Poszukiwania bozonu Higgsa w rozpadzie na dwa leptony τ w eksperymencie CMS

Poszukiwania bozonu Higgsa w rozpadzie na dwa leptony τ w eksperymencie CMS Artur Kalinowski Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski Warszawa, 7 grudnia 2012

DETEKTOR CMS DETEKTOR CMS Masa całkowita : 14 000 ton Średnica : 15 m Długość : 28.7 m Pole magnetyczne : 3.8 T JARZMO ZWROTNE DETEKTORY ŚLADOWE 12 500 ton Pikselowy (100x50 μm) ~16 m2 ~ 66 M kanałów Paskowy (80x180 μm) ~200 m2 ~ 9.6 M kanałów NADPRZEWODZĄCY SOLENOID Cewka z niobku tytanu zasilana ~18 000 A KOMORY MIONOWE Beczka: 250 komór DT, 480 komór RPC Pokrywy: 468 komór CSC, 432 komory RPC PRESHOWER Paski krzemowe ~16 m2 ~137 000 kanałów KALORYMETR PRZEDNI Stal + włókna kwarcowe ~ 2000 kanałów KALORYMETR ELEKTROMAGNETYCZNY ~76 000 kryształów PbWO4 KALORYMETR HADRONOWY Mosiądz + plastikowy scyntylator ~ 7000 kanałów 2

Współpraca CMS: 3275 osób z 41 krajów Polska grupa CMS: 23 osoby z 3 instytucji: UW, PW, NCBJ Nasz udział: budowa układu wyzwalania, bogaty program badawczy 3

Model Standardowy Materia + Oddziaływania spójny opis zjawisk na poziomie najmniejszych składników materii 4

Model Standardowy Struktura matematyczna modelu m(materia) = 0, m(nośniki oddziaływań) = 0 m = 0 sprzeczne z doświadczeniem! m > 0 wymaga nowego elementu 5

Model Standardowy Materia + Oddziaływania + bozon H model realistyczny (m > 0) i doskonale zgodny z doświadczeniem 6

Metodologia poszukiwań 1) Zderzenia, w których może zostać wyprodukowana nowa cząstka zderzenia p p w LHC pozwalają na produkcję cząstek o masie rzędu TeV/c2 2011: s = 7 TeV ~350 000 H/rok 2012: s = 8 TeV ~440 000 H/rok 2013 2014: przerwa techniczna 2015: s = 13 TeV ~1 100 000 H/rok MH = 125 GeV/c2, rok = 20 fb 1 7

Metodologia poszukiwań 1) Zderzenia, w których może zostać wyprodukowana nowa cząstka 2) Odpowiednio duża intensywność zderzeń LHC: 20 MHz zderzeń paczek p H pojawia się w jednym na ~1010 zderzeń pp ~108 Częstość zdarzeń w LHC [Hz] zderzenie paczek ~20 zderzeń pp ~10-2 8 W.J. Stirling, private communication

1) Zderzenia, w których może zostać wyprodukowana nowa cząstka 2) Odpowiednio duża intensywność zderzeń LHC: 20 MHz zderzeń paczek p 1 zderzenie ~ 1 MB 20 MHz, ~20 TB/s układ wyzwalania (tryger) 300 Hz, ~300 MB/s 99,9985% danych wyrzucone 0,0015% zachowane przez tryger Możliwości zapisu na dyski: ~300 MB/s 9 Częstość zdarzeń w LHC [Hz] Metodologia poszukiwań W.J. Stirling, private communication

Układ wyzwalania L1 Podzespół oparty o komory RPC zbudowany w Warszawie (UW, PW, NCBJ) 84 płyty trygera 1232 płyt transmisji ~200 płyt kontrolnych 10

Metodologia poszukiwań 1) Zderzenia, w których może zostać wyprodukowana nowa cząstka 2) Odpowiednio duża intensywność zderzeń 3) Stany końcowe pozwalające na identyfikację analizuje się rozpady H WW, ZZ, γγ, bb i ττ Kanał rozpadu Częstość rozpadu dla mh = 125 H bb 58% 21% 6% 3% 0.2% H WW H ττ H ZZ H γγ 11

Metodologia poszukiwań 1) Zderzenia, w których może zostać wyprodukowana nowa cząstka 2) Odpowiednio duża intensywność zderzeń 3) Stany końcowe pozwalające na identyfikację analizuje się rozpady H WW, ZZ, γγ, bb i ττ Kanał rozpadu Częstość rozpadu dla mh = 125 H bb 58% 21% 6% 3% 0.2% H WW H ττ H ZZ H γγ 12

H ττ μ + h + ν 0 H 0 0 H h(adrony) 13

H ττ μ + h + ν 0 H 0 0 H 14 h(adrony)

Metodologia poszukiwań 1) Zderzenia, w których może zostać wyprodukowana nowa cząstka 2) Odpowiednio duża intensywność zderzeń 3) Stany końcowe pozwalające na identyfikację 4) Selekcja wiele zderzeń pp wygląda podobnie jak rozpad H Tło Sygnał 0 0 W n q W 15 H 0 H 0

H ττ μ + h + ν Kanał produkcji: fuzja gluon gluon a) identyfikujemy jeden mion b) identyfikujemy hadronowy rozpad τ (np. τ π ντ) Na UW pracujemy nad oszacowaniem tych wkładów c) analizujemy (pośrednio) kierunek lotu ν d) brak dodatkowych dżetów 16

