A/H ττ µ + hadrony + X detektorze CMS

Transkrypt

1 Poszukiwanie bozonów Higgsa w kanale A/H ττ µ + hadrony + X detektorze CMS Artur Kalinowski Instytut Fizyki Doświadczalnej, Uniwersytet Warszawski 31 Marca 006

2 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 1 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Plan 1. Motywacja fizyczna. Procesy tła 3. Detektor CMS 4. Selekcja przypadków: tryger i offline 5. Optymalizacja wartości ciȩć 6. Przewidywany obszar odkrycia

3 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Sektor Higgsa w MSSM. Masy Sektor Higgsa w Minimalnym Supersymetrycznym rozszerzeniu Modelu Standardowego (MSSM) zawiera piȩć bozonów: jeden neutralny o CP=-1: A dwa neutralne o CP=+1: lżejszy h i ciȩższy H: m H,h = 1 (m A + m Z ± (m A + m Z) 4m Zm Acos (β)) i dwa naładowane: H ± : m H ± = m A + m W tan(β) = v u v d

4 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Sektor Higgsa w MSSM. Masy Sektor Higgsa w Minimalnym Supersymetrycznym rozszerzeniu Modelu Standardowego (MSSM) zawiera piȩć bozonów: jeden neutralny o CP=-1: A dwa neutralne o CP=+1: lżejszy h i ciȩższy H: m H,h = 1 (m A + m Z ± (m A + m Z) 4m Zm Acos (β)) m A m Z : m h = m Zcos (β) m H = m A + m Zsin (β) i dwa naładowane: H ± : m H ± = m A + m W tan(β) = v u v d

5 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Sektor Higgsa w MSSM. Masy Sektor Higgsa w Minimalnym Supersymetrycznym rozszerzeniu Modelu Standardowego (MSSM) zawiera piȩć bozonów: jeden neutralny o CP=-1: A dwa neutralne o CP=+1: lżejszy h i ciȩższy H: m H,h = 1 (m A + m Z ± (m A + m Z) 4m Zm Acos (β)) m A m Z : m h = m Zcos (β) + 3g m 4 t 8π m W m H = m A + m Zsin (β) i dwa naładowane: H ± : m H ± = m A + m W [ln( M t m t )], tan(β) = v u v d

6 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 3 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Sektor Higgsa w MSSM. Sprzȩżenia. Dla m A 150 GeV/c i tan(β) (tzw. decoupling limit ) Sprzȩżenia do fermionów maja postać (po podzieleniu przez g SM = g m f m W ): lekki skalar: hb b (lub hτ + τ ) 1 ht t 1

7 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 3 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Sektor Higgsa w MSSM. Sprzȩżenia. Dla m A 150 GeV/c i tan(β) (tzw. decoupling limit ) Sprzȩżenia do fermionów maja postać (po podzieleniu przez g SM = g m f m W ): lekki skalar: hb b (lub hτ + τ ) 1 ht t 1 ciȩżki skalar: Hb b (lub Hτ + τ ) tanβ Ht t cotβ

8 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 3 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Sektor Higgsa w MSSM. Sprzȩżenia. Dla m A 150 GeV/c i tan(β) (tzw. decoupling limit ) Sprzȩżenia do fermionów maja postać (po podzieleniu przez g SM = g m f m W ): lekki skalar: hb b (lub hτ + τ ) 1 ht t 1 ciȩżki skalar: Hb b (lub Hτ + τ ) tanβ pseudoskalar: Ab b (lub Aτ + τ ) γ 5 tanβ Ht t cotβ At t γ 5 cotβ

9 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 4 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Parametry MSSM. Scenariusz m max h W ogólności MSSM ma ponad 0 parametrów. Przy założeniu uniwersalności: m = M SUSY i proporcjonalności: (skalar) 3 = A Y pozostaje kilka parametrów. W scenariuszu max m h przybieraja one wartości (przy skali M P ): M SUSY = 00 GeV/c gaugino SU() : M = 00 GeV/c gaugino SU(3) : M 3 = 800 GeV/c µ = 00 GeV/c X t (= A t µcotβ) = 6 M SUSY m A - wolny parametr tan(β) - wolny parametr

