Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben

Átírás

1 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. /27 Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben Budapest-Debrecen-CERN szeminárium, 28. okt. 3. Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen

2 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 2/27 Vázlat Higgs-bozonok Az OPAL-detektor e + e H + H qqqq Elővágások Likelihood-optimalizálás Tömegfüggő analízis e + e H + H qqτν Kombináció, kizárás

3 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 3/27 A SM Higgs bozonja A Standard Modell Higgs mechanizmusa komplex dublett tér 4 szab. fok 3 tömeg (W ±, Z) + H V min at φ = v 246 GeV = vákuum-beli várható érték Spin nélküli, semleges, nehéz részecske Renormálás skalár részecskéje, kvantumszámok nélkül ( v ) Létezik? SM: muszáj!

4 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 4/27 A SM Higgs bozonja A SM megadja a keletkezési és bomlási valószínűségeit. Minden tömegfüggő, pl. fermion párra bomlásé Γ(H ff) = N cg 2 m 2 f β 3 m 32πm 2 H W N c színek száma (leptonok: ; kvarkok: 3) g SU(2) csatolási állandó β 2 = 4 m2 f m 2 H fermion sebesség. Tömeget a SM nem jósol, csak limitál: 3 GeV < m H < 5 GeV (unitaritás) Ha a SM perturbatív E GUT = 6 GeV-ig: 3 GeV < m H < 9 GeV

5 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 5/27 SM érzékenysége Higgs tömegre (27) LEP: M H > 4.4 GeV SM fitt (mind): M H = GeV NuTeV-mérés eltér többitől 4.4 < M H < 82 GeV (95% CL) χ Theory uncertainty α had = α (5).2758± ±.2 incl. low Q 2 data Excluded Preliminary 3 3 m H [GeV] m Limit = 44 GeV

6 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 6/27 Két Higgs dublett 5 Higgs bozon 2 Higgs dublett 8 szabadsági fok 3 tömeg W ±, Z + 5 Higgs bozon h, H, H ±, A V min at φ = ( v ) ; φ 2 = ( v 2 e iξ φ a felső, φ 2 az alsó fermionokhoz csatol v 2 + v2 2 = 2m2 W g 2 ) kulcsparaméter: tan β = v /v 2 h SM Higgs; m(h ) << m(h )

7 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 7/27 Töltött Higgs-bozon az LHC-nál M(H ± ) < 2 GeV: H ± τν dominál BR(H ± bc) függ tgβ-tól

8 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 8/27 Töltött Higgs bozon a LEP-nél LEP: keltés párban (ha egyáltalán): Bomlás nehéz fermionra: e + e H + H H + {qq ( cs) Három csatorna három analízis: τ + ν τ τ ν τ (leptonos : Manchester) e + e H + H τ + ν τ cs + τ ν τ cs (vegyes : Hajdu Csab cscs (hadronos : HD) e + e H + H AW : (Peter Bock, Heidelberg) Összesítés: (Pásztor Gabriella)

9 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 9/27 Higgs-bozonok keresése Monte Carlo szimulációval teljes SM háttér: SM eseménytípusok, folyamatonként hatáskeresztmetszettel súlyozva. Higgs jel: összes lehetséges folyamatra és Higgs tömegre Mindez átengedve a detektor szimuláción. Optimális válogatás: háttér = min, jel = max. Adott luminozitásnál várható eseményszám jelre és háttérre különböző feltételek mellett. SM háttér kísérlet? (igen / nem )

10 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. /27 A Higgs-bozonok keresése Mennyire jelszerű a mérés? Kísérleti eseményekhez MC alapján valószínűség: mennyire jel vagy háttér. Összegezés: kísérlet egésze mennyire jel vagy háttér. Így a különböző kísérletek eredménye kombinálható. Sok kandidátus esemény jelszerű; kevesebb háttérszerű. És ha kevesebb, mint a várt háttér? És ha több, mint a várt háttér + jel?

