1ATLAS 実験における荷電ヒッグス粒子の探索

筑波大学大学院 数理物質科学研究科 物理学専攻
博士後期課程3年 永田和樹

2016年 1月19日 CiRfSE workshop

重い荷電ヒッグス粒子探索

2• もし、荷電ヒッグス粒子の発見できたら
 標準理論を超える物理の存在の証明– 例：Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM)• 重い荷電ヒッグス粒子探索 (200~600 GeV)
• 信号生成過程：g → ̅H+ → ̅t → νb q
• 重心系衝突エネルギー8 TeV、積分ルミノシティ20.3 fb‐1のデータを使用
下図: 信号生成過程のファインマンダイヤグラム

3

解析の流れ
• 事象選別– レプトンやジェットの数、ジェットのフレーバータグ等で、対象とする事象を選別する• 信号事象と背景事象の分離– 信号事象と背景事象の違いを特徴付けるような変数を入力としてMVA(BDT)を行い、S/Bの分離を最適化する• 生成断面積に対する制限の設定– MVAの結果を用いて荷電ヒッグス粒子の生成断面積に対して制限を設定する

事象選別

4• １つのレプトン、4つ以上のジェットを要求

図: ハドロニックH+ 崩壊
bb– レプトン• 電子: Pt > 25 GeV, |η| < 2.47
(1.37 < |η| < 1.52 は除外)
• ミューオン: Pt > 25 GeV, |η| < 2.5– ジェット: Pt > 25 GeV, |η|<2.5• b-tag： 70 %の確率でbクォーク由来のジェット（b-jet）を同定•b

シグナル領域とコントロール領域に分離• シグナル領域：信号事象を多く含む 荷電ヒッグス粒子の探索• コントロール領域：ほとんど背景事象 背景事象の理解、コントロール
表：事象中のジェット数とb‐tag数に対する2つ領域の定義
2b‐tags

3b‐tags

4jets

コントロールコントロール

5jets

コントロール

シグナル>= 6jets

コントロール

シグナルq

5

背景事象の構成要素

コントロール領域

シグナル領域
ttbar+Heavy Flavor jets（深緑＋緑）と ttbar+Light Flavor jets（薄緑）が主な背景事象

コントロール領域でのPre‐fit plot

• HThad= ∑ Pt of jets
• 右図： コント
ロール領域でのHThadの分布• DataとMCが誤差の範囲で一致している＊青線、赤線はData数にnormalizeされている

4jets2b‐tagged

5jets2b‐tagged

6jets2b‐tagged

4jets 3b‐tagged

6

コントロール領域でのPost‐fit plot
• 系統誤差も考慮しながら背景事象でフィット•

4jets2b‐tagged

5jets2b‐tagged

6jets2b‐tagged

4jets 3b‐tagged

7

系統誤差の大きさを大幅に減らす• コントロール領域とシグナル領域で同時にフィット••

コントロール領域：
HThad
シグナル領域：
BDT output

DataとMCが誤差の範囲で一致している

シグナル領域でのBDT outputの分布（post‐fit）
mH

300 GeVmH

500 GeV＊青線はData数にnormalizeされている• High massの方が背景事象と信号事象の分離がよくできる
300 GeVにおいて、Signal+background fitの結果と• mH
Dataの分布が一致しない

8

生成断面積に対する制限の設定

Run1解析の公表

910• 最終結果はH±  tbのs channelでの解析と合わせる形で出した• JHEPに論文を2015/12/11にsubmit– リンク先： http://inspirehep.net/record/1409300• 今はAccept待ちまとめ11• LHC‐ATLAS実験で取得された、重心系衝突エネルギー8 TeV、積分ルミノシティ20.3 fb‐1のデータを使ってtbに崩壊する重い荷電ヒッグス粒子探索 を行った（200～600 GeV）
• 600 GeVを除くすべての荷電ヒッグス粒子の質量点において、データの超過が見られた– 250、300、450 GeVにおいて2.3～2.4 のexcess• mH
300 GeV、1.65pbに対応する信号事象を入れてExpected Limitを計算し、Ovserved Limitと比較した。その結果、Ovserved Limitのexcessは背景事象のmissmodelingが原因である可能性が高い• MSSMのmhmod‐ シナリオ、tan 0.5に対応するモデルに対して、200～300、350～400 GeVまでの領域を排除した