H ττ μ + h + ν Kanał produkcji: fuzja bozonów pośredniczących (tzw. kategoria VBF) e) identyfikujemy dwa dodatkowe dżety W różnych kategoriach mamy różny stosunek Sygnał/Tło Na UW pracujemy nad oszacowaniem tych wkładów 17

Metodologia poszukiwań 1) Zderzenia, w których może zostać wyprodukowana nowa cząstka 2) Odpowiednio duża intensywność zderzeń 3) Stany końcowe pozwalające na identyfikację 4) Selekcja 5) Analiza statystyczna selekcja H ττ zostawia 1 na ~200 przypadków H ττ. Na końcu tylko garść przypadków. Lata 2011 i 2012 (do 11.2012): Obserwowanych VBF: Oszacowanie tła VBF: Oczekiwanie H VBF: 174 154±10 8±0,9 174 > 154 fluktuacja? sygnał? sygnał czego? 18

Analiza statystyczna Łatwa analiza Duży stosunek Sygnał/Tło: wyraźna górka łatwa interpretacja wyników D J / K J / K K K 19

Analiza statystyczna Trudna analiza Mały stosunek Sygnał/Tło: niewidoczna górka skomplikowana analiza statystyczna 0 H hadrony neutrina 20

Wyniki dla H ττ Prawdopodobieństwo (p value) losowego uzyskania obserwowanego efektu który wygląda jak sygnał. Dla hipotezy mh = 125,8 p(że to przypadek) ~ 2% 21

Połączenie wszystkich kanałów (H WW, ZZ, γγ, bb i ττ) Prawdopodobieństwo (p value) losowego uzyskania obserwowanego efektu we wszystkich kanałach poszukiwań na raz? Dla hipotezy mh = 125,8 p(że to przypadek) = 2,6 10 12 W Lotto losujemy 6/49 P~10 12 szóstka w dwóch kolejnych losowaniach kupując 20 losów za każdym razem 22

Podsumowanie Od momentu powstania Współpracy CMS (1992) fizycy z naszego Wydziału brali aktywny udział w budowie detektora 1992 2012: 20 lat, 5 pokoleń doktorantów Grupa Warszawska eksperymentu CMS (UW, NCBJ, PW) wniosła ważny wkład w budowę układu wyzwalania punktu startowego każdej analizy w CMS Tryger decyduje o wyrzuceniu 99,9985% danych Grupa Warszawska bierze udział w szacowaniu tła w poszukiwaniach bozonu Higgsa By stwierdzić, że obserwujemy w rozpadzie na dwa leptony τ coś ponad musimy dobrze znać punkt odniesienia. 23

Co dalej? Historia uczy... A literary and historical atlas of America, by Bartholomew, J. G 24

Literatura Portal WWW Warszawskiej Grupy eksperymentu CMS: http://cms.fuw.edu.pl Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC Phys. Lett. B 716 (2012) 30 61 Strona WWW eksperymentu CMS w wynikami analiz https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/cmspublic/physicsresultshig Detektor CMS: JINST 3:S08004, 2008 http://iopscience.iop.org/1748 0221/3/08/S08004 Akcelerator LHC: JINST 3:S08001, 2008 http://iopscience.iop.org/1748 0221/3/08/S08001 25

SLAJDY ZAPASOWE

Wyniki dla H ττ Wynik obserwacji dla mh = 125: Wynik obserwacji byłby w tym zakresie dla 95/100 68/100 wykluczamy modele w których H produkuje się 1.63 x częściej niż w MS hipotetycznych eksperymentów Oczekiwania w przypadku braku H: z tą ilością danych moglibyśmy średnio wykluczyć modele w których H produkuje się 27 1.00 x częściej niż w MS

Połączenie wszystkich kanałów (H WW, ZZ, γγ, bb i ττ) Wynik obserwacji dla mh = 125,8: wykluczamy modele w których H produkuje się 1.5 x częściej niż w MS Oczekiwania w przypadku braku H: z tą ilością danych moglibyśmy średnio wykluczyć modele w których H produkuje się 5 x rzadziej niż w MS 28

Kanały produkcji bozonu Higgsa w LHC Fuzja gluon-gluon, gg H: σ(mh=125) = 15.32 pb Fuzja bozonów pośredniczących (Vector Boson Fusion, VBF) qq qqh: σ(mh=125) = 1.21 pb Produkcja stowarzyszona VH: qq' WH σ(mh=125) =0.57 pb qq ZH σ(mh=125) = 0.32 pb Produkcja stowarzyszona tth: qq tth σ(mh=125) =0.086 pb 29

Kanały rozpadu Obserwacja w kanałach WW i ZZ jest nieodzowna dla potwierdzenia mechanizmu Higgsa Rozpady na fermiony nie są konieczne można sobie wyobrazić różne warianty fermiofobiczne (ale to nie będzie już klasyczny MS ) Rozpad H γγ zachodzi jedynie przez pętle. Pomiar BR(H γγ) nakłada ograniczenia na sprzężenia do W i t Eksperyment CMS analizuje kanały: WW, ZZ, γγ, bb i ττ μμ jest analizowany w kontekście MSSM 30