ATLAS 実験におけるヒッグス粒子対生成の探索
Ryosuke FUCHI (U.Tsukuba)
2016年1月19日
CiRfSE Workshop

19/01/2016
CiRfSE Workshop

1Outline
導入- ヒッグス粒子の発見、ヒッグス粒子対生成の物理- 解析チャンネルの選定
bbtautau解析- 解析の流れ- 結果
他チャンネルと合わせた結果
まとめ

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ヒッグスボゾンの発見&測定
ヒッグス粒子: 質量を与える粒子
2012年にATLAS&CMSにより発見!!
SMヒッグスか検証が大事
測定の時代へ質量信号強度
all channels combined
ATLAS 4.5 sigma
結合 湯川結合の証拠
analysis mu=1.44+0.42-0.37
CP測定 棄却(>97.8%):

どれもSMと無矛盾!!

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ヒッグスボゾン自己結合
ヒッグスボゾンの自己結合は最も興味深い課題のひとつ
Brout-Engler-Higgs(BEH)機構の直接検証hh•h

ヒッグスボゾン対生成(di-higgs)の探索が最後のカギ！

ヒッグスボゾンの3点自己結合

SMにおけるdi-higgs生成過程
gghh過程が支配的
生成断面積 ~10 fb at 8TeV
~ 200 events in 20.3 fb-1
動機
現在のデータ量で評価
解析手法の確立

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BSMにおけるヒッグスボゾン対生成
標準模型を超える物理(BSM)
Non-resonant• 3点結合の結合定数がSMの予測と異なる場合、他のヒッグス対生成過程の断面積増大が期待される

SM

その他のBSMも多数

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BSMにおけるヒッグスボゾン対生成
標準模型を超える物理(BSM)
Resonant• Two Higgs Doublet Model
スカラーヒッグス二重項を2つ要求

hh!
!
!

5つの場

真空期待値の比hh!
!
•断面積x崩壊分岐比 @8TeVRun1で感度あり

黄色: H->hh
その他のBSMも多数

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探索チャンネル
hh ! bb⌧ ⌧bbyy, bbbbの解析がなされていた
bbtautauは本研究が世界初の解析

利点
高い崩壊分岐比: 7.1%不変質量を再構成できる
クリーンな信号トリガーの問題がないh->ττ19/01/2016
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7タウレプトンの崩壊
τレプトンは軽いレプトンまたはハドロンに崩壊できる
レプトニック崩壊

ハドロニック崩壊

τレプトン対の崩壊はτレプトンの崩壊によって３つに分類される
di-lepton, semi-lepton and all-hadron
本解析では片方のタウレプトンが軽いレプトン(e, mu)に崩壊する
semi-leptonチャンネルを用いる。ゴールデン・チャンネル
利点• 高い崩壊分岐比: 46%• クリーンな信号観測する物理オブジェクトは• トリガーの問題がない

2つのボトムクォーク、1つのハドロニックタウ、及び1つのレプトン(電子/ミューオン)19/01/2016
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8ττ＋2jetの選別
1. single lepton triggerを要求
Event

2. 終状態の物理オブジェクトを要求

pre-selection

1つのレプトン(= e/μ), 1つのhadronic-τ, 2つ以上のjet
3. レプトンとhadronic-τの逆電荷を要求

Event

4. Z->ll事象を除去するために以下を要求
2つ以上のレプトン(=e/μ)を含む事象を除去 (di-lepton veto)selection

このとき用いるレプトンは2.よりもゆるい定義を用いる
Signal Region

Events / 5 GeV

leptonとMETのmT
1400 ATLAS s = 8 TeV, 20.3 fb-1
preselectionµτ + eτhad
had
1200
1000
800

Limit600

Data
Top quarkZ→ττ+jetsOthers
Fake τ
Systematics
H(300) hh(20 pb)
Non-reso. hh(20 pb)

