Christophe Ochando

1. Recherche du boson de Higgsdans le canal ZHbb dans l’expérience DØ auprès du TeVatron Christophe Ochando Soutenance de Thèse – Université Paris-Sud XI 29 Septembre 2008

2. Plan de la présentation • Motivations théoriques • Le Modèle Standard • Le mécanisme de Higgs • Dispositif Expérimental • Le collisionneur Tevatron • Le détecteur DØ • Stratégie de recherche du Higgs au Tevatron • Corrections des jets issus de la simulation • Système de déclenchement • Optimisation des conditions de Niveau 3 • Simulation de la réponse • Recherche du boson de Higgs • Bruits de fond : détermination et réduction • Analyse discriminante • Résultats Christophe Ochando

3. Motivations Théoriques Christophe Ochando

4. Le Modèle Standard … et de leurs interactions, via les bosons. • Offre une description des constituants élémentaires de la matière : les fermions. Leptons Quarks • Théorique quantique des champs basée sur l'invariance de jauge : SU(3)CSU(2)LU(1)Y  Bosons de jauge de masse nulle Incompatibilité ! • Or, l’interaction faible est de courte portée : MW= 80.4 GeV/c2 MZ= 91.2 GeV/c2 W et Z sont massifs: Christophe Ochando

5. Mécanisme de Higgs • Solution imaginée dans les années 60, indépendamment par Peter Higgs (1964), • Englert & Brout (1964),Guralnik, Hagen & Kibble (1965) : • Ajout d’un doublet complexe de champs scalaires . • Champ de Higgs plongé dans un potentiel en forme de “chapeau mexicain” : • Infinité de minima stables ne respectant pas la symétrie du Lagrangien. BRISURE SPONTANEE DE LA SYMETRIE SU(2)LU(1)Y • Génération des termes de masse pour les bosons W et Z, • Masses des fermions via des couplages de Yukawa, • Symétrie résiduelle U(1)EM, • Prédiction d’une nouvelle particule neutre : le Boson de Higgs. Le Modèle Standard (MS) est en parfait accord avec les données expérimentales… … seul le boson de Higgs n’a pas encore été observé. Christophe Ochando

6. Boson de Higgs : contraintes directes et indirectes La masse du boson de Higgs est un paramètre libre du MS. • Recherche directe (menée au LEP) : MHiggs >114.4 GeV à 95% C.L. • MHiggs intervient dans les corrections radiatives aux observables du MS. • Mesures précises de la théorie électrofaible Contraintes indirectes. MHiggs < 154 GeV à 95% C.L En particulier, les mesures de MW et Mtopfavorisent un Higgs « léger »  Christophe Ochando

7. Dispositif Expérimental Christophe Ochando

8. anti-proton proton le Tevatron Tevatron (Fermilab): collisionneur proton-antiproton Chicago Vaste programme de physique : Physique des quarks b et top, Physique électrofaible, QCD, Higgs, Nouvelle Physique. 1.96 TeV au Centre de Masse • Run I (1992-1996) : • découverte du quark top (95) • Run II (2001-2010?) : • Amélioration des détecteurs et de la chaîne d’accélération. • Run IIa (2001-2006) : • - ~1 fb-1 de données collectées. • “Bs Mixing”, WZ, top célibataire. • Run IIb (juin 2006-2010 ?) • - Période de très haute luminosité. • - ZZ, nouveaux baryons. • - Higgs ? CDF DØ Tevatron Christophe Ochando

9. Luminosité et Performances • Performances actuelles excellentes. • 5 fb-1 délivrés. • Record de luminosité instantanée : 315x1030cm-2s-1 • Environ 8 fb-1 attendus en 2010. Run IIb : > 3 fb-1 • Expérience DØ : • 90% d’efficacité de prise de données. • ~50 pb-1 enregistrés par semaine. • Plus de 4 fb-1 enregistrés au total. Run IIa : ~1 fb-1 Luminosité intégrée (pb-1) Christophe Ochando