11 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. /27 Felfedezés vagy kizárás? Likelihood: Mennyire jelszerű, amit látunk L = P Poisson(kis j + h) P Poisson (kis h) j = jel, h = háttér Konfidencia: Milyen határok közé esik Ha van jel: L exp L > 5σ CL j+h = P(L L exp j+h) felfedeztük. CL h = P(L L exp h) CL jel = CL j+h /CL h Ha nincs jel: CL h > 95% kizártuk. Teszt változó: 2 ln Q Q = L(j + h)/l(h)

12 A CERN gyorsítói: múlt és jelen Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 2/27

13 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 3/27 A LEP gyorsító LEP = Large Electron Positron ütköztető Év E(e + e ), GeV Ldt/4, pb fő cél Z W + W WW, ZZ WW, ZZ Higgs Higgs Ldt: integrális luminozitás Detektorok: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL Magyar csoportok LEP nél: L3, OPAL (Budapest, Debrecen)

14 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 4/27 A néhai OPAL kaloriméter Hadronkaloriméterek és visszatérítõ mágnes Elektromágneses kaloriméterek Müondetektorok LEPesemények: Jetkamrák e + e Z... Vertexdetektor Mikrovertexdetektor pontszerű leptonok ütközése y tiszta folyamatok z θ ϕ x Elõremeneti detektor Elõmintavevõ Szilícium-wolfram luminozitásmérõ Repülési idõ számláló Szolenoid és nagynyomású tartály Z-kamrák A tradicionális LEP-detektor

15 e + e H + H qqqq: vágások 22/6/ OPAL preliminary: H + H - qqqq, 26 GeV preselection Events / 2 GeV (a) s ' Events / (b).5.5 E vis / s Events / (c) log y 34 Events / (d) Tracks per jet Szimuláció adat Sárga jel marad, háttér megy s : E CM izolált foton nélkül E vis / s: E CM látható része y 34 : 3 4 jet Domináns háttér: e + e W + W qqqq Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 5/27

16 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 6/27 Likelihood-változók α min : min. jet-jet szög E min E max : min, max. jet-energia Θ thrust : döfet-tengely polárszöge Q di jet, Θ di jet : két-jet töltés és szög M min : minim. jet-jet tömegkülönbség 4C-fittel kapott WW-mátrixelem (Excalibur) valószínűsége Jel: M(H ± ) = 75 GeV ( határeset) Events /.8 Events /.67 Events / 3.33 GeV OPAL preliminary: H + H - qqqq, GeV cos α min cos θ thrust OPAL data 4-fermion 2-fermion signal* M min (GeV) Events / 5.33 GeV Events /.67 Events / E max - E min (GeV) Q di-jet cos θ di-jet log ME(WW) 4C

17 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 7/27 Likelihood-változók: energiafüggés OPAL preliminary: H + H - qqqq, 89 GeV OPAL preliminary: H + H - 22/6/2 7.2 qqqq, 26 GeV, ref hists Events / Events / 5.33 GeV Events / Events / 5.33 GeV cos α min E max - E min (GeV) cos α min E max - E min (GeV) Events / Events /.67 2 Events / Events / cos θ thrust Q di-jet cos θ di-jet cos θ thrust Q di-jet cos θ di-jet Events / 3.33 GeV OPAL data 4-fermion 2-fermion signal*4 Events Events / 3.33 GeV 4 2 OPAL data 4-fermion 2-fermion signal*25 Events M min (GeV) WW 4C matrix el M min (GeV) WW 4C matrix el.

