実験サマリー ヒッグス探索（SM Higgs）
田中純一 (ICEPP東大)2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

1

内容
•

イントロダクション– LHCにおけるヒッグス粒子生成と崩壊過程のまとめ•発見能力とExclusionのまとめ– LHCとTevatron•

各論–––––••

Luminosity & Pileup
H->WWH->γγH->ττH->ZZ

気になることまとめ

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

2

イントロ

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大3

ヒッグス粒子•••

ゲージ対称性を破る質量項は駄目(繰り込めなくなって予言能力がなくなる)。
一方で、80.4GeV、91.2GeVの質量をもつW、Zゲージ粒子を観測。
スカラー場を導入して自発的対称性の破れでゲージ粒子に質量を与える。
=>ヒッグス機構=>残った質量のあるスカラー粒子がヒッグス粒子である。
同様にフェルミオンにも質量を与えている。
質量の起源であるヒッグス粒子は未発見である。

•LHCでの研究課題•– まずは発見！=> このトーク– 無事発見できたら、その粒子の性質の測定
1. 質量
2. 湯川結合 => 山村君のトーク
3. スピン、CPなどなど

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

4

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

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大5

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.

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

6

LEPEWWG 2009 winter

SM Higgsの崩壊
Branching ratios

mH=90(+36-27)GeV
mH < 163 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。
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

7

発見能力とExclusion2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

8

LHCの発見能力
γγZZWW•

5fb-1あれば軽いヒッグス以外は発見可能。
– 130GeV以下は10-30fb-1のデータが必要。

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大9

Exclusion at Tevatron160-170GeVはテバトロンによりexcludeされた。
Exclusionに関してはテバトロンを無視できない。
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

10

各論

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大11

Luminosity & Pileup[CSC Book]• 1033, bunch spacing=25ns– 2.3 collisions / one x-ing•

2x1033, bunch spacing=25ns– 4.6 collisions / one x-ing[今考えているrunning condition]• 1032, bunch spacing=450ns– 4.1 collisions / one x-ing -> 無視できない。

•1032, bunch spacing=75ns– 0.69 collisions / one x-ing•1032, bunch spacing=50ns– 0.46 collisions / one x-ing•

実際にどれでlong run(up to 200-300pb-1)するかはまだ決定されていない。

2009-2010の実験データに向けて、10TeV, 200pb-1をターゲットに研究進めている。
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大12

14TeV -> 10TeV•••

W+ : 109nb -> 78nb (72%), W-: 80nb -> 55nb (69%), Z: 58nb->40nb (69%)
ttbar: 876pb -> 396pb (45%)
gg->H(120): 37pb -> 21pb (57%)
qq->qqH(120): 4.6pb -> 2.6pb (57%)
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大13

H->WW->lνlν(+no jet)
•軽いヒッグスにおいて最も感度のあるモード– 2lepの場合、ヒッグスを再構成できないためピークを観測することができない。
– ヒッグスの質量に相関のあるMTの分布においてヤコビアンピークを観測できる。

•

スピン相関を利用する。
– シグナルの場合、2lepが同じ方向に出やすい。

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大14

H->WW->lνlν+no jet•

l=electron およびmuon– CSC Bookではバックグラウンドの研究(low mass DY)が間に合わなかったためemuチェンネルのみ。

•トリガー– 主にsingle electron/muonを使う。
– emu/ee/mumuも利用する。

Fake次第(170)37%

33%36%(単位=fb)
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大15

H->WW->lνlν+no jet
Signal region•

Control region

Control regionは基本的にnormalizationを求めるために使う。
– WWは上記の分布から。
• 前提としてW+jetsのnormalizationが必要だが、これは”tight+loose”法で可能である。
(増渕君)– ただし、分布の形が同じではない。

•Shapeを(できる限り)データから求めることが今後の課題– MCによる補正が必要になる->どこまで理解できるか？
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大16

H->WW->lνlν(+no jet)
165GeV, 10TeV
no jet mode
alleμμμee
very preliminary••

10fb-1あれば130GeV以上は問題なし。(図はeμのみ)
eeはelecのefficiencyがmuonと比較して悪いこととW+jetsのBGが抑えられないためμμより悪い。
–•

詳細な研究が必要

200pb-1ではどうか？Do the best
–NS~10, NB~40 with 200pb-1 (165GeV, 10TeV)