10. Le détecteur DØ Composé de sous-détecteurs agencés de manière concentrique autour du faisceau. • Détecteur de traces : • Détecteur à micropistes de silicium (SMT) • Détecteur à fibres scintillantes (CFT) • Aimant supraconducteur (2T) • Calorimètre à échantillonnage: • milieu actif : LAr. • absorbeur : Uranium. y Repère (r,,)  Angle polaire =0 (le long de l’axe z) Protons Anti-protons pT=impulsion dans le plan transverse (x,y) z • Spectromètre à muons : • Chambres à dérives • Scintillateurs • Toroïdes en fer (1.8 T) Christophe Ochando

11. Le calorimètre • Rôle : • Reconstruction des électrons, des photons et des jets. • Détermination de l’énergie transverse manquante. • Structure : • 1 partie centrale (||<0.8) • 2 bouchons (1.6<||<4.2) • + détecteurs dans la région inter- cryostatique (ICR) (0.8<||<1.6) Central (CC) ICR (région moins instrumentée) • Composition : • 4 couches électromagnétiques • 3 couches hadroniques fines • 1 couche hadronique grossière • ~50 000 cellules • regroupées en tours pseudo- projectives (x=0.1x0.1) Bouchons (EC) Christophe Ochando

12. Stratégie de recherche du Higgs au Tevatron Christophe Ochando

13. Exclu au LEP Boson de Higgs : Modes de désintégration • Couplage du Higgs aux particules : proportionnel à leur masse. • Désintégration du boson de Higgs dans la paire de particules la plus lourde accessible cinématiquement. • Pas de couplage direct aux photons ou aux gluons. • Pour MHIGGS < 135 GeV, • Pour MHIGGS > 135 GeV, Christophe Ochando

14. l, ll,  bb Exlcu au LEP WW* ll Le Higgs au Tevatron : Modes de production & Canaux • mH<135 GeV : Hbb • Fusion de gluons : gg  H  bb ? • Noyé par le bruit de fond QCD • Production associée à W/Z ? • Préférée si désintégrations leptoniques des W/Z Fusion de gluons « Higgstrahlung » l = leptons = électrons, muons, taus, =neutrinos • mH>135 GeV : HW+W- • Fusion de gluons ? • Oui, avec désintégrations leptoniques des W Canal étudié lors de ma thèse : Christophe Ochando

15. jet   La topologie Jets et Energie transverse manquante • Canal : 2 jets + énergie manquante. Topologie très délicate auprès des collisionneurs hadroniques Les analyses possédant un tel état final nécessitent : • Une calibration précise de l’énergie des jets, • Des conditions de déclenchement spécifiques et optimisées, • Pour le Higgs : faible section efficace + importants bruits de fonds • Une bonne modélisation des bruits de fond, • Une discrimination du signal et des fonds à l’aide de techniques avancées. 1ère partie 2ème partie 3ème partie Christophe Ochando

16. Corrections des jets simulés Christophe Ochando

17. Jets et énergie transverse manquante • Jet: Reconstruit à l’aide d’un algorithme de cône de rayon Jet calorimétrique (reconstruction des gerbes initiées par l’interaction des particules dans le calorimètre) Jet de particules (particules issues de l’hadronisation des partons) Jet de partons (partons issus de l’interaction dure) • Energie Transverse Manquante (MET) : • Due aux particules n’interagissant pas ou peu • avec le calorimètre (neutrinos, muons) Christophe Ochando

18. Calorimètre hadrons fragmentation parton Echelle d’énergie absolue des jets dans DØ (JES) But: Ramener l’énergie mesurée des jets calorimétriques au niveau des jets de particules (i.e., avant l’interaction avec le détecteur) Offset : Energie non-associée au processus dur : - Bruits (Uranium, électronique) - Empilement - Interactions multiples • Réponse : • Réponse du calorimètre au jet • Mesurée avec des événements +jet (et dijet) « Showering (S) »: prend en compte le fait qu'une particule à l'intérieur (resp. à l’extérieur) du cône de reconstruction du jet peut déposer de l'énergie en dehors (resp. à l’intérieur) du cône lors du développement de la gerbe. Christophe Ochando

19. Corrections des jets simulés : Motivations Une bonne compréhension de la masse invariante di-jet est cruciale pour la recherche d’un boson de Higgs de basse masse au TeVatron. • La simulation du détecteur DØ ne reproduit pas correctement : données simulation • l’échelle d’énergie des jets, • la résolution en énergie des jets, • l’efficacité de reconstruction • et d’identification des jets Résolution des jets • Toutes ces caractéristiques sont corrélées et doivent être corrigées de façon cohérente But de la méthode S.S.R (pour “Smearing, Shifting and Removing”) Christophe Ochando