10 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 5 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Kanały produkcji i rozpadu Dominuja cy mechanizm produkcji: stowarzyszony z kwarkami b: Branching ratio BR(A X) bb ττ gg µµ ss 0 0 χ χ hz HDECAY χ χ tt max_mh tanβ = 0 X = 449 GeV/c µ t M m A (GeV/c ) = 00 GeV/c = 00 GeV/c Wybrany kanał rozpadu: leptony τ : H ττ

11 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 6 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Przekrój czynny σ (gg bba/h) BR(A/H ττ) [pb] FeynHiggs-..6beta HQQ 1., PDF: CTEQ6L A ττ H ττ m A X t µ M max m H = 00 GeV/c = 449 GeV/c = 00 GeV/c = 00 GeV/c g Hb b tan(β) σ Hb b tan (β) Zliczanie przypadków Hb b może służyć do wyznaczenia tan(β) tan(β)

12 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 7 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Przekrój czynny σ (gg bba/h) BR(A/H ττ) [pb] 1-1 FeynHiggs-..6beta HQQ 1., PDF: CTEQ6L max m H tan(β) = 0 X t = 449 GeV/c µ = 00 GeV/c = 00 GeV/c M A ττ H ττ Dla m A = 00 GeV/c i tan(β) = 0: σ bbh = 3[pb] BR(H ττ) = 0.1 BR(ττ µ + h + ν) = 0. Ponieważ A i H sa prawie zdegenrowane dla m A 150 GeV/c rozważam je razem: σ sygnal = 1.4 [pb] m A [GeV/c ]

13 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 8 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa,

14 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 9 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Procesy tła Rate [Hz] total K ± /π ± 0 KL c b τ threshold [GeV/c] Figure 4: Inclusive integral rate of single muons from PYTHIA as a function of the muon p T threshold for a luminosity of 34 cm s 1. The breakdown of the rate on each source of muons is shown. ± W 0 Z /γ * µ p T Stan końcowy zawiera jeden izolowany mion: dla progu 0 GeV/c nastȩpuja ce procesy daja istotny wkład do czȩstosci zliczeń: produkcja kwarków b i c produkcja bozonów W rozpady mezonów K, π produkcja bozonów Z

15 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Procesy tła σ sygnal 1 [pb] Oprócz mionu w stanie końcowym wymagana jest obecność dżetu τ, oraz jednego dżetu oznaczonego jako dżet b. Proces Przekrój czynny [pb] b b 5 8 t t 830 W t 6 W + dżet 4 4 Z/γ ττ µ + τ jet 468 b b(z/γ ττ) 7

16 Eksperyment Compact Muon Solenoid (CMS) Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 11 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa,

17 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 1 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa,

18 Selekcja na poziomie trygera Obecnie pisywac dane z moz na za- pre dkos cia 0 M B/s. Przy załoz eniu rozmiaru przypadku 1 M B, daje to ograniczenie 0 Hz na cze stos c przypadko w jakie moz na zachowac. Tryger detektora CMS redukuje cze stos c przypadko w z 40 MHz do 0 Hz, czyli o pie c rze do w wielkos ci. Poszukiwanie bozono w H i A w detektorze CMS 13 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa,

19 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 14 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Tryger dla kanału µ + τ jet Poziom 1 (realizowany przez dedykowane układy scalone. Grupa Warszawska konstruuje układ trygera mionowego oparty na komorach RPC): mion o p T > 14 GeV/c