12Back upSignal and Background Modeling*Background: common with ttH(bb) group

Analysis Outline

1314• Event selection• Based on standard top group selection: 1 lepton, > 3jets, MET• 1lepton trigger:– EF e24vhi medium1 or EF e60 medium1– EF mu24i tight or EF mu36 tight• Electron: Author 1 or 3, Tight, Pt > 25 GeV, |η| < 2.47 (1.37 < |η| < 1.52 excluded), z0 <2mm, pT and || dependent tracking isolation (corresponding to 90% signalefficiency)• Muon: Combined and Tight, Pt > 25 GeV, |η| < 2.47, z0 < 2mm, Track isolation using pTdependent cone, pT<0.05*pT• Jets: Anti-kt 0.4, LCW, pt > 25 GeV, ||<2.5, Jet vertex fraction cut: |JVF|>0.5 for pT< 50 GeV and ||<2.4• B-tag: MV1, working point= 70% efficiency for b-jets in tt events• MET: MET AntiKt4LCTopoJets tightpp• Separate signal and control regions• Signal region: >= 5jets and >= 3b‐tags• Control region: ==4jets and >= 2b‐tags, >= 5jets and == 2b‐tags••

S/B separation
Limit settingPre‐fit event yield table for backgroundPre‐fit event yield table for signal (MSSM mhmod‐)1516

BDT input variables for training
The scalar sum of the PT of all selected jets
The pT of the leading jet
The invariant mass of the two b‐tagged jets that are closest in RThe second Fox–Wolfram moment, calculated from the selectedjets• The average R between all pairs of b‐tagged jets in the event••••＊それぞれの荷電ヒッグスのmass pointごとにトレーニングをおこなった

17

Fox‐Wolfram Moments （H+ analysis）• Fox‐Wolfram moments ,•,Pi,j= ジェットの運動量
E= イベント中のジェットのエネルギーの和cos  ) = ルジャンドル多項式
cos  = cosi cosj + sini sinj cos(i‐j)18Pre‐fit plots in signal region (part1)

19

Pre‐fit plots in signal region (part2)20

Pre‐fit plot for BDT output in control region21＊青線はData数にnormalizeされているHigh massの方が信号事象と背景事象の分離が良い

Systematic uncertainty 一覧• Type• N: normalizationに影響• S：sharpeに影響

22

Systematic uncertainty

23

Symmetrised pre‐fit uncertainties in %

24

25

Nuisance parameters that have large correlations

Post‐fit pulls and impact of the 15 most relevant
uncertainties on the best‐fit value

26

Post‐fit pulls and impact of the relevant
uncertainties on the best‐fit value

27

28

post‐fit後の事象数

BDT output distribution in signal region(post background only fit, mH+=200 GeV)29

BDT output distribution in signal region(post background only fit, mH+=400 GeV)

30

BDT output distribution in signal region(post background only fit, mH+=600 GeV)

31

2 Higgs Doublet Model

32/15• Added one Higgs doublet to SM– h0, H0 (CP even), A0 (CP odd), H±(charged)– Assume the discovered Higgs = light CP‐even Higgs boson, h0• 4 Types– Different couplings of quarks, leptons and vector bosons to Higgs fields
Table: Coupling scale factor: k = g2HDM/gSM (g2HDM=light Higgs boson coupling)tanβ=α: mixing angle of h0 and H0v1,v2=vacuum expectation values (plural)• Different rates of h0 productions and decays from SM Higgs• Constrain 2HDM parameters

33

Stop and Sbottom mass
• Radiative correction to Higgs mass
 top/stop sector
 tau/stau and bottom/sbottom sector (high tanβ)• mass matrix for,and,• No mixing: mh 122 GeV• mh max: mh 135 GeV

eigenstates• At, Ab: trilinear Higgs‐stop, sbottom coupling• μ: Higgsino mass

• sw: 1, cw = Mw/Mz

34

Parameter setting (mh mod)