20. Sélection Sélection d’événements /Z(ee) + 1 jet dos-à-dos en . Jet • Les jets sont corrigés de JES. • L’échelle d’énergie électromagnétique est connue précisément : • Calibration à partir d’événements Zee. • Différence d’échelle d’énergie électrons/photons estimée à partir de la simulation. Z ou • Utilisation de la variable S : • tester l’équilibre en énergie transverse entre le photon/Z et le jet • S est calculée pour différents intervalles de pT(Z/), • À la fois pour les données et la simulation (MC), • Et pour plusieurs régions en  du calorimètre. Christophe Ochando

21. La Méthode S.S.R. Les distributions de S sont décrites par une fonction F : F = Gaussienne*Turn-on afin de modéliser l’inefficacité de reconstruction des jets de bas pT. F = Gaussienne en pratique, lorsque le turn-on n’est plus nécessaire. 18<pT<23 GeV 50<pT<60 GeV Événements photon/Z+jet dont le jet n'a pas été reconstruit Echelle d’énergie des jets Résolution en énergie des jets Efficacité de reconstruction des jets • Valeur moyenne des gaussiennes • Largeur des gaussiennes • Turn-on Différences données/MC  facteurs de correction de la simulation Christophe Ochando

22. Exemple : Différences d’échelle d’énergie Importantes différences à bas pT entre les données et la simulation. <Sgauss>(data) - <Sgauss>(MC) Jets Centraux données MC <S>gauss La différence de <S> entre les données et la simulation donne accès à l’échelle relative d’énergie des jets (rJES) Christophe Ochando

23. Corrections de la simulation La résolution des jets simulés est dégradée afin de correspondre à celle des jets dans les données. L’échelle relative d’énergie des jets est appliquée à la simulation. Z pT [GeV] Z pT [GeV] donnés MC Les jets ainsi corrigés dont pT<15 GeV sont retirés (le plateau des turn-ons est atteint à 15 GeV) La coupure à 15 GeV est aussi appliquée aux données. Jet pT [GeV] Christophe Ochando

24. DONNEES MC Comparaisons Données/MC Comparaison du spectre en pT des jets (pour pT()>50 GeV), avant (à gauche) et après (à droite) les corrections.   • L’accord données/MC est grandement amélioré après les corrections. • La méthode S.S.R. fait partie de la chaîne standard d’analyse de DØ. Christophe Ochando

25. 20 100 200 pT (GeV) Vers une correction des jets de quarks et de gluons… (1) • JES/SSR : correction moyenne, quelque soit la nature du jet. • Différences entrejets de quarksetjets de gluons : • Jets de gluons : • multiplicité de particules plus grande, • particules de plus basse énergie. Réponse (gluon)<Réponse (quark) MC • Y’a-t-il des différences pour les jets de gluons (ou quarks) entre les données et la simulation ? • Est-il possible de construire rJES (quark) et rJES(gluon) ? <S>gauss Dans la simulation, accès à toutes les informations… S(gluon) < S(quark) Z+quark Z+jets Z+gluon … mais comment faire dans les données ? Christophe Ochando

26. Vers une correction des jets de quarks et de gluons… (2) • Deux lots à notre disposition, +jet et Z(ee)+jet, • avec des compositions partoniques différentes. Fraction de gluons • Possibilité d’écrire le système suivant : Z+jet Photon+jet rJES (quark) rJES (gluon) rJES (cocktail) • S(data) et SZ(data) : mesurées dans les données. • Fractions  extraites à partir de la simulation • Sdatagluon/quark obtenues par résolution du système. • Au-dessus de 20 GeV, • les jets de quarks sont sur le même pied dans les données et la simulation. • les jets de gluons nécessitent une correction. • méthode en cours de test dans DØ. Christophe Ochando