20 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 14 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Tryger dla kanału µ + τ jet Poziom 1 (realizowany przez dedykowane układy scalone. Grupa Warszawska konstruuje układ trygera mionowego oparty na komorach RPC): mion o p T > 14 GeV/c Wyższe poziomy trygera (realizowane jako oprogramowanie działaja ce na farmie komputerów typu PC. Grupa Warszawska bierze udział w definiowaniu trygera τ ): izolowany mion o p T > 15 GeV/c izolowany dżet τ o E T > 40 GeV

21 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 15 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Selekcja na poziomie offline : izolacja dżetów τ 1. Izolacja dżetu τ : stożek dopasowania: R m = poszukujemy śladu o maksymalnym p T (tzw. wioda cy ślad) w okolicy osi dżetu obszar izolacji: (stożek izolacyjny R i = 0.35)/ (stożek sygnałowy R s = 0.07) - stożek sygnałowy jest budowany wokół wioda cego śladu. może być śladów o p T > 1 GeV/c W obszarze izolacyjnym nie w stożku sygnałowym może być tylko jeden (τ ± π ± +nπ 0 +ν) lub trzy ślady (τ + π + +π + +π + nπ 0 + ν). Rozpady na wiȩcej cza stek naładowanych stanowia tylko 0.1%. r = ϕ + η

22 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 16 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Scałkowane histogramy Na nastȩpnych slajdach pokażȩ histrogramy dla scałkowanych rozkładów, konkretnie wykresy (1 - dystrybuanta): Liczba przypadkow Efektywnosc Efektywnosc dla X > 30 wynosi X prog na X

23 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 17 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Selekcja na poziomie offline : pȩd wioda cego śladu τ jet Efficiency leading track p T cut for 1 prong events [GeV/c] cut p T τ jet Efficiency leading track p bbh, 1 m =500 GeV A tt 0.8 Wt bbh, m =300 GeV A 0.6 Wj * 0.4 Z/γ bbh, m * 0. Z/γ bb T m> GeV =00 GeV A m< GeV cut for 3 prong events [GeV/c] cut p T bbh, m =500 GeV A bbh, m bbh, m * Z/γ tt Wj * Z/γ Wt bb =300 GeV A =00 GeV A m> GeV m< GeV

24 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 18 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Selekcja na poziomie offline : masa poprzeczna Rec transverse mass of (µ E) system Efficiency [GeV] cut m T * Z/γ m< GeV bb * Z/γ m> GeV bbh, m =00 GeV A bbh, m bbh, m tt Wj Wt =300 GeV A =500 GeV A Masa poprzeczna układu (mion, brakuja ca energia) ma maksimum w okolicy m W, dla przypadków w których mion i neutrino pochodza z rozpadu W: m T = ( E T ) ( p T ) ( E T = p T ) p µ T E / T p µ T / E T = = p µ T E / T(1 cos( p µ T, E/ T ))

25 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 19 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Selekcja na poziomie offline : veto elektronowe Jet hadronic energy vs leading track energy. Efficiency bbh, m =500 GeV A bbh, m bbh, m * Z/γ * Z/γ bb Wj tt Wt =00 GeV A =300 GeV A m> GeV m< GeV Pojedynczy, izolowany, elektron ma bardzo podoba sygnaturȩ do dżetu τ : jeden izolowany ślad, daja cy w kalorymetrze skolimowany depozyt. Przypadki t t i Wt stanowia bogate źródło elektronów. Elektrony sa odrzucane na podstawie analizy stosunku energii dżetu zdeponowanej w HCAL do energii wioda cego E HCAL /E cut leading tk śladu.

26 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 0 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Korelacje miȩdzy zmiennymi Jet hadronic energy vs leading track energy Efficiency cut E HCAL /E leading tk Sample: tt HCAL τ leading tk τ 0.3<E /E <1. jet jet 3 τ jet signal tracks rec Eν >0 offline τ jet isolation <cos( ϕ)<-0.5 single b tag τ jet leading tk. p m T <30 GeV central jet veto τ jet 1 τ jet Q µ *Q τ > GeV/c T signal tk. number=1 or 3 signal track =-1 jet Ostateczny dobór wartości progów musi uwzglȩdniać korelacje miȩdzy poszczególnymi zmiennymi oraz zmianȩ wzglȩdnego wkładu różnych procesów na kolejnych etapach selekcji.

