + 1/sqrt(Nbackground)ATLAS preliminaryATLAS preliminary1 fb­1 1 fb­1Federica Legger, SUSY08, Seoul 4SM backgrounds to SUSY searches Should be estimated from data because of poor knowledge of:● Underlying Event● Parton Showering● Cross­sections● Parton Distribution Functions● Detector Calibration (jets, ET,miss)● Limited Monte Carlo statistics1­lepton mode0­lepton modeATLAS preliminary ATLAS preliminaryFederica Legger, SUSY08, Seoul 5Data­driven background estimation Estimate SM backgrounds in a signal region where SUSY may be present; SUSY may be discovered if an excess of events with respect to SM predictions is found; Derive prediction from a control region, similar to signal region but with no SUSY  unbiased estimation of SM background, enough statistics, low SUSY contaminationQCDSemileptonic top (tau)Z ­> Top + W Semileptonic topDileptonic top 0­lepton mode1­lepton mode jet smearinghadronic tau decayfrom Z ­>ll (replacement + MC) transverse mass (invariant mass of ET,miss and lepton pt) methodcombined fitexplicit kinematic reconstruction and selection on top mass (top box method)oHT2 (=lepton pt + 2,3,4 leading jets pt) methodkinematic reconstructiontop redecayIn the following, a statistic of 1 fb­1 is assumedtt ­> bblltt ­> bbqqlFederica Legger, SUSY08, Seoul 6QCD background In both cases, ET,miss  points in one of the jet directions QCD background can be estimated from data from multi­jet events with no ET,miss Measure jet response function from events where ET,miss is (anti­)parallel to a jet Apply to smear (all) jet pt in seed events with low ET,miss Normalization to QCD jet events with ET,miss < 50 GeV 0­lepton mode Neutrinos emitted from semileptonic decays of b/c (real ET,miss) Mismeasurement of jet energies (fake ET,miss) jet jetjetjetjetET,missjetjetjetET,missATLAS preliminary Statistic uncertainties ~1% Systematic uncertainties ~60%from biased event selection, statistics in non­gaussian tail and jet response function measurement low SUSY contaminationFederica Legger, SUSY08, Seoul 7Replacement Z ­>  Control sample:  reconstructed Z­>ee or Z­> events  Replace charged leptons with neutrinos ET,miss is given by pt(ll)~pt(Z) Correct for lepton identification efficiency  from data with tag and probe method  Correct for acceptance cuts (MC) Get Z­> distributions (normalization and shape) Use extrapolation or MC to get the shape in low stat region0­lepton modeATLAS preliminary Statistic uncertainties: 13% Systematic uncertainties: 8%lepton ID efficiency measurement and ET,miss scale low SUSY contaminationν νjetjetjetjete( )μe( )μjetjetjetjetBR(Z ­> ) / BR(Z­>ll) ~ 6Federica Legger, SUSY08, Seoul 8Dileptonic tt: kinematic reconstruction Solve system of equations for jets with pt > 20 GeV•  Quartic equation: 0, 2 or 4 solutions● no solutions: SUSY event, semi­leptonic ttbar, …  ● 2 or 4 solutions: dileptonic top 1­lepton modeATLAS preliminarybefore ET,miss cut is appliedFederica Legger, SUSY08, Seoul 9Dileptonic tt: kinematic reconstruction Dileptonic top with one lepton missed because it is a tau (51%)   Misidentified (20%) Inside a jet (17%) Not in acceptance (9%) Both leptons are taus (3%) Control sample selection: 2 leptons, 3 jets, nb b­jet pairs > 0 Normalization in low ET,miss region Contribution estimated in the control sample by● Replacing a lepton with a tau  ● Removing a lepton Recalculate event variables, then apply 1­lepton SUSY selection Statistical error: 10% Systematic uncertainties ~20%Jet energy scale, normalization SUSY contamination: 50%1­lepton modeFederica Legger, SUSY08, Seoul 10Dileptonic tt: top redecay1­lepton mode Tag seed events (with low ET,miss) containing 