MSSM Higgs Decay35

H+ Decay mode for mh max scenario• A MSSM Higgs decay mode The Higgs mass tanβ Scenario: Changing parameters
related with SUSY
• mh max: h0 mass ismaximized for fixed tanβ,mA (h0 < 135 GeV)• mh mod±: modification ofmh max( ±: sign of|Xt/MSUSY| )tanβ=10tanβ=50

H+ Decay mode for mh mod‐ scenariotanβ=50tanβ=10*Requirement of 2HDM: Triangle
anomalies from higgsino is canceledby introducing additional Higgs
doubletDirect search: MSSM H±  τ±
• Production process

36/15ATLAS‐CONF‐2014‐050
H± Decay mode for mh max scenario• mH±< mtop: gluon fusion• Top quark decay• mH±> mtop: With top quark (hadronic decay)• Cross section: Evaluated on 4Flavor
Scheme and 5 Flavor Scheme

H±τ±
tanβ=50
H±tb• H±  τ± decay• mH±< mtop: dominant decay• mH±> mtop: second dominant decay• ~1/5  Br(H±tb) in high tanβgluon fusion*mh max scenario is explained at page 12Same process, but different calculation for x‐sec

5 FS4 FS4FS and 5FS•••37

4FS and 5FS: Different way of ordering perturbation theory
4FS (gg → bbarH)– mb >> QCD scale, calculated order by order– not b‐quarks as partons in the proton
5FS (gg → (bbar)H– logarithms of the form ln(μF/mb) in gluon splitting, μF ≈ mH/4
– 4FS: Collinearly b‐quarks and H >> 4mb, ln(μF/mb) ‐> ∞– 5FS: ln(μF/mb) terms can be summed to all orders in perturbation theory
by introducing bottom parton densities
4 FS5 FS

Santander matching38

Charged Higgs(300 GeV) cross section

Expected cross section for
H+ production in association
with a top quark (4FS and 5FSmatched) times the branching
fraction of H+→ tb, as afunction of (a) mH+ in themhmod‐ scenario and (b) tanβ
for various MSSM scenarios

39

Charged Higgs(MSSM mhmod) cross section

Expected cross section for
H+ production in association
with a top quark (4FS and 5FSmatched) times the branching
fraction of H+→ tb, as afunction of (a) mH+ in themhmod‐ scenario and (b) tanβ
for various MSSM scenarios

40

41Expected cross sections mhmod‐benchmark model of the MSSM

42Observed and expected 95% CL limits onσ(gb→ tH+)×BR(H+→ tb)

Search and Limit: H±  τ±

43

ATLAS‐CONF‐2014‐050• Hadronic τ channel• Low mass: 80 < mH± < 160 GeV for gluon fusion• High mass: 180 < mH± < 1000 GeV for with top quark• Background (Datadriven)• True τ:
Embeddingmethod• jetτ: Mis
identified lepton• Background (MC)• e/μτ• Upper limit on Br(t  bH±  Br(τ)):
1.3% ~ 0.23 %*previous: 2.1%~0.24%• Upper limit:
0.76 pb at 180 GeV
4.5 fb at 1000 GeV*previous: 0.9~0.017pb

44Result fromH±  τ±Search and Limit: H±  τ±

45

CMS result

Cross section Limit: H±  τ±
CMS result46

Cross section Limit: H±  tb

47

CMS result

Cross section Limit: H±  tb
CMS combine result

48

Exclusion reagion in mH+‐tan plane: H±  tb and τ±CMS combine result

49

50

Text for exclusion reagion
CMS combine resultH±  tb search in s‐channel

Luminosity ratio=/ √√51

52= ~3/√3 ＊Lumiが同じ、かつ600GeV

53

ttbar cross section

B‐tag algorithm• MV1： multivariate tagging algorithm– IP3D: 主要崩壊点に対するtrackの衝突係数– SV1: 2次崩壊点– JetFitter: CハドロンやBハドロンの崩壊の幾何学的特徴

54