H->γγJunichi TANAKAICEPP, Univ. of TOKYO

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大1

Outline• Introduction– SM Higgs@LHC (スキップする)– What is CSC Project and CSC note?

• H->γγ– (Long) summary of recent results• Details for H->γγ analysis––––Trigger
Photon reconstruction and calibration
Conversion
Photon identification and fake rate

• Other topics of H->γγ– Other channels in SM– In MSSM

• まとめと予定
28 March, 2008

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Introduction ofSM Higgs @ LHC

28 March, 2008

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Higgs• 標準理論で唯一未発見の粒子– 質量の起源• ヒッグスとその他の粒子との結合– さまざまな生成、崩壊パターンが観測されればラッキー生成パターン

Higgs

崩壊パターン「“生成パターン” x “崩壊パターン”」 x “解析手法” 程度の数の研究

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

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LHCにおけるSM Higgsの生成
Gluon Fusion

Excluded by LEP

Vector Boson Fusion (VBF)

Associated WH, ZH

Associated ttH, bbH

28 March, 2008

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Production of SM Higgs
Excluded by LEP

Gluon Fusion (GF)••

Vector Boson Fusion (VBF)GF is the dominant production process in LHC.
– No other signature to separate signal from backgrounds.
VBF is the 2nd one in LHC.
– Two forward jets can be observed.
– No color flow between 2 initial quarks. Activity in the central region is less thanother processes. -> Central jet veto etc.

28 March, 2008

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LEPEWWG Summer2003

SM Higgsの崩壊
Branching ratios

114.4 < mH < 193 GeV/c2 @95% C.L.

bb, ττ, γγ, WW, ZZが重要。

標準理論が予言する場所にあれば非常に面白い。（特に150GeV以下）-> 様々な崩壊モードがあるため、結合定数が測定可能。
28 March, 2008

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Introduction ofCSC project andCSC note

28 March, 2008

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CSC Project & Note
• CSC = Computing system commissioning– ATLASのコンピューティングシステムの大規模テスト– 大量にMCデータを生成するので、これを使って各物理グループは主要なモードを解析して、成果をノート(CSC note)にまとめることになった。
• 2006年夏から開始。
• すでに1.5年の月日が経過。
– 後々、この“ネーミング”が問題となる。。。(FDR-xも同じでしょう。。。)• Higgsグループでは10個のサブグループを作って、このプロジェクトに参加。
• 予定– 今月末までに各サブグループは30ページほどのノートを仕上げる。
• あと数日。。。
– トピックスを限定して、CSC Bookという形でPublicationにする予定。(夏まで？)

28 March, 2008

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Higgs WG group for CSC• 10 sub-groups

28 March, 2008

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Introduction of H->γγ
最近の結果(not fixed)

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H->γγ•Inclusive searchは王道 (主にgg->H->γγ)– おそらく最も単純なイベントセレクション！！！2つの(Triggered)PHOTON– 非常に大きなBG -> S/B ~ 3%、それでも観測可能-> ATLAS/CMSともにエネルギー分解能(+角度)が良いため、するどいピークを作る。
H→γγ (inc)

ATLASPreliminary
30fb-1

CMS(signal x 10)
1fb-1

Mass resolution ~ 1.4GeV•

バックグラウンドの大きさはデータそのもののSidebandから評価できる。
– ただし、各成分についての理解も重要。
-> Fake photonからの寄与の評価方法の確立
28 March, 2008

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H->γγ of VBF process• Inclusive searchは主にgluon fusion productionからのγγを捕まえる。そのため、S/Bは悪い。
• バックグラウンドを抑えるために、VBF productionの特徴を生かした解析も行われている。
– VBFプロセス全般に行われている一般的なイベントセレクションを行う。
-> 詳しくは津野さんのトーク• 2つのhigh Pt forward jetを要求• 3rdジェットが中央にない、という条件を要求(Central jet veto)

