Higgs入門@LHC
Junichi Kanzaki
KEKATLAS GroupATLAS検出器と物理入門
2005年7月16日 東京大学

目次

・物理現象のsimulation
・Higgsの性質
・解析の実際について

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

どれくらい難しいか…
・高い background level- 非弾性散乱の全断面積〜70mb- W、Z生成 ≈ nb
- top関連 ≈ 100pb- Higgs 10-100fb
・探したい現象が trigger されているか・Selection で background が落とせるか？
- どのような物理量を使えば効率的にHiggs シグナルを残すことが出来るか？
→ 物理現象の正しい理解- selection に使う物理量が正しくsimulation されているか？
- 測定器の効果の理解も重要- 他のハドロンコライダーの実験の理解
CDF、ZEUS

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実験前に考えなければならないこと
1. 本当に Higgs 粒子が見つけられるか？
・どのような Higgs 粒子が？
どれくらい作られて、どのように崩壊するか？
・どのような解析方法によって？
大きな QCD background をどうやったら落とせるか？
・どれくらいのデータ量をもちいてどのくらい確かに発見できるか？
simulation によって得られた結果がどれくら確かなのか？
→ これからは実際に解析に用いる物理量が実験的にどのように、どれくらい正確に測定されるか理解することが重要
2. 見つかったピーク、あるいは excess が Higgs であるか？
・粒子の性質の測定 → 質量、幅、スピン、パリティ、CP、種々の結合定数3. 標準模型の Higgs は多くの可能性の一つである
・まず SUSY がどうなっているか？
→ 崩壊比の変化、SUSY 粒子への崩壊の可能性
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Simulation の実際
・物理現象の simulation- Event generator を用いる
どのような event generator が使われていて、どのような違いがあるか？
- Higgs の signal と background の simulation を行う
どのようなプロセスが background となるか？
・測定器の反応の simulation- Full simulation (Geant4)
物理現象のシミュレーションで生成した粒子が測定器の中で起こす現象を１ステップ毎に調べる→膨大なCPU時間が必要- Fast simulation (ATLFAST)
Event generator によって生成された粒子情報から smearingなどを行って測定される物理量に変換する
どれくらい正確に simulation されているか full simulation の結果と比較して精度を上げていく必要
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LHCで起こる物理現象

実際にはもっと複雑…
・hard process が起こる前後にいろいろの現象が起こる­ initial、final での QCD parton shower­ multiple-interaction
一つの陽子陽子衝突の中で他の反応が起こる
・他の反応との重なり­ high-lumi で 20 events/bunch crossing

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実際にはこんな感じ？

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分解(factorize)

μ: Hard と soft を分ける scaledσˆ jk (Qi ,Q f )dσ= ∑ ∫ f j (x1,Qi ) fk (x2 ,Qi )F( Xˆ → X;Qi ,Q f )dX j,k Xˆ
dXˆ
Hard Process€f(x,Qi)

パートン分布関数€f j (x,Q)
€σˆ

ˆ
XFX

Parton shower、fragmentation、decay€ F( Xˆ → X;Qi ,Q f )神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

パートン分布関数
・重い粒子を作るには large x が必要→ u quark が dominate・small x の部分はほとんど gluon
・その他の sea quark は gluon splittingにより生成される→ 同じような分布の形
・HERA の実験による測定分布関数の精度に注意を払う必要

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Event Generators
・汎用タイプ­ 多くの物理現象の simulation ができる
­ 自身の中に initial/final state の shower evolution、multiple interaction の simulation を含む­ 他の matrix element を用いた event generator のsimulation の結果を読み込んで shower evolution/fragmentation/decay などを付加することができる
・その他
物理現象の matrix element の情報を元に生成する­ 前もっていくつかの物理プロセスについてプログラム自身に組み込まれているもの
ALPGEN(Herwig or Pythia)、MC@NLO(Herwig)、
Sherpa、GR@PPA、、、­ ユーザが希望するプロセスについて matrix element を生成するもの
CompHep、MadGraph、GRACE
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Pythia・http://www.thep.lu.se/staff/torbjorn/Pythia.html
・Current version 6.322 (Jul.12th, 2005)
・Author: T. Sjöstrand
・Documents: hep-ph/0308153;
Tutorial Lecture: http://www-cdf.fnal.gov/physics/lectures/
pythia̲Dec2004.html