Low mass Higgsの詳細な研究を開始しつつある。

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大17

H->γγ•200pb-1の物理？
– S=15fb, B=640fb at 10TeV -> NS~3, NB~130•

Additional jetの取り扱い等で3種類の解析方法がある。

– 単純に2つのphotonを要求する。(inclusive analysis)– 2jetを要求する。-> VBF processをtagするため。
– 1jetを要求する。
• GF+1 additional jet• VBFで1つのジェットがrecできない、あるいは、アクセプタンス外。

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大18

inclusiveH->γγ

mH=120GeV+1jet+2jets

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大19

H->γγ•hep0901.1887

トリガー関連の研究– データからのTrigger rateの見積もり• Pure photonを選びだせない。
– トリガーによるバイアス• トリガーのIsolation条件がイベントセレクションにバイアスをかける可能性がある。
– 実験初期はIsolationがないトリガーメニューを使う予定。g20_loose•

Photon fake rateの見積もり– データからphoton fake rateを算出する方法は数種類研究されている。
• 結果の取り扱いにおいては、データとMCの比較が中心である。
-> 直接H->γγの解析データに応用できるようにしたい。

••

Side band analysisの再チェック(CSC bookではまじめにやっていない)
Photon efficiencyの見積もり– Z->eeとMCによる補正から。
• Conversionが多いためカロリーメータ前の物質量をきちんと評価できるかが鍵。
– 約35%がconversionする。
– Z->μμγから直接求める。
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

20

H->γγvery preliminary•

10TeV, 10fb-1ならOK.
–•

BG減への改善があれば、5fb-1でも可能。

10TeV, 200pb-1なら約7倍のx-secが必要。

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

21

VBF H->ττ•••200pb-1の物理？ NS~<0.1Analysis– ll channel• 2 leptons (e or mu)• Forward jets
• Missing Et– lh channel• 1 e or mu• 1 hadronic tau• Forward jets
• Missing Et
Single e/mu triggerを使っているがTrigger rateは予想以上に大きい。
––Results w/o pileup

いわゆるe25やmu20を1033の条件で使えるか？->厳しいのでは？というのが本音
Combined trigger menuを研究して提案する必要がある。
• 2 lepton• 1 lepton + tau + X etc

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

22

VBF H->ττ•Pileupが与える影響の研究––Central jet vetoへの影響• イベントバーテックスの同定– イベントバーテックスから来たジェットだけを使う、など• 代替案の研究– トラック– トラックジェット•

Central jet veto for ll, lh チャンネル– Reject events that have any jet ofPt>20GeV in the central region(|η|<3.2).
Survival probability by CJV
as a function of luminosity

TauIDへの影響• 次ページ

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

23

VBF H->ττlh-channel, mH=120GeV, 30fb-1
2 1033 pileup

no pileupvery preliminary
1033 pileup•

No pileupで求めたLikelihoodをpileupがある状態で使った場合の(古い)結果– Pileupの影響が非常に大きいことを表している。
「対策」– ルミノシティ依存のIDを準備する。
– ルミノシティ依存性の比較的小さいものを利用する。

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

24

VBF H->ττ•Backgroundsの研究 <- 実験初期はこれ– Z->ττ+njets (irreducible)– W+njets, ttbar, QCD (reducible)• b-veto is applied in ll channel.

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

25

VBF H->ττ•

データからのZ->ττの分布の見積もり

Purity ~ >99% (very preliminary)(QCDからのfakeをきちんと評価する必要有り)

very preliminary

2009年4月3日

まだ開発途中の結果です。
研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大26

H->ZZ->4l••

200pb-1の物理？ NS~<1Analysis– 4 electrons / 4 muons••••

mH=130GeV

Muon : combined+low Pt
Elec : 2 loose high Pt + 2 medium low Pt– 2 electrons + 2 muonsSingle/double e/mu trigger
Electron/muon identification

4muon

mH=150GeV

4 elec•BG of ZZ and Zbb– lepton isolation, impact parameterare used to reduce Zbb background.
– ZZ is irreducible background.
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大27

H->ZZ->4l•

Normalization: Z->llからZZ->4lへSide bandから算出する以外の方法の紹介– Z->μμのx-secは1fb-1程度のデータがあれば精度よく測定可能。(0.2% stat, 2.4% syst)(14TeV)– この方法への疑問• 経験的にループに由来するk-factorは非常に大きいことを知っている。
– たとえばK-factor(NLO to LO) ~ 1.8 for gg->H->γγ– 計算のオーダーをあげると不定性が十分大きく残っていることが分かる。
» ~2.x (NNLO to LO) for gg->H->γγ• gg->ZZ(NNLO)の計算ができるからそれで十分と言えないのでは？
等の意見がある
不定性が大きいかもしれないがconsistency checkのために必要。(できることはすべて行う)
その他、W+jets <= γ+jets, WW+jets <= γγ+jets などのアイデアも検討中(for H->WW)2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大28