2 tops Reconstruct 4­momentum of tops Redecay/hadronize with Pythia Simulate decay products with fast simulation (ATLFAST) Remove from seed event original decay products and merge new ones Apply standard SUSY selection cuts on merged events Normalization to data in low ET,miss region Statistic uncertainties ~30% Systematic uncertainties ~30% SUSY contamination ~60%ATLAS preliminaryFederica Legger, SUSY08, Seoul 11 Syst  Conclusions Main SM backgrounds to SUSY searches are tt, W+jets, Z+jets, QCD events Several methods are being developed in ATLAS to estimate SM backgrounds Complementary methods are necessary for such a crucial issue!!! Presence of SUSY will affect background estimates, however SUSY excess will be larger (even with 1fb­1) Data­driven estimation methods are necessary to keep background under control and key to SUSY discoveryQCDSemileptonic top (tau)Z ­> Top + W Semileptonic topDileptonic top  Stat.  1%6%8­13%4­8% 5%10% 60%10­15%10­15%15% 22%20% Assuming 1 fb­1  SUSY   <1%<1%<1%15% <1%50%0­lepton mode1­lepton modeFederica Legger, SUSY08, Seoul 12Spare slidesFederica Legger, SUSY08, Seoul 13tt + W: transverse mass0­lepton modeexMissing ETSecond variableBackground in C = D x B/AAB CDbackground+SUSYbackgroundonlybackgroundonlybackgroundonlySystematic uncertainties ~15%ATLAS preliminary Semileptonic top can contribute to 0­lepton mode searches when the lepton is not identified● Tau, out of acceptance, inside jet Control sample● SUSY selection + MT < 100 GeV + 1 lepton The isolated lepton is then removed from the event, and all kinematic variables recalculated Normalization ● 100 GeV < MET< 200 GeV QCD estimation also included SUSY contamination: ● extract from control sampleFederica Legger, SUSY08, Seoul 14Semileptonic tt (with tau)0­lepton modeex Statistic uncertainties ~6% Systematic uncertainties ~15%ATLAS preliminary Independent event reconstruction on hadronic and leptonic side● Hadronic top: W (dijet combination with mass closest to PDG value) + closest b­jet (in R)● Leptonic W: tau + MET (collinear approximation)Federica Legger, SUSY08, Seoul 15Dileptonic tt: top redecay1­lepton modeex Dileptonic top selection● J45_xE50 jet + MET trigger● 2 jets with pt > 20 GeV● 2 OS leptons pt > 20 GeV● MET < ½ (pt(lepton1) + pt(lepton2))● mass(lepton,jet) < 155 GeV● Solve system for p(ν ) Semileptonic top, W, Z contribution estimated from MET distribution from events with MT < 100 GeV● hard MT cut (MT>150 GeV)   semi­→leptonic background is sub­dominant. ● events in Jacobian peak smeared with MC function to simulate tail of MT distribution ATLAS preliminaryEndpoint from decay: t   Wb ­>l→ b(neglecting mb)ATLAS preliminaryFederica Legger, SUSY08, Seoul 16tt + W: transverse mass1­lepton modeex1l Jacobian selection and estimation???Missing ETSecond variableBackground in C = D x B/AAB CDbackground+SUSYbackgroundonlybackgroundonlybackgroundonlyATLAS preliminaryATLAS preliminary Transverse mass and MET uncorrelated Control sample● SUSY selection + MT < 100 GeV SUSY contamination: extract from control sample● assume same SUSY signal ratio in control and signal region for all SUSY samples Systematic uncertainties ~15%Federica Legger, SUSY08, Seoul 17Dileptonic tt with one misidentified lepton: HT21­lepton modeexSystematic uncertainties (MC) ~20%Systematic uncertainties (detector) ~20% Control sample● SUSY selection + HT2 < 300 GeV MET significance uncorrelated to HT2 Normalization region:● HT2 > 300 GeV and 8<MET significance<14 (low MET region) ATLAS preliminaryFederica Legger, SUSY08, Seoul 18Semileptonic tt: top box1­lepton modeex Reconstruct leptonic W assuming neutrino from