27 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 1 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Optymalizacja wartości progów Jet hadronic energy vs leading track energy m =00 GeV/c A Significance Optymalizacja progów polegała na poszukiwaniu maksimum znaczoności: S c1 = ( N s + N b N b ) w funkcji wartości progu dla danej selekcji dla przypadków przechodza cych wszystkie pozostałe selekcje, wła czaja c okno masowe cut E HCAL /E leading tk

28 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Selekcja na poziomie offline : podsumowanie identyfikacja leptonów τ pȩd wioda cego śladu p T > GeV/c dla przypadków 1 prong i p T > 0 GeV/c dla 3 Efektywnosc selekcji (tryger + offline) tt bbh(00) W+t -6 Z bbz W+dzet b b prong przeciwne ładunki taonów jeden dżet oznaczony jako dżet b brak dodatkowych dżetów w obszarze centralnym: E T 5 GeV i η.4 m T (µ,/ E T ) 30 GeV, stosunek energii hadronowej dżetu do energii wioda cego śladu: 0.3 < f < 1. dla przypadków typu 1 prong cos( ϕ µ,τjet ) 0.5, dodatnia zrekonstruowana energia neutrin

29 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 3 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Selekcja na poziomie offline : podsumowanie identyfikacja leptonów τ pȩd wioda cego śladu p T > GeV/c dla przypadków 1 prong i p T > 0 GeV/c dla 3-1 Liczba przypadkow dla 0 fb ± ± 1 85 ± 1 8 ± 7 14 ± ± 13 prong przeciwne ładunki taonów jeden dżet oznaczony jako dżet b brak dodatkowych dżetów w obszarze centralnym: E T 5 GeV i η.4 m T (µ,/ E T ) 30 GeV, 0 6 ± 1 stosunek energii hadronowej dżetu do energii 0 tt bbh(00) W+t Z bbz W+dzet b b wioda cego śladu: 0.3 < f < 1. dla przypadków typu 1 prong cos( ϕ µ,τjet ) 0.5, dodatnia zrekonstruowana energia neutrin

30 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 4 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Rekonstrukcja masy m H = ( τ 1,τ E) ( τ 1,τ p) p τ1 = p µ + p ντ + p νµ p τ = p dzet τ + p ντ Znamy dokładnie: p µ, p dzet τ, ale tylko E / T = p T ντ + p T νµ + p T ντ Korzystaja c z faktu że taony sa mocno pchniȩte lorentzowsko: γ tau = E τ /m τ m H /( m τ ) Można założyć, że wszystkie produkty rozpadu leca w tym samym kierunku. Energiȩ neutrin rekonstruujȩ rzutuja c / E T na kierunki p µ T i E dzet τ T

31 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 5 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Rekonstrukcja energii neutrin Zdefiniujmy wersory osi i ka t miȩdzy nimi: jet pτ T ê Tjet = p τ jet T, ê Tµ = pµ T p µ T cos(ϕ µ jet ) = ê Tjet ê Tµ Wtedy: E τ ν 1 = E/ T (ê Tjet ê Tµ cos(ϕ µ jet )) sin(θ jet ) (1 cos (ϕ µ jet )) E τ ν = E/ T (ê Tmu ê Tjet cos(ϕ µ jet )) sin(θ mu ) (1 cos (ϕ µ jet )) Przy pewnej konfiguracji rozwia zania moga być ujemne!