気になること2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大29

テバトロンの予定
2010年末の予定
10fb-1/expのデータがあれば-185GeV以下は95%CLでexclude-Low mass/high mass -> 3σ evidence

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大30

bクォーク湯川結合•

ttH, H->bbはDiscoveryチャンネルとして報告されていた。
– 軽いHiggsの場合、BR(H->bb)がdominate.
– Yukawa couplingの性質の理解する上できわめて重要.

「今後の課題」••

Higgsの質量が分かっている条件での再解析
積極的に他のモードも研究する。(ttHを捨てるという意味ではない)––High boosted higgs (by subjet method)
VBF+gamma/W

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

31

まとめ
[LHCの発見能力]• 130GeV以上なら5fb-1のデータで発見可能 -> 2011年？
• 130GeV以下なら10-30fb-1のデータが必要 -> 2012-13ぐらい？
[Tevatronの状況]• 160-170GeVをexcludeした。
• 10fb-1/expのデータ(2011年)で185GeV以下をexcludeする予定。
[主要モードの研究状況および課題]– 10TeVの研究にシフト– 実験初期は特にH->WWが鍵• Tevatronとの競争• BG shapeの理解が非常に大切– H->γγ, ττ, ZZは5fb-1以上のデータが必要。
• 実験初期はBGの理解が中心

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大32

解析状況bbGF

ττγγ

WWZZ

△○

○○○○○△

VBF

△

WH

△○○

ZH

△○

△

ttH

△

○

○

bbH

△△

○…ポジティブに進行中
2009年4月3日△…結果がネガティブだった。再挑戦。これから…など

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

33

午後の部
•

ヒッグス機構以外のEWSBモデル等、おさえておきたいモデル– 「Higgslessとextra-dimension」の続き by 棚橋さん
– その他

•

新しい解析モード、手法に関して– VBF H->bb + γ の可能性と課題 by 山村さん
– Subjet analysisの応用 (high boosted Higgs) by 磯部さん
– その他

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大34

バックアップ

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大35

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大36

28 March, 2008

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大37

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

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大38

Exclusion at ATLAS

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大39

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大40

H->γγ with 0/1lep+MET• 1lepモード– WH->lνγγ– ttH->lνγγ+X

2009年4月3日• 0lepモード– ZH->ννγγ

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大41

Invisibly Decaying Higgs•••

VBFとWH/ZHの生成モードを使う。(CSC noteではVBFとZH)
VBFはトリガーが問題になるが、FJ23+J23+XE100という新しいメニューを提案。
(eff=55%, 2+-1Hz@1033)
Countingベース。BG estimationが重要。
ξ2=“BR(H->inv) x σBSM“ / “BR(H->inv)=100% x σSM”
• 簡単に言うとSMと比較した値。
– 以下の結果は95% CL(30fb-1)になるときのξ2

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大42

トップより軽いH+tt->bHbW->bτhadνbqq

tt->bHbW->bτhadνblν

2009年4月3日

tt->bHbW->bτlepνbqq

Scenario B = mh-max

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大

43

H+

Combined result

トップより重いH+の場合：gg/gb->t[b]H->bqq[b]τhadν

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大44

MSSM h/H/A->ττ••

VBF H->ττと同様にll,lh,hhモードを研究している。
llモードのみ結果あり。
– Peak観測がないため、これも”counting”ベース。
– BG estimationが重要-> “Z->μμ->ττ”法– 個人的には、• b-tagged jetを要求して(つまり、bbHを期待して)、collinear近似で質量を組むのはあまりにも単純化しすぎている。
->改善の余地あり
2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大45

MSSM h/H/A->ττ

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大46

MSSM h/H/A->μμ•B-taggingの有無で2つの解析の流れ– M(μμ)分布を見る限り厳しそうだが、BGはスムースなのでsubtractできる(と思う。)

0 b-tagged jet

Signal only>=1 b-tagged jet~3%– CSC noteでは、ttbar ee/eμからttbarのcontributionをsubtractする方法が議論されている。

2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大47

MSSM h/H/A->μμ2009年4月3日

研究会「LHCが切り拓く新しい素粒子物理学」@東大48