W responsible for all MET Reconstruct “best” (mass closest to top mass) leptonic top with one of the leading jets Reconstruct best hadronic W with the three remaining leading jets Reconstruct best hadronic top Top box cuts (define control sample) Extrapolation to signal region using MCATLAS preliminaryATLAS preliminaryATLAS preliminarySystematic uncertainties ~22%Federica Legger, SUSY08, Seoul 19tt + W: combined fit1­lepton modeexSystematic uncertainties ~20%ATLAS preliminaryATLAS preliminaryATLAS preliminary Fit three observables: MET, MT and Mtop (invariant mass of 3 jets with largest vector PT sum) Sideband: SUSY selection + MT < 150 GeV OR MET < 200 GeV Signal: SUSY selection + MT > 150 GeV AND MET > 200 GeV  All SUSY models (except SU4) have similar behavious in SB region in MT and MET   build a model background only vs background+SUSY→ Relax all parameters except the SUSY ansatz shape Federica Legger, SUSY08, Seoul 200­lepton search mode Selection cuts: at least 4 jets with PT>50GeV at least 1 jet with PT>100GeV 0 lepton (e, µ ) with PT > 20 GeV MET > 100 GeV  MET > 0.2 effective mass Transverse Sphericity ST > 0.2 (ET – jet Δφ i ) > 0.2 (i = 1, 2, 3) Main backgrounds: tt W+jets Z+jets QCDATLAS preliminaryATLAS preliminarySMttWZQCD0­l62%17%10%10%Federica Legger, SUSY08, Seoul 211­lepton search mode Selection cuts: at least 4 jets with PT>50GeV at least 1 jet with PT>100GeV 1 lepton (e, µ ) with PT > 20 GeV MET > 100 GeV  MET > 0.2 effective mass Transverse Sphericity ST > 0.2 transverse mass(lepton, ET) > 100GeV Main backgrounds: tt W+jetsATLAS preliminaryATLAS preliminarySMttWZQCD1­l91% 7% 1%<1%Federica Legger, SUSY08, Seoul 22Object definition Electrons  Pt > 10 GeV and |eta|<2.5  Veto on events with an electron in the crack (1.37<|eta|<2.5) Calorimeter isolation in a cone (0.2) <10 GeV Angular distance to closest jet > 0.4 (after overlap removal) Muons ● Pt > 10 GeV and |eta|<2.5● Chi2 > 100● Calorimeter isolation in a cone (0.2) <10 GeV● Angular distance to closest jet > 0.4 (after overlap removal) Jets● Pt > 20 GeV and |eta|<2.5 Electron/Jet overlap removal● Jets matching an electron within 0.2 cone Transverse sphericity: use all jets with |eta|<2.5 and leptons Effective mass: use 4 leading jets with |eta|<2.5 and leptonsFederica Legger, SUSY08, Seoul 23MC background estimation Will ROUGHLY be subject to the following uncertainties:● Underlying Event & Parton Distribution Functions         20%● Cross­sections                                                               50%● No NLO calculations for tt● Parton Showering                                                          50%● After accurate normalization to data has been made● Detector Calibration (JES, MET)                                   30%● Detector simulation                                                     100%● Limited Monte Carlo statistics                                             Federica Legger, SUSY08, Seoul 24Background estimation for multi­leptons analysis OS 2­lepton & tau searches MT method HT2 method Top redecay Top kinematic reconstruction  SS 2­lepton searches Lepton isolationFederica Legger, SUSY08, Seoul 25Cross sections at LHCFederica Legger, SUSY08, Seoul 26mSUGRA benchmark points We consider the following points in the mSUGRA parameter space:  For all these points, gluino mass < 1 TeV, and it’s 6­8x neutralino mass. For all points except SU2, squark and gluino masses are comparable, therefore they are strongly produced and decay giving hard jets, leptons and MET.

Data-driven estimations of Standard Model backgrounds to SUSY searches

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