Rapidity gapφ
η
28 March, 2008

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H->γγ with H+1jet method• 前述した2つの主要チャンネルの解析からの漏れを利用する解析手法* アイデア[1] Gluon fusionに余分なジェットがくっつく場合[2] VBFで1つのforward jetがアクセプタンス外にいく場合– 注意：正確にはinclusive searchではジェットに条件を要求しないので本来すべてをカバーする。(photonのPt等条件が同じなら)* イベントセレクション– “gam+gam+jet”の質量をカットに使う。
– バックグラウンドを比較的抑えることができる。

28 March, 2008

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Event Selection of 3 Analysis Methods
Inclusive analysis
A

Pt(γ1) > 40GeV, Pt(γ2) > 25GeV (inclusive)

VBF analysis
A

Pt(γ1) > 50GeV, Pt(γ2) > 25GeV (inclusive)B

Pt(j1) > 40GeV, Pt(j2) > 20GeV, Δη(j1j2)>3.6, η(j1) *η(j2)<0C

Photons in between tagging jets

DM(j1j2) > 500GeV

E

Central jet veto : Pt(j)>20GeV, |η(j)|<3.2

H+1jet analysis
APt(γ1) > 45GeV, Pt(γ2) > 25GeV (inclusive)B

Pt(j1) > 20GeV, η(j1)<5.0

CM(Hj) > 350GeV

28 March, 2008

- Leading gammaのPtカットが異なる。
- 何も考慮しなければ、選択したイベントにはオーバーラップがある。

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Pt of Truth γ from Higgs

Why do we use different Pt cut on leading gamma?
Leading
VBF process

GF process

28 March, 2008

Sub-Leading<Pt>=92GeV<Pt>=42GeV<Pt>=64GeV<Pt>=42GeV

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Preliminary Results

図は30fb-1!!!

Inclusive analysis

H+1jet analysis

VBF analysis• トリガー(2g20i,後述)を入れた結果– 結果的にBGを抑えてしまった。

• オーバーラップは解いていない

28 March, 2008

IncH+1VBF

Signal(fb)

24.61

4.04

0.75

BG(fb)

918.3

47.59

1.96

(irred BG)

536.7

27.13

0.86

S/B

0.027

0.085

0.38

2.6

1.9

1.7
17S/√B (10fb )研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大-1

• Combined fitを行う場合、VBF,H+1, inclusiveの順にオーバーラップを解く。
• Higgs候補を区分分けしてFitする。
M(γγ)のresolutionが異なることを考慮するため。
– GamGamの測定場所(barrel orendcap, opening angle)– Converted or not.

• M(γγ)のみならず、Pt(γγ), cosθ*等を使う。
– 反対意見あり。

• FitするときにHiggs massをfloatさせると約1ほどSignificanceが下がる。
数字がまだ更新されていません。
28 March, 2008

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Details••••

Trigger
Photon reconstruction and calibration
Conversion
Photon identification and fake rate

28 March, 2008

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Trigger• 1033のときのGamma用のトリガーとしては、– 2g20i = “Isolatedされた2つのphoton(pt>20GeV)を要求”– g60 = “1つのphoton(pt>60GeV)を要求”
が提案されている。名前は変わらないがトリガー条件自体は適宜変更されている。
このほか、1032用として、– 2g20 = “2つのphoton(pt>20GeV)を要求”
もテストされている。
これらはもちろん「prescaleなし(1)」です。

• 実際、データを取り始めないと最終的な条件は分からない。

28 March, 2008

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Trigger menu for 1033 H->γγ• 2g20i– start from “2 isolated EM clusters” = L1_2EM15I• L1_2EM15I– EM cluster’s Et > 11GeV– Isolation (not used in 2g20)» EM ring isol <= 3GeV
» Had isol <= 2GeV
» Had ring isol <= 2GeV

• g60
– start from 1 EM cluster = L1_EM60• EM cluster’s Et > 50GeV• 2g20 is proposed for 1032.
– start from “2 EM clusters” (EM cluster’s Et > 18GeV)– 472Hz@L1 (rates of L2,EF are not available yet.)
28 March, 2008

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L1 Trigger• ATLASのトリガーはL1, L2 and EFからなる。
– L2とEFはソフトウェア(Farm PCs)