27. Conditions de déclenchement : Optimisation & Simulation Christophe Ochando

28. 1.7 MHz 1.6 kHz 50-150 Hz 0.8 kHz Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Système de déclenchement à DØ • Les faisceaux se croisent toutes les 396 ns • Environ 2 Tb/s de données à traiter. • On ne peut pas tout enregistrer. • Et d’ailleurs on ne veut pas : • recherche de phénomènes rares. QCD Nécessité de filtrer les événements en ligne Higgs Près de 11 ordres de grandeur ! s (TeV) • Système de déclenchement à 3 niveaux enchaînés : • Quantité et complexité des informations disponibles • Temps de calcul Augmentent de niveau en niveau • Étape cruciale :tout événement non enregistré est perdu à jamais ! Christophe Ochando

29. Système de déclenchement au Run IIb • Printemps 2006 : Début du Run IIb, période de prise de données de très haute luminosité. • Pics de luminosité instantanée attendus : 300E30 cm-2 s-1 Nouvelles contraintes sur le système de déclenchement : • Réduction des taux par ~ un facteur 2. • Amélioration majeure du Niveau 1 du système de déclenchement de DØ. • En particulier : Nouveau Niveau 1 pour le Calorimètre. • Utilisation de l’algorithme de “fenêtre glissante”. • Possibilité de : • définir des objets tels que des électrons/photons, jets ou taus. • utiliser des variables topologiques. Christophe Ochando

30. Conditions de déclenchement Jets+MET au Run IIb • Conception des conditions de déclenchement : • Compromis à trouver entre : • efficacité du signal recherché et • taux de sortie (50-150 Hz au final) pour TOUT le programme de physique de DØ • Etats finals Jets+MET : impliqués dans beaucoup de processus différents : • Higgs ou Nouvelle Physique. • Trois conditions de déclenchementcomplètement nouvelles pour les topologies jets+MET ont été conçues pour le Run IIb : • Monojet: pour des signaux tels que les monojet+MET (dimensions supplémentaires). • Dijet:pour ZHbb ou stops, sbottoms, … venant de SUSY. • Multijet: pour les gluinos (SUSY). J’étais en charge de l’optimisation du Niveau 3 pour ces conditions. Christophe Ochando

31. Conception du Niveau 3 Dijet • Avant mon travail, le précédent Niveau 3 demandait : Au moins 1 jet, MHT > 30 GeV, HT > 50 GeV + coupures cinématiques avec : 25 GeV (= MET calculée avec les jets) Signal ZH (mH=115 GeV) • Nouvelle conception: • “Au moins 2 jets” désormais demandé. • Coupure en HT supprimée, • Seuil sur MHT abaissé à 25 GeV, • Introduction de MET au L3 (voir à droite) (normalisation aribitraire) • Taux à 300E30 cm-2 s-1 : Réduction par environ 44% • Efficacité de signal (par rapport à des coupures d’analyse) : 88%  91% (+3%) • Réduction des taux et augmentation de l’efficacité de signal similaires obtenues avec les • conditions monojet et multijet. • Conditions en ligne depuis Octobre 2006. Christophe Ochando

32. jet +  -  Modélisation de l’efficacité de déclenchement • La simulation du système de déclenchement n’est pas incluse dans la chaîne de simulation complète du détecteur. • Nécessité de modéliser l’efficacité de déclenchement pour les données simulées. • Des paramétrisations existaient pour le Run IIa. • Nouveau Niveau 1 du Run IIb :nouvelle paramétrisation nécessaire. • J’ai conçu et implémenté une méthode, basée sur les données, pour émuler la réponse de ce système. • Elle a été déterminée à l’aide d’événements Z+- +jets : du point de vue calorimétrique, même topologie que le signal (les muons ne déposent leur énergie qu’au minimum d’ionisation) Christophe Ochando

33. Ce qu’il faut modéliser… DONNEESZ (déclenchement sur muons) AvantAprès le Niveau 1 Effet très important à modéliser… pT du premier jet MHT Christophe Ochando

34. Mesure de l’efficacité de déclenchement • Au Niveau 1 : termes de jets et MET. • J’ai mesuré l’efficacité individuelle de chacun des termes, sur les données. • Efficacités paramétrées en fonction de quantités “hors-ligne” pour pouvoir être appliquées à la simulation. Exemple:termeCSWJT(1,30,3.2) : “au moins 1 jet de Niveau 1 avec ET>30 GeV et ||<3.2” Turn-on d’Efficacité pT du Jet hors-ligne Avant Après le terme de Niveau 1 Christophe Ochando