Herwig・Current version: 6.507 (Mar. 8th, 2005)
・http://hepwww.rl.ac.uk/theory/seymour/herwig/
・Authors: B.Webber、M.Seymour、P.Richardson、S.Moretti etc.
・Documents: hep-ph/0011363, hep-ph/0210213
http://hepwww.rl.ac.uk/theory/seymour/herwig/hw65̲manual.htm(online manual);
SUSY implementation: hep-ph/0204123

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ALPGEN・http://mlm.home.cern.ch/mlm/alpgen/・Current version: 2.03
・Authors: Michelangelo L. Mangano, Mauro Moretti,
Fulvio Piccinini, Roberto Pittau and Antonello Polosa
・References: hep-ph/0206293、hep-ph/0108069、
hep-ph/9807570
・新しい独自の algorithm により multi-parton process (jet がたくさんでる)を効率よく生成できる
・新しい version では matrix element (parton) - parton shower(jet) の matching algorithm を含む

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MC@NLO・http://www.hep.phy.cam.ac.uk/theory/webber/MCatNLO/
・Current version: 3.10 (17 June 2005)
・Authors: Stefano Frixione, Bryan Webber
・Next-to-leading order の QCD calculation に基づく
・Herwig 6.5 と interface
・References: JHEP 0206 (2002) 029 [hep-ph/0204244],
JHEP 0308 (2003) 007 [hep-ph/0305252]

Sherpa・http://www.physik.tu-dresden.de/~krauss/hep/index.html
・Current version: 1.0.6 (15 April 2005)
・Authors: Frank Krauss etc.
・Matrix element での generation と CKKW 法による parton-jet
matching
・References: JHEP 0402 (2004) 056, JHEP 0202 (2002) 044,
hep-ph/0503087, Comput. Phys. Commun.134 (2001) 223

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CompHEP
・http://theory.sinp.msu.ru/comphep →http://theory.sinp.msu.ru/dokuwiki/doku.php?id=chep:comphep(Wiki!)
・Current version: 4.4.3 (25 May 2004)
・ユーザーが自分の生成したいプロセスを指定できる→ 出来合いの generator がない場合には他に解がない

MadGraph・http://madgraph.hep.uiuc.edu/
・Current version: 1.0.6 (15 April 2005)
・Authors: Fabio Maltoni and Tim Stelzer
・CompHEP と同様に matrix element と generator の code を生成できる
・References: hep-ph/0208156
・萩原さんの helicity amplitude 計算 package: HELAS に基づいている
・近々 SuperMadGraph (SUSY version) が release される
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Higgs Decay Branching Ratios
100 GeV・mH>200GeV では WWとZZ (2:1) のみを考えれば良い・重い(mH>2mt)Higgsのtへの湯川結合の測定の可能性？

1_bb

WWBR(H)

10-1200 GeV

ZZ+ "!!
_cctt-

gg
10-2

## Z#
10-350100200MH [GeV]500

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1000

Higgs Decay Branching Ratios
・軽い(mH<140GeV)場合にはbbが dominate だが解析は難しい
・その場合でもWWが次に大きなbranching ratio を持つ・ττの branching ratio はかなり
大きい・γγは 2-3‰
・mH=170GeV付近ではほぼ100%WWへ崩壊

Decay branching ratio of Standard Model Higgs boson

LEP direct limit
1ZZ
1010-1!!

gg-2Z"""

10・それより重い場合には WW か ZZ

WWbb-3100120140160180

200mH(GeV)

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Higgsの主な崩壊モード
モード

ピーク？

bb

△

b-jetのエネルギーの測定が悪いため幅が広いττ○

他にmissingがない場合 (σ〜9GeV)◎

細いピーク (σ〜1.4GeV)
Branching ratioは小さい(〜10-3)

γγ

特徴

WW(*)

ピークにならない
他にmissingがなければtransverse massにjacobian peak(WW->lvlv)
Branching ratioが広い範囲で大きい

ZZ(*)