• L1 for gamma– 4x4 towers are used. (ΔηxΔφ=0.4x0.4)– For Et threshold• The most energetic of the 4 “2-tower EM clusters”– EM/HAD ring isolation• Outer ring of EM (12 EM towers)– HAD (core) isolation• 2x2 HAD core cluster

28 March, 2008

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HLT (L2+EF)• L2– Energy and position is re-calculated (refined).
ηxφ=3x7 is used in the L1 ROI to calculate EM Et.
Δη/Δφ ~ 0.025– >16.8GeV (for 2g20i)• Hadronic Et is calculated from “0.2 x 0.2” of the 1st of HadCalo.
– <4.0GeV (for 2g20i)– “3x7”/”7x7” of the 2nd EMCalo is used.
• >0.84 (for 2g20i)– 1st of EMCalo (strip) is used to suppress π0.
• 立派な2nd maximumが存在しない。

• EF– 基本的にOfflineのPhoton IDと同じ変数を使う。(後述)

28 March, 2008

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Trigger Efficiency
若干古いですが、公式な値が？なので、これで。。。
• オフラインの解析に対するTrigger性能を見たいので、オフラインで2つのgammaを選択したイベントに対するeffを評価する。
eff = the number of triggered event / the number of interestedevent• Events with the following rec/id-gamma objects– selection criteria on the offline analysis• rec/id-gamma == “IsEM=0 and no matched track”• Et>25-50GeV (normally 40,45 and 50GeV are used) and Et>25GeVwith |eta|<2.5 except for a crack (1.37-1.52).

• 2g20iとg60の結果(次ページ)

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

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VBF process• 2g20iのみで約96.5%。
• g60を入れれば、99%以上。
– VBF解析では入れても問題ないが、まだ十分に研究されていない。
-> 次ページの懸念事項

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大25

GF process

28 March, 2008•

2g20iで約97.5%。

•少なくともinclusive searchではm(γγ)のshapeに対するバイアスが2g20iとg60で異なることを懸念して、両方使う予定はない。

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

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Photon rec & calibration• Offline解析のためのPhoton reconstruction– Sliding window (5x5)というアルゴリズムを用いて、クラスターを見つける。
• 最終的に、サイズの異なる3種類のクラスター(3x7, 3x5 and 5x5)ができる。
3x5(Barrel, un-converted)
3x7(Barrel, converted)
5x5(Endcap)• Energy calibration– PhotonのEnergy calibrationはMCに依存する度合いが大きい。
π0->γγは使えない。
– Ptがそこそこ大きくなると(実際の解析ではPt>25GeVのPhotonを使う)、opening angleが小さくなりsingle gammaとして再構成できない。
• 最終的な確認にはZ->eeγを使う計画もある。
• 本筋は、EM calorimeter energy calibrationはZ->eeを使ってelectronで評価する。Electronとgammaの差についてはMCを使う。
– MCでのenergy calibarationはsingle electronとsingle photonをそれぞれ使って、constantを決定している。
28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大27Calibration 1/2––––c(η) … offset
w0(η) … EMの前にある物質に対する補正
w3(η) … leakageに対する補正
s(η) … overall

E=100GeV(including conversion)
28 March, 2008

1.5%@E~100GeV

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大28

Calibration 2/2• E=100GeVのPhotonのEnergy
resolution vs eta– いわゆる crack region が悪い。
->実際、1.37-1.52は解析で使っていない。

• Expected precision on the polar
angle of gammas from H->γγ– 50-75mrad / √Eγ(GeV)

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大29

Conversion
Very LateLate• Border : R=40cm, 80cm, Z=280cm-> 3 regions : Early, Late, Very Late
Early

Non converted

62.0%-Early

16.0%

42.1%

Late

10.9%

28.6%

Very Late

11.1%

29.3%

Pt(truth)>20GeV, |eta(truth)|<2.5 (w/o 1.37-1.52)“Un-converted” pairはたった約40%!!!
28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大30

