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LHC-ATLAS 実験における チャンネルを用いた ヒッグス粒子の探索 PowerPoint PPT Presentation


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LHC-ATLAS 実験における チャンネルを用いた ヒッグス粒子の探索. 東京大学大学院 理学系研究科物理学専攻 川本研究室 黒崎龍平. 平成 25 年 1 月 30 日. Outline. 序論 本研究の目的 LHC 加速器と ATLAS 検出器 探索について 解析 事象選択 背景事象の見積もり 結果と 考察 まとめ. 本研究の目的. 2012 年、 LHC 実験において、 ZZ/W + W - / γγ へ崩壊する、 質量約 125GeV の 新粒子 が発見された W/Z ボソンと結合、 top quark とも結合?

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LHC-ATLAS 実験における チャンネルを用いた ヒッグス粒子の探索

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Presentation Transcript


Lhc atlas

LHC-ATLAS実験におけるチャンネルを用いたヒッグス粒子の探索

東京大学大学院

理学系研究科物理学専攻

川本研究室

黒崎龍平

平成25年1月30日


Outline

Outline

  • 序論

    • 本研究の目的

    • LHC加速器とATLAS検出器

    • 探索について

  • 解析

    • 事象選択

    • 背景事象の見積もり

  • 結果と考察

  • まとめ


Lhc atlas

本研究の目的

  • 2012年、LHC実験において、ZZ/W+W-/γγへ崩壊する、質量約125GeVの新粒子が発見された

    • W/Zボソンと結合、top quarkとも結合?

    • いまのところ、”Higgs-like particle”

  • フェルミオンとの結合(湯川結合)の直接測定が重要

    • H -> bb, , , など

  • ボトムクォーク対へ崩壊するヒッグス粒子の探索を行った

H->gg探索

H->ZZ探索


Lhc atlas1

LHC加速器とATLAS検出器

  • ATLAS検出器

    • 内部飛跡検出器

    • カロリメータ

    • ミューオン検出器

  • LHC加速器

    • 全長約27km

    • 最大で√s=14TeVの陽子陽子衝突が可能

    • 使用した実験データは

      • √s=7TeV,積算ルミノシティ4.7fb-1

      • √s=8TeV,積算ルミノシティ13.0fb-1


Lhc atlas

LHC実験での探索

  • =8TeVの衝突における、125GeVのヒッグス粒子の生成断面積は

    • ggF : 20pb

    • VBF : 1.6pb

    • WH : 0.7pb / ZH : 0.4pb

  • への崩壊比 : 58%

  • ggF/VBF, は終状態がジェットのみ。背景事象が多く、探索に不向き

  • VH随伴生成であれば、レプトンが出るため、背景事象の大幅な抑制ができる

    • :本研究で使用した解析チャンネル

ヒッグス粒子の生成断面積

過程

ヒッグス粒子の崩壊比


Lhc atlas

信号事象と背景事象

  • 主要な背景事象

    • W+jets

    • ttbar

    • Diboson(WZ)

    • Singletop

    • Multijet

  • 信号事象の特徴

    • エレクトロン/ミューオン1個

    • ニュートリノ1個 -> Missing ET

    • Transverse mass peak

    • ボトムジェット2個

    • Dijet mass peak:これを見る

    • WとHがBack to backに出やすい

WZ

W+bb

ttbar

single top


Lhc atlas

事象選択( 側)

  • エレクトロン/ミューオンの選択

    • pT>25GeV

    • Isolation

    • Exact 1 electron or 1 muon

  • Missing ET cut

  • Transverse Mass cut

    • Lower cut : Multijet背景事象の抑制

    • Upper cut : ttbar背景事象の抑制

Missing ET分布

Transverse mass分布


Lhc atlas

事象選択( 側)

  • ジェットの選択

    • pT>45GeV + pT>20GeV

    • Exact 2 jets

  • DR(bb) cut

    • DR : 2本のジェットの距離

    • 信号事象は、Wボソンが高いpTを持つとき、Higgsも高いpTを持つため、DR(bb)が小さくなる

    • <200GeVではLower Cut, >150GeVではUpper Cut

DR(bb)分布(Low pT(W))

DR(bb)分布(High pT(W))


Lhc atlas

事象選択(Bタグ)

  • ボトムクォークは寿命が長い→特徴的な飛跡を残す

  • 飛跡の情報からb-jetらしさを数値化して識別

  • b-jetに対する効率70%に対して

    • c-jet効率:20%程度

    • light-jet効率:1%程度

  • 2本のジェット両方に適用


Lhc atlas

事象選択(カテゴリ分け)

Wボソンが高いpTを持つような領域は、事象数は少ないものの、S/N比が良い

WボソンのpTに応じて5つのカテゴリに分割して解析を行った

期待される発見感度は、カテゴリ分けしない場合と比較して、40%程度向上

信号事象と主要な背景事象の 分布


Lhc atlas

背景事象の見積もり(概要)

  • 本解析チャンネルは、背景事象の量や種類が多い。背景事象の見積もりは慎重に行う必要がある

  • 主にMCシミュレーションを利用して見積もったが、より正しく見積もるために、必要に応じてデータを利用した

    • Multijet背景事象は、統計量の問題でシミュレーションから見積もることが困難なため、データから見積もった

    • MCとデータとの間にずれがある場合は、データを利用してMCの形を補正した

    • 断面積やk-factorなど、規格化に関する不定性を抑えるため、できるだけControl Regionのデータを利用して規格化を行った


Multijet

背景事象の見積もり(Multijet)