32 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 6 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Rekonstrukcja masy: rozkłady dla sygnału i tła ] Arbitrary units/ 0 [GeV/c Reconstructed Higgs boson mass Generated m A =00 GeV/c Gauss:Const ± 0.96 Gauss:Mean 0.6 ± 4.6 Gauss:Sigma ± 3.00 Landau:Const 6.36 ± 0.9 Landau:Mean ± 14.8 Landau:Sigma ± 3.0 Generated m A =500 GeV/c Gauss:Const ± 1.1 Gauss:Mean 5.3 ± 9. Gauss:Sigma 17.5 ± 6. Landau:Const ± 1.18 Landau:Mean ± 35.7 Landau:Sigma ± [GeV/c ] m τ τ

33 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 6 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Rekonstrukcja masy: rozkłady dla sygnału i tła ] Arbitrary units/ 0 [GeV/c Reconstructed Higgs boson mass Generated m A =00 GeV/c Gauss:Const ± 0.96 Gauss:Mean 0.6 ± 4.6 Gauss:Sigma ± 3.00 Landau:Const 6.36 ± 0.9 Landau:Mean ± 14.8 Landau:Sigma ± 3.0 Generated m A =500 GeV/c Gauss:Const ± 1.1 Gauss:Mean 5.3 ± 9. Gauss:Sigma 17.5 ± 6. Landau:Const ± 1.18 Landau:Mean ± 35.7 Landau:Sigma ± ] Arbitrary units/ 0 [GeV/c * Reconstructed mass for tt and Z/γ events * Z/γ Gauss:Const.531 ± Gauss:Mean 16 ± Gauss:Sigma ± Landau:Const ± 3.38 Landau:Mean 113 ± 6.8 Landau:Sigma 0.04 ± tt Landau:Const 0.53 ± 0.71 Landau:Mean 11.5 ± 3.8 Landau:Sigma 50.8 ± [GeV/c ] m τ τ [GeV/c ] m τ τ

34 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 7 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Zasiȩg eksperymentu CMS dla 0 fb 1 Reconstructed Higgs boson mass. ] / 0 [GeV/c -1 Events for 0 fb Background Signal+Bkg. for tan(β)=0, m A =00 GeV/c Signal+Bkg. for tan(β)=50, m A =500 GeV/c [GeV/c ] m τ τ Higgs boson tan(β) Mass window range Number of Number of Significance mass [GeV/c ] [GeV/c ] signal events backgound events 00 0 ± ±

35 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 7 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Zasiȩg eksperymentu CMS dla 0 fb 1 ] / 0 [GeV/c -1 Events for 0 fb Reconstructed Higgs boson mass Background Signal+Bkg. for tan(β)=0, m A =00 GeV/c Signal+Bkg. for tan(β)=50, m A =500 GeV/c tan(β) Discovery area [GeV/c ] m τ τ m A [GeV/c ] Higgs boson tan(β) Mass window range Number of Number of Significance mass [GeV/c ] [GeV/c ] signal events backgound events 00 0 ± ±

36 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 8 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Podsumowanie Używaja c pełnej symulacji detektora CMS pokazałem że: procedura selekcji przypadków pozwala na redukcjȩ tła QCD o czynnik 11 procedura rzutowania brakuja cej energii na kierunki pȩdów poprzecznych mionu i dżetu τ umożliwia na rekonstrukcjȩ masy ciȩżkie bozony Higgsa moga być zaobserwowane w detektorze CMS: przedstawiłem przewidywany zasiȩg eksperymentu CMS dla 0fb 1 zebranych danych.

37 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 9 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Podsumowanie Przedstawione wyniki dla kanału µ + hadrony + ν zostana skombinowane z wynikami dla pozostałych kanałów rozpadu pary taonów, by uzyskać pełny zasiȩg eksperymentu CMS dla poszukiwań bozonów H/A.

38 Poszukiwanie bozonów H i A w detektorze CMS 30 Seminarium Fizyki Wysokich Energii, Warszawa, Podsumowanie tan(β) had/had lep/had combined (bb) A/H (bb) τ(lep/had) τ(had) ATLAS L dt = 30 fb m A (GeV)