Radiation Length before EM• ID(Inner Detector=Pixel, SCTand TRT)までで0.5-2.5X0の物質がある。
• Magnetを考えるとさらにプラス約1X0。。。
• Conversionしたかどうか判断できるのはTracking可能なTRTまで。
– ATLASではTRT only、あるいは、TRTベースのTrackingは開発・テスト段階。したがって、現段階ではLate conversionを識別することはできない。

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

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Conversion Recovery• 2種類: Double track conversion & Single track conversion• Double track conversionは2つのreconstructed trackを使ってconvertedphotonを再構成すること。
– Effは約42%だが、もともと再構成された2本のトラックがないことがineffの原因。

• Single track conversionは2つのうち1つだけが再構成された場合を想定したアルゴリズム;
EM clusterとassociateするが、B-layer(Pixel1層目)にヒットがないことを要求する。
比較的Conversion radiusが大きいところまで有効。(eff~25%)• 1つのEM Clusterに複数のrecovered conversionが対応した場合、半径の小さい方を採用する。
28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大32

Conversion• Conversion radiusのresolution– Double track conversion• ~56mm– Single track conversion• ~113mm
Primary vertexを向く方向までトラックを戻して、conversionの位置を決める。

• 再構成されたConversion radiusは外側にbiasされている。
– Opening angleがゼロのため、このようなvertex fitはかなり厳しい。

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

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Photon ID• CalorimeterのShower Shapeがベース。これにTrack baseのisolationを加えて最終的な”IDed photon”を選択する。
– トリガーのEFでも同じShower Shape変数を利用している。

• Shower shape変数 … 合計9変数– Hadron leakage … 後ろ側への漏れ, 1変数– 2nd layer of EM (bulk) … 集中度, 3変数• 3x7/7x7, 3x3/3x7 (後者はゆるめ for conversion)• Eta方向のwidth– 1st layer of EM (strip layer) … 細かいeta(~0.003)を利用してπ0->γγの分離と2nd layerと同様に集中度 … 5変数• 2nd maiximumなstripを探して、そのエネルギーが大きいとreject。
• Eta方向のwitdh

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大34

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大-> next page35

Hadron leakage

Energy fraction,
3x7 / 7x7

Width
2nd maximumの相対的な量

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大36

Photon ID• 9変数を使ったCutベースが標準的なID方法。Un-converted/convert photon共に同じ変数、カットを利用している。
• H->γγ(gf+VBF)のγを利用してeffを算出。Pt>25GeVのPhoton対して約84%。
• 同様の変数+αを用いたLikelihoodもあり。
28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大37

Track isolation & Fake rate
• Track isolation– Calorimeter isolationが不人気(いろいろあったが、それ以前に。。。)– 簡単にいえば、「Cluster中心からΔR<0.3にあるPt>1GeVのreconstructed tracksのPtの和が4GeV以下になるべし」、という条件• 実際はconversionはずし等を行っている。
– Signalに対してはeff=98%。Fakeは以下の表。

• Fake rate or reject– ジェットがphotonと誤認識される割合。たとえば、Reject=100はfake rate=0.01(逆数)と同じで、100ジェットあれば1ジェットはPhotonとIDされる性能を示す。
– ジェットの起源がquarkかgluonかで結果が約10倍異なる。

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大38

Fragmentationの効果• BLUE points (= fake rate) (赤は無視してください。)– 同じDijetでもPYTHIAとHERWIGでFake rateの結果が有意に異なる。

• This is a result from quark-origin jet.
PYTHIA Dijet– PYTHIA Dijet : ~5 x 10-4
– HEWEIG Dijet : ~2 x 10-3
（前ページの結果はPY.）
28 March, 2008HERWIG Dijet

Fake rateにはかなりのsystematicsがある。
-> データで評価する必要がある。

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

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Fake rate from the data (1)• 実データでFake rateを評価する方法を2つほど紹介する。
– 実際、”これ！”といったものがない。そもそもfake rateが10-3以下になることもあって、数値的に実証するまでに至っていないのが現実。