35. Tests de cohérence • Toutes les efficacités individuelles des termes ont été combinées afin de calculer la probabilité totale pour qu’un événement passe les critères du Niveau 1 en prenant en compte le recouvrement entre les différents termes. • Tests de cohérence effectués sur les données, avec des événements W()+ jets. (déclenchement sur des muons isolés) DONNEES Après la paramétrisation du Niveau 1Après la vraie décision du Niveau 1. MHT HT Christophe Ochando

36. Recherche du boson de Higgs Christophe Ochando

37. Le canal ZHbb ZHbb La réaction ppHZ avec Hbb et Z est parmi les plus prometteuses pour la découverte d’un boson de Higgs de basse masse au TeVatron. WHlbb BR(Zl+l-) 3% BR(Z)20% (3 saveurs de neutrinos) ZHl+l-bb Signature Expérimentale : Energie Transverse Manquante (MET), Pas de lepton isolé + Deux jets de grand pT, issus de quarks b • Cette recherche est également sensible au canal W(l)H(bb) où le lepton n’est pas identifié ou reconstruit. Christophe Ochando

38. jet 2 MET jet 1 Bruits de fond (1) • Deux types de bruits de fond pour cette analyse : • Bruit de fond instrumental, dit “QCD” • Bruits de fond physiques Bruit de fond QCD • Production de jets par interaction forte. • Énergie manquante factice due à la mauvaise mesure de l’énergie des jets. • Faible probabilité mais section efficace importante. • Faible MET, alignée avec la direction du jet mal mesuré. • Estimé à partir des données. Christophe Ochando

39. b q b W q Bruits de fond (2) Bruits de fond physiques b q • Production de bosons W/Z + jets : • En particulier : • Z + jets(irréductible) • W(l) + jets b  Z  q l = électrons, muons ou taus • Production de quarks top (par paire ou célibataire) • Production de paires de bosons vecteurs : WW, WZ, ZZ • Processus simulés à l’aide de : • ALPGEN interfacé avec PYTHIA (W/Z/tt) • COMPHEP (top célibataire) • PYTHIA (dibosons) Christophe Ochando

40. Sélection La recherche a été effectuée avec 2.1 fb-1, • Run IIa + Run IIb • les données du Run IIb (1.1 fb-1) ont été enregistrées avec la condition DIJET optimisée. • 2 ou 3 jets avec pT > 20 GeV • |(jets)| < 2.5 • MET > 50 GeV • Veto sur leptons isolés : • électrons • muons • (contre W/Z+jets) + Coupures topologiques contre le bruit de fond QCD Christophe Ochando

41. Bruits de fond physiques : Contrôle • Les bruits de fond physiques sont estimés à partir de la simulation, et leur bonne modélisation est vérifiée comme suit : • Un lot de contrôle est sélectionné de la même manière que le lot de signal, excepté que le veto sur les muons est inversé afin d’enrichir le lot en événements W(). • Si l’impulsion du muon n’est pas propagée au calcul de la MET, ce lot a la même topologie, du point de vue du calorimètre, que le signal. Lot de contrôle W()+jets W+jets W+saveurs lourdes Z+jets top Christophe Ochando

42. MET Bruit de fond QCD : Estimation • Le bruit de fond QCD est estimé à partir des données. • Utilisation de la variable (M_TrkPt, MET) pour définir un lot QCD où M_TrkPt = MET calculée à partir des traces. Jet 1 Lot de signal (</2) Lot QCD (>/2) M_trkPt M_trkPt MET Jet 2 QCD SIGNAL • (M_TrkPt, MET)< /2 définit le lot de signal, dans lequel l’analyse est effectuée, • (M_TrkPt, MET)> /2 définit le lot QCD (en rouge), utilisé pour modéliser le fond QCD dans le lot de signal. Christophe Ochando

43. Lot de signal pT duJet 1 pT duJet 2 W+jets W+saveurs lourdes Z+jets Z+saveurs lourdes Top QCD R(jet 1, jet 2) Z+jets W+jets La combinaison du fond QCD et des fonds physiques fournit une bonne description des données. Signal (x500) QCD Christophe Ochando