400
200

pre-selection後の分布- dataとモデルがよく合っている
Fake τ背景事象✓ jet -> hadronic-τに誤同定された事象✓ W+jets, QCD などが含まれる

00 20 40 60 80 100120140160180200
ml,Tν [GeV]

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9hh->bbtautauの選別(例)・事象選択を行い背景事象を除去する

Event
pre-selection

selection

1800

ATLAS s = 8 TeV, 20.3 fb-1
1800 preselectionµτ + eτhad
had
1600
Data

Data

Top quark

1400

Z→ττ+jets

1000

Signal Region

2000-1ATLAS
s=8TeV,20.3fb
1600
preselectionµτ + eτhad
had
1400

1200

800

Others

1200

Fake τ

1000

Systematics

600

800

H(300) hh(20 pb)

600

Non-reso. hh(20 pb)

40000

Top quarkZ→ττ+jets
OthersFake τ
Systematics
H(300) hh(20 pb)
Non-reso. hh(20 pb)

400

200

Limit

resonant探索だけ

Events / 10 GeV

Event

Events / 10 GeV

ヒッグスボゾン質量

200
100

200

300

400

50000

50 100 150 200 250 300 350 400

mbb [GeV]

90 < mbb < 160mττ [GeV]

100 < mtautau < 150 GeV

その他の事象選別は今回は省略(バックアップ参照)
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10ﬁnal discriminant@signal region
Eventselection

Signal Region

Limit

Events / 25 GeV

Event220
2001801601401201008060
402000resonant探索

ATLAS s = 8 TeV, 20.3 fb-1
µτ + eτhad
had

Data
Top quarkZ→ττ+jets
OthersEvents / 25 GeV

non-resonant探索

pre-selection

7060

ATLAS s = 8 TeV, 20.3 fb-1
µτ + eτhad
had

50

Data
Top quark4030

Z→ττ+jets
OthersFake τ

Fake τ
Systematics

20Systematics
H(300) hh(10 pb)

Non-reso. hh(10 pb)

10100200

300

400500mττ [GeV]m(tautau)

0200 300 400 500 600 700 800 900mbbττ [GeV]m(bbtautau)

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11Limit on bbtautau Analysis
Eventpre-selection

Exclusion limit
Non-resonant探索✓no excess✓SM(gghh)の160倍のEventcross sectionを除外

selection

Signal Region

Limit

95%CL. limit on m×BR(HAhh) [pb]Resonant探索
10ATLAS Internalhh A bboo(µo +eohad)✓no excess

s= 8 TeV, 20.3 fb-1

✓以下の断面積を除外

Observed

had

Expected±1m band4.2 pb @260 GeV±2m band10.46 pb @1000 GeV
300

400

500

600

700

800

900

1000

mH [GeV]

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他のチャンネルと合わせた結果
Non-resonant探索✓ 標準模型の70倍の生成断面積を除外✓ 解析感度bbbb >> bbγγ ~ bbtt >> WWγγ

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他のチャンネルと合わせた結果
Resonant探索✓ 以下の断面積を除外

2.1 pb @ 260 GeV
0.011 pb @1000 GeV!

✓解析感度

< 400 GeV: bbγγ
400 - 500 GeV: bbττ
> 500 GeV: bbbb

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14まとめdi-higgsの物理はBEH機構の直接検証において重要
様々なBSMにおいて感度がある
世界で初めてhh->bbtautau channelの解析を行った
non-resonant探索においてSMで予測されるgghhの生成断面積の160倍を棄却
resonant探索において4.2 pb (260 GeV) - 0.46 pb (1000 GeV)を棄却
他チャンネルとcombineした
non-resonant- SMの70倍をexclude- 2位のbbγγと肉薄(all-had channelに期待)
resonant- 2.1 pb (260 GeV) - 0.011 pb (1000 GeV)を棄却- 400-500 GeVでbbtautauは最高感度

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