[提案１]
••

•

Photon IDをtightにすると、Fakephotonがほとんどなくなる。
右図でPhoton efficiencyを1->0となる
ように条件を厳しくすると、Fake photonの存在がなくなると黒線と赤線がほぼ重なる。(理想的には完全に。)(提案グ
ループもeff->0.4,0.3..とすればほぼそうなると言っているが…)
また、実データで赤線が測定量。黒線は定数とすれば、上記の極限で求めることができる。したがって、青線を得ることができる。
28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大40

Fake rate from the data (2)[提案２] conversionを利用•IDされたconversionの中でphotonからのconversionか、それともjetからのconversionか、その混合比を出す。この比からPhoton全体でのFake rateを算出する。(アイデアの段階)•

右図はTrack PtとCluster Ptの比の分布。
– Photonからのconversionの場合、1に近い。
– Jetからのconversionの場合、0.5付近。

•

この２つの分布を測定した分布にフィットすることで、混合比を算出する。

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大41

Other modes in SM
Basically, the target luminosity of these analysis is 100fb-1 or more.
• Analysis for WH->lνγγ– Topology = 2 photons, missing Et and one lepton• 2 photons: >60GeV and >25GeV• Missing Et > 20GeV• Lepton pt > 20GeV• Analysis for ZH->ννγγ– Topology = 2 photons and missing Et• 2 photons: >60GeV and >25GeV• Missing Et > 65GeV• Use only non-converted gamma (to suppress Wγ->eνγ)• Analysis for ttH->γγ– Topology = 2photons + multijets• >= 4jets for semi-leptonic and >=6 jets for hadronic channels.

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

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MSSM
• MSSM HiggsセクターはTree levelでMAとtanβで記述できる。
– Msusy = 1TeVを仮定する。
• この場合、SUSY粒子がMSSM Higgsの崩壊に現れない。
– tanβが大きい場合、MAが大きくなるに従って、• mh ~ 130GeV• mH ~ mA• MSSM h ~ SM Higgs

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

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MSSM
• h/H/A->γγ– 一般に”x-sec x BR”はSMと比較して小さくなる。
– SM (mh=120GeV) の場合、σ(gluon fusion) ~ 36pb
σ(VBF) ~ 4.5pb• BR(H->gg) ~ 0.0022

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

CMS Physics TDRより
tanβ=3044

tanβ=3• MSSMでも120GeV(前)後がベスト。
– CMS result : mA>250GeV
つまり、mh ~ 120GeV• ATLAS TDRにはA->γγの結果もあるが、100fb-1以上のデータが必要。
– High Pt gammaを要求(125GeV)
28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

45まとめと予定[まとめ]• 1年半の月日を経てようやくCSC noteが完成する。
• Inclusive searchが中心であるが、VBFやH+1jetも積極的に利用されるようになった。
• 10fb-1で4 sigma程度は達成可能。(conservative)– Mass resolutionは~1.2%程度。

[予定]• Triggerが最終結果に与える影響についての詳細な研究が必要。
– Isolationの再検討• データからfake rateを算出する方法の確立。
– Fragmentationのsystematic study• CSC noteには間に合わかなったが、TRTベースのTracking(Back tracking)によるConversion recoveryの評価、Late conversion IDの性能評価。
• Pileupの効果の詳細研究。
• FW jet@VBF processの有効活用の研究。
28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大46

backup

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大47

Exclusive
dataVBF Cut(H+2jets)

yVBF
analysisnH+1jet Cut

yH+1jetanalysisyIncl.
analysisnIncl. Cut(H+0jet)n28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大48

Event Overlap (古い結果ですが。)• We used all the events, which passes the cuts of VBF or H+1 to
make the following figures.

VBF by Pythia62

GF by MC@NLO
3%

7%

8%

36%
56%
90%

Overlap ~ 36%
28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大Overlap ~ 7%49

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大50

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大51

ID位置情報(これまた若干古いですが基本は同じ。)•

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Atlas/InDetTrackingGeometry– DC2 layout•

Radius seen at geometry database– beampipe 3.46cm– Pixel 5.05, 8.85, 12.25 cm– SCT 29.95, 37.1, 44.4, 51.4cm
28 March, 2008

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