Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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!
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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 2.425 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
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 5/27 SM érzékenysége Higgs tömegre (27) LEP: M H > 4.4 GeV SM fitt (mind): M H = 76 +33 24 GeV NuTeV-mérés eltér többitől 4.4 < M H < 82 GeV (95% CL) χ 2 http://lepewwg.web.cern.ch/lepewwg/ 6 5 4 3 2 Theory uncertainty α had = α (5).2758±.35.2749±.2 incl. low Q 2 data Excluded Preliminary 3 3 m H [GeV] m Limit = 44 GeV
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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 )
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 7/27 Töltött Higgs-bozon az LHC-nál M(H ± ) < 2 GeV: H ± τν dominál BR(H ± bc) függ tgβ-tól
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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)
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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 )
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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?
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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)
A CERN gyorsítói: múlt és jelen Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 2/27
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 3/27 A LEP gyorsító LEP = Large Electron Positron ütköztető Év E(e + e ), GeV Ldt/4, pb fő cél 989 94 9 4 Z 995 3 36 5 996 6 72 2 W + W 997 84 6 WW, ZZ 998 89 9 WW, ZZ 999 92 22 22 Higgs 2 24 29 22 Higgs Ldt: integrális luminozitás Detektorok: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL Magyar csoportok LEP nél: L3, OPAL (Budapest, Debrecen)
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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
e + e H + H qqqq: vágások 22/6/23 6.42 OPAL preliminary: H + H - qqqq, 26 GeV preselection Events / 2 GeV 2 8 6 4 2 (a) 5 5 2 s ' Events /.2 45 4 35 3 25 2 5 5 (b).5.5 E vis / s Events /. 25 2 5 5 (c) -5-4 -3-2 - log y 34 Events /.2 35 3 25 2 5 5 (d) 2.5 5 7.5 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, 28..3. p. 5/27
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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 6 4 2 4 2 5 5 OPAL preliminary: H + H - qqqq, 89-29 GeV.25.5.75 cos α min - -.5.5 cos θ thrust OPAL data 4-fermion 2-fermion signal*25 2 3 4 5 M min (GeV) Events / 5.33 GeV Events /.67 Events /.6 6 4 2 8 6 4 2 8 6 4 2 2 4 6 8 E max - E min (GeV) - -.5.5 Q di-jet cos θ di-jet - -8-6 -4-2 log ME(WW) 4C
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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 /.8 2 5 5 Events / 5.33 GeV 2 5 5 Events /.8 2 5 5 Events / 5.33 GeV 2.25.5.75 cos α min 2 4 6 8 E max - E min (GeV).25.5.75 cos α min 2 4 6 8 E max - E min (GeV) Events /.67 5 5 Events /.67 2 Events /.67 2 5 5 Events /.67 3 2 - -.5.5 cos θ thrust - -.5.5 Q di-jet cos θ di-jet - -.5.5 cos θ thrust - -.5.5 Q di-jet cos θ di-jet Events / 3.33 GeV 4 3 2 OPAL data 4-fermion 2-fermion signal*4 Events 2 5 5 Events / 3.33 GeV 4 2 OPAL data 4-fermion 2-fermion signal*25 Events 3 2 2 4 M min (GeV) - -8-6 -4-2 WW 4C matrix el. 2 3 4 5 M min (GeV) - -8-6 -4-2 WW 4C matrix el.
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 9/27 Interpoláció jelre OPAL Preliminary: H + H - qqqq, 89 GeV, LH>.45 22/5/23 9.22 OPAL Preliminary: H + H - qqqq, 26 GeV, LH>.45 2/7/5 9.57 Signal efficiency, % 55 52.5 5 Signal efficiency, % 6 55 47.5 5 45 42.5 45 4 37.5 35 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 32.5 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Test mass, GeV 5 6 7 8 9 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
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 2/27 e + e H + H qqqq: vágások hatása 2 es adatok, Ldt =27.4 pb, 26 GeV MC, s=24...29 GeV, M(H ± ) = 65 GeV Vágás adat háttér 4f qq(γ) H ± % Típus: Multihadron esemény 924 8997.7 43.6 446.5 99.8 Energia: s >.82 s; E vis >.7 s 658 6225.5 223.7 399.2 96.5 Felépítés: y 34 >.25; N ct 2582 259.9 79.6 728.6 89.9 Kinematikai illesztés: P χ 2(4C) > 5 ; P χ 2(5C) > 5 988 98,8 5.7 469.4 79.5 Alak: C paraméter >.45 728 727.6 462.6 265. 77.9 Minősítés: L jel >.45 223 27.2 8.2 37. 5.6 Jel/háttér M(H ± ) = 65 GeV re 37.8/(27 ± 2), 75 GeV re 23.5/(382 ± 2).