  • Multijet背景事象は、実験データから見積もった

  • 左:LeptonのIsolation条件を逆にして解析した分布

    • JetがLeptonにFakeした事象がエンハンスされる

    • これがMultijet背景事象分布を再現していると考える

  • 中央:通常のIsolation条件での分布

    • Multijet背景事象分布(桃色)は、左の分布をスケールすることで得た

  • 右:Multijet背景事象のCR(Control Region)の分布

    • MET<25GeV, MT<40GeVを要求

    • Dijet mass分布の形はよくデータを再現している


Ttbar

背景事象の見積もり(ttbarの補正)

  • ttbarのMCは、データを上手く再現していない

    • 特に、METやのずれとして表れる

    • でのカテゴリ分けを行うため、が正しくModelingされていることが重要

  • ttbarのCR(4jet)を利用して、MCの形を補正した

  • 別のCR(3jet)で、補正が正しく行われていることを確認した

ttbar CR (4jet)

ttbar MCに対して適用した補正係数


W jets

背景事象の見積もり(W+jetsの補正)

W+light/W+c jetsも、CRにおけるデータとMCにずれ

DR(jj)分布を補正することで、他の分布もよく一致するようになった

DR(jj)

pT(W)

DR(jj) 1tag

m(jj)


Lhc atlas

背景事象の見積もり(フィットによる規格化)

W+jetsおよびttbar背景事象は、CRのデータにフィットすることで規格化を行った

W+bについては、やDRbbへの補正を行っていないため、

<150GeVと >150GeVとで別々に規格化している

W+light CR

W+c CR

W+b(LowpT), tt CR

W+b(HighpT), tt CR


Lhc atlas

結果

  • 見積もった背景事象は、

    • ヒッグス粒子の信号が期待されない領域で、観測データとよく一致

    • 信号が期待される領域に、明らかなデータの超過は見られなかった

: 200GeV以上

Expected BG

: 0-50GeV

: 50-100GeV

: 100-150GeV

: 150-200GeV


Lhc atlas

生成断面積に対する制限

観測された事象から、標準模型ヒッグス粒子の生成断面積に対する制限をつけた

125GeVに対して、CLsによる信頼度95%で、標準模型の生成断面積の2.8倍以下

  • 実際に観測された事象から得られた制限

  • 背景事象のみを仮定した場合に期待される制限

  • 背景事象+mH=125GeVのヒッグスを仮定した場合に期待される制限

  • ヒッグス粒子がいたとしても、期待されるExcessは1σ程度


  • Lhc atlas

    CMSとの比較

    • CMS : ATLASと同様に、LHCに設置された検出器

      • エネルギー/ルミノシティほぼ同じ

    • VH,H->bb探索の結果を比較すると、CMSの方が発見感度が高い

      • MVA、Dijetmassの補正などが効果的

      • 背景事象の見積もりの正確さには疑問?

    VH,H->bbの結果(CMS)

    VH,H->bbの結果(ATLAS)


    Lhc atlas

    まとめ

    LHC-ATLAS実験で得られた、√s=7TeV,/Ldt=4.7fb-1および√s=8TeV, /Ldt=13.0fb-1のデータを使用して、WH -> lvbbチャンネルにおけるヒッグス粒子を探索した

    事象のカテゴリ分けを行うことで、発見感度を約40%上昇させた

    実験データを使用してMCの補正や規格化を行うことで、より正確な背景事象の見積もりを行った

    ヒッグス粒子の発見/棄却に必要な発見感度には届かなかった

    125GeVのヒッグス粒子に対して、生成断面積が標準模型の2.8倍以下という制限をつけることができた

    MVAなどの利用により、改善の余地がある


    Lhc atlas

    Backup


    Lhc atlas

    背景事象の見積もり(系統誤差)

    • Bタグ効率やエネルギースケールなどには不定性がある。それらを変化させた場合の、分布の形状の変化を系統誤差として導入した

      • 信号事象やDiboson事象は、理論計算の不定性(約10%)や、Bタグ効率の不定性(約10%)が主な系統誤差

      • W+jets/ttbar/Multijetは、規格化因子のフィットの不定性が主な系統誤差

    Jet Energy Scaleの不定性に対する

    信号事象分布の変化


    Event display wh candidate

    Event Display (WH Candidate)


    Lhc atlas

    Bタグ

    • SV1

      • Secondary vertex based

    • IP3D

      • Impact parameter based

    • JetFitter

      • 多段崩壊

    • MV1

      • 3つを統合した指標


    Multijet1

    Multijet補足

    Multijetの分布を決めるためのTemplate

    Bタグ後のTemplateは統計量が少ない。

    Bタグ前のTemplateを、Bタグ後のMultijet背景事象の見積もりに使用した。

    ただし、30%の系統誤差をつけた。


    Lhc atlas

    系統誤差


    Mbb 7tev

    結果 : mbb(7TeV)

    All

    pTW : 0-50GeV

    pTW : 50-100GeV

    pTW : 100-150GeV

    pTW : 150-200GeV

    pTW : 200-GeV


    7tev 8tev exclusion limit

    7TeV/8TeV単体のExclusion Limit


    K factor

    背景事象の断面積とk-factor


    Profile likelihood

    Profile Likelihood

    系統誤差をNuisance Parameterとして、測定されたデータに対してフィットする。


    Detector performance

    Detector Performance

    だいたいこれくらい


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