44. Étiquetage des saveurs lourdes • Augmentation de la sensibilité : tirer parti du rapport de branchement Hbb • Étiquetage des quarks b appliqué au deux jets de plus grand pT, à l’aide d’un algorithme utilisant un réseau de neurones. Masse invariante Dijet Avant Après W+jets W+saveurs lourdes Z+jets Z+saveurs lourdes Top QCD Signal (x10) Une bonne description des données est obtenue, à la fois avant et après l’étiquetage des quarks b. Signal (x500) Christophe Ochando

45. Analyse Discriminante • La séparation finale entre le signal et les bruits de fond restants est obtenue à l’aide d’une technique d’Arbre de Décision Stimulé (ADS). • 24 variables utilisées, dont : • Masse invariante dijet (la +plus discriminante), • pT et  des jets, • R(jet 1, jet 2), (jet 1, jet 2), etc… • Les signaux ZH et WH sont combinés. • Un AD différent a été entraîné pour chaque masse de Higgs testée, ainsi que pour chacune des périodes de prises de données (Run IIa et Run IIb) Sortie du AD : Exemple pour un signal Higgs avec mH=115 GeV, et pour le Run IIb Signal (x25) Christophe Ochando

46. Erreurs systématiques Contributions majeures (Run IIb) : • Simulation des conditions de déclenchement : +/- 5.5 % • Sections efficaces : +/- 6-16% (bdf physique) +/- 6% (signal) • Fractions de saveurs lourdes dans W/Z + jets : +/- 50% • Etiquetage des quarks b : +/- 6%(bdf physique et signal) • Luminosité : +/- 6.1% Christophe Ochando

47. Résultats • Bon accord données/bruit de fond. Pas de déviation observée. • Détermination de limites sur (Higgs)*BR(H->bb) basée sur la sortie de l’AD. • Méthode statistique : CLs (fréquentiste modifiée) Limites exprimées suivant le rapport : Prédiction du Modèle Standard • Pour une masse de 115 GeV, la limite est un facteur 7.5 plus grande que la section efficace prédite par le Modèle Standard… • Résultat le plus sensible pour un Higgs de basse masse à DØ Christophe Ochando

48. Combinaison du TeVatron (1) • Augmentation de la sensibilité globale au boson de Higgs : • Combinaison de tous les canaux • Combinaison des deux expériences : DØ et CDF. • Dernière combinaison complète réalisée au printemps 2008 • Analyses avec 1.0 – 2.4 fb-1. Rapport R Pour mH=115 GeV, Rattendu (resp. Robservé) = 3.3 (resp. 3.7) Pour mH=160 GeV, Rattendu (resp. Robservé) = 1.6 (resp. 1.1) Christophe Ochando

49. Combinaison du TeVatron (2) • Eté 2008 : combinaison des canaux sensibles aux hautes masses uniquement. • Combinaison DØ+CDF • Analyses avec 3 fb-1 Exclusion d’un boson de Higgs avec mH=170 GeV Premiere fois depuis le LEP qu'un accélérateur apporte une information directe sur la masse du boson de Higgs Christophe Ochando

50. Conclusion • Une méthode a été développée pour corriger de façon cohérente les différences entre les données et la simulation pour : • L’échelle d’énergie des jets, • La résolution en énergie des jets, • L’efficacité de reconstruction des jets. • Elle est utilisée de manière standard dans la chaîne d’analyse de DØ. • Une procédure a été mise en place pour corriger différemment les jets issus de quarks et les jets issus de gluons. • Le Niveau 3 des conditions de déclenchement pour les topologies jets+MET pour le Run IIb a été optimisé. • Augmentation de 3% sur l’efficacité de signal, • Tout en réduisant les taux d’un facteur 2. • Un outil a été développé pour simuler la réponse du système de déclenchement. • Recherche du boson de Higgs dans le canal ZHbb avec 2.1 fb-1 • Pas de déviation par rapport aux prédictions du Modèle Standard. • Limites : pour mH=115 GeV, R(exclu/SM) = 7.5. • Limite combinée : R(exclu/SM) =3.7 Christophe Ochando