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 2/27 + H qqqq: LH és tömeg, 89-29 GeV OPAL Preliminary: H + H - qqqq, 89-29 GeV M(H ± ) = 6 GeV Events /.5 3 2 Signal* M H ± = 6 GeV.2.4.6.8 Likelihood Events / 2 GeV 9 8 7 6 5 4 3 2 M H ± = 6 GeV OPAL data (595) 4-fermion 2-fermion Signal (6 GeV) SM bgr = 587. Signal = 24.6 6 8 Reconstructed mass (GeV) M(H ± ) = 75 GeV Events /.5 2 Signal* M H ± = 75 GeV.2.4.6.8 Likelihood Events / 2 GeV 4 2 8 6 4 2 M H ± = 75 GeV Data = SM bgr = 7.8 Signal = 62. 6 8 Reconstructed mass (GeV)
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 22/27 + H qqqq: tömegfüggés, 89 29 GeV OPAL Preliminary: H + H - qqqq, 89-29 GeV Events 4 2 OPAL data 4-fermion 2-fermion signal 8 6 4 2 5 6 7 8 9 Charged Higgs mass (GeV)
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 23/27 + H qqτν: LH és tömeg, 89-29 GeV OPAL Preliminary: H + H - qqτν, 89-29 GeV M(H ± ) = 6 GeV Events /.5 3 2 Signal* M H ± = 6 GeV.2.4.6.8 Likelihood Events / 2 GeV 4 35 3 25 2 5 5 OPAL data (66) 4-fermion 2-fermion M ± H = 6 GeV Signal SM bgr = 63. Signal = 59.8 6 8 Charged Higgs mass (GeV) M(H ± ) = 75 GeV Events /.5 3 2 Signal* M H ± = 75 GeV Events / 2 GeV 7 6 5 4 3 2 Data = 35 SM bgr = 35. Signal = 23.6 M H ± = 75 GeV.2.4.6.8 Likelihood 6 8 Charged Higgs mass (GeV)
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 24/27 + H qqτν: tömegfüggés, 89 29 GeV OPAL Preliminary: H + H - qqτν, 89-29 GeV Events 5 4 OPAL data 4-fermion 2-fermion signal 3 2 5 6 7 8 9 Charged Higgs mass (GeV)
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 25/27 + e H + H : háttér-interpretáció (22) -CL b - -CL b - -2-2 -CL b -3-4 - τντν, Br(τν)=. Observed Exp. for s+b σ band 2σ band 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs boson mass (GeV) -CL b -3-4 - qqτν, Br(τν)=.5 Observed Exp. for s+b σ band 2σ band 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs boson mass (GeV) -2-2 -3-4 qqqq, Br(τν)=. Observed Exp. for s+b σ band 2σ band 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs boson mass (GeV) -3-4 Combined, Br(τν)=.5 Observed Exp. for s+b σ band 2σ band 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs boson mass (GeV)
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. p. 26/27 e + e H + H : jel + háttér (22) CL s - CL s - -2-2 CL s -3-4 -5 - τντν, Br(τν)=. Observed Expected σ band 2σ band 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs boson mass (GeV) CL s -3-4 -5 - qqτν, Br(τν)=.5 Observed Expected σ band 2σ band 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs boson mass (GeV) -2-2 -3-4 -5 qqqq, Br(τν)=. Observed Expected σ band 2σ band 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs boson mass (GeV) -3-4 -5 Combined, Br(τν)=.5 Observed Expected σ band 2σ band 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs boson mass (GeV)
Horváth Dezső: Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben, RMKI-ATOMKI-CERN, 28..3. 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).9.8.7.6.5.4.3.2. τντν qqτν qqqq Combined Expected 5 55 6 65 7 75 8 85 9 95 Charged Higgs mass (GeV)