18 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 8/27 Tömegfüggő analízis LH-módszer eredménye függ a szimulált Higgs-tömegtől Feltételezünk egy Higgs-tömeget, beállítjuk a jel-referenciát, azzal megyünk végig a MC-n és adaton Eredmény: tömegfüggő jel- és háttérszimuláció és adatválogatás Közbenső tömegekre interpoláció

19 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 9/27 Interpoláció jelre OPAL Preliminary: H + H - qqqq, 89 GeV, LH>.45 22/5/ OPAL Preliminary: H + H - qqqq, 26 GeV, LH>.45 2/7/ Signal efficiency, % Signal efficiency, % Test mass Test mass-2.5 GeV Test mass+2.5 GeV 4 35 Test mass Test mass-2.5 GeV Test mass+2.5 GeV Test mass, GeV Test mass, GeV E CM = 89 GeV E CM = 26 GeV Jel-események kiválogatási hatásfoka a Higgs-tömeg függvényében, az adott tömeget és ±2, 5 GeV-et feltételezve

20 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 2/27 e + e H + H qqqq: vágások hatása 2 es adatok, Ldt =27.4 pb, 26 GeV MC, s= GeV, M(H ± ) = 65 GeV Vágás adat háttér 4f qq(γ) H ± % Típus: Multihadron esemény Energia: s >.82 s; E vis >.7 s Felépítés: y 34 >.25; N ct Kinematikai illesztés: P χ 2(4C) > 5 ; P χ 2(5C) > , Alak: C paraméter > Minősítés: L jel > Jel/háttér M(H ± ) = 65 GeV re 37.8/(27 ± 2), 75 GeV re 23.5/(382 ± 2).

21 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 2/27 + H qqqq: LH és tömeg, GeV OPAL Preliminary: H + H - qqqq, GeV M(H ± ) = 6 GeV Events / Signal* M H ± = 6 GeV Likelihood Events / 2 GeV M H ± = 6 GeV OPAL data (595) 4-fermion 2-fermion Signal (6 GeV) SM bgr = 587. Signal = Reconstructed mass (GeV) M(H ± ) = 75 GeV Events /.5 2 Signal* M H ± = 75 GeV Likelihood Events / 2 GeV M H ± = 75 GeV Data = SM bgr = 7.8 Signal = Reconstructed mass (GeV)

22 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 22/27 + H qqqq: tömegfüggés, GeV OPAL Preliminary: H + H - qqqq, GeV Events 4 2 OPAL data 4-fermion 2-fermion signal Charged Higgs mass (GeV)

23 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 23/27 + H qqτν: LH és tömeg, GeV OPAL Preliminary: H + H - qqτν, GeV M(H ± ) = 6 GeV Events / Signal* M H ± = 6 GeV Likelihood Events / 2 GeV OPAL data (66) 4-fermion 2-fermion M ± H = 6 GeV Signal SM bgr = 63. Signal = Charged Higgs mass (GeV) M(H ± ) = 75 GeV Events / Signal* M H ± = 75 GeV Events / 2 GeV Data = 35 SM bgr = 35. Signal = 23.6 M H ± = 75 GeV Likelihood 6 8 Charged Higgs mass (GeV)

24 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 24/27 + H qqτν: tömegfüggés, GeV OPAL Preliminary: H + H - qqτν, GeV Events 5 4 OPAL data 4-fermion 2-fermion signal Charged Higgs mass (GeV)

25 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 25/27 + e H + H : háttér-interpretáció (22) -CL b - -CL b CL b τντν, Br(τν)=. Observed Exp. for s+b σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) -CL b qqτν, Br(τν)=.5 Observed Exp. for s+b σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) qqqq, Br(τν)=. Observed Exp. for s+b σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) -3-4 Combined, Br(τν)=.5 Observed Exp. for s+b σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV)

26 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 26/27 e + e H + H : jel + háttér (22) CL s - CL s CL s τντν, Br(τν)=. Observed Expected σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) CL s qqτν, Br(τν)=.5 Observed Expected σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) qqqq, Br(τν)=. Observed Expected σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) Combined, Br(τν)=.5 Observed Expected σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV)

27 Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, p. 27/27 e + e H + H : kizárás (22) Kizárás a tömeg elágazási arány síkon (95% CL mellett). Várt limit a kombinált esetre: 75, 5 GeV Br(τν) τντν qqτν qqqq Combined Expected Charged Higgs mass (GeV)