ZZ->4l で細いピーク (σ〜1.5GeV)
Branching ratioが広い範囲で大きい◎

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Higgs の４つの生成過程
gluon fusion
・生成断面積は大きいが final state に Higgs のみが作られるため background と区別して selection
する手だてが少ない
・γγ崩壊のように細いピークが観測される場合には観測可能性が高くなる

vector boson fusion
・生成断面積はgluon fusion に次いで大きいLight Higgs で１桁落ち、質量が大きいと差が縮む
・High pT の２本の jet で background を抑えることができる
・中央領域での QCD の activity (shower によるmini-jet の生成)が少ない
・最近、研究が進み light Higgs の発見の可能性が大きく進歩した
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Higgs の４つの生成過程
W, Zとの随伴生成
・Tevatron での main channel
・Higgsの質量が大きくなると断面積が小さくなってしまう

t/bとの随伴生成

・Higgsの質量が大きくなると断面積が小さくなってしまう・t との湯川結合の測定
・MSSMの場合 (tanβ)2でenhance されるので b との随伴生成 (bbH/A) が重要になる→ この場合、重要な崩壊モードも変わる可能性(μμ、ττ)

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Higgs 生成断面積
Gluon fusionlargest cross section

10!(pp!H+X) [pb]2"s = 14 TeV
Mt = 175 GeVgg!H10

CTEQ4M

Vector boson fusion

110

10

qq’!HW-2_Associated -3productions__gg,qq!Hbb-4

0200_gg,qq!Htt10
small cross sections

10large cross section

qq!Hqq

_-1

400

600

_qq!HZ
800

1000

MH [GeV]

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日mH < 2mWの場合
bbττγγ発見
質量Yt (ループ)
発見

WW

ZZX

------

発見
GW 2------

gg->H

X

X

VBF??
(Yb)

発見
Yτ, GW

ttH

YtYbYtYτ------------------

WH

X

X------------------

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mH > 2mWの場合

WW

ZZ

gg->H

発見

発見
質量、スピン、他

VBF

発見
GW2

GWGZ

ttH

GWYt
(<180GeV)------

WH（発見）------

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

Higgsの質量と崩壊モードのまとめ• mH < 2mWの場合
bb ­ ttH(->bb) が軽い場合にtへの湯川結合の測定で重要ττ ­ VBF での生成が発見モード
γγ ­ gluon fusion + VBF + (+1j) で有望な発見モード
WW* ­ VBFでの生成で広い質量範囲をカバーできる• mH ≈ 2mW
WW­

主に VBF• mH > 2mW
WW ­ VBFでの生成が発見モード
ZZ ­ mH>200GeV では ZZ->4l が発見モード
非常に重い(mH>600)場合には ZZ->ννll も重要(branching ratio が大きいため）

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

Vector Boson Fusion の特徴
Jet• 二本の high pT jet が大きなΔηで存在• 中央領域で QCD activitiesが小さい

Jet• Higgs の崩壊に依らないである程度background を抑えられるので、異なる崩壊モードを観測できる可能性がある→結合定数の比の測定に重要

Forward jetsφ• Invisible decay の観測？
trigger など問題はまだあるが、、、

Higgs Decayη

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

Jet Pair with Large Rapidity Gap
VBF Higgs と tt での比較
Higgs Signal
reconstructed - dots
parton level - solid hist

Arbitrary units

0.08

Arbitrary units

0.05

tt background- dashed hist

0.04

0.06

0.03

0.04
0.02
0.02

0.01

0-4-20ηtag jet

240η

02

46Δη

810∆η

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

• 2<η<4 の前方での jet efficiencyが重要

Efficiency

Tagging Forward Jets
10.8Central• Full simulation の結果を用いてfast simulation を tuning する→ より simulation の精度を上げる
必要

0.6

0.4

PT>20GeV
0.2• Double tag efficiency ~50%
← 0.7 0.70Forward024η

Efficiency for reconstructing a tag jet

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

・Vector boson を放出する quark
間には color の交換がないため中央領域での jet activity が低い­ 多くの background process
では t-channel に color の交換がある
・Minimum bias event の overlapなどで fake の central jet が生成される- Small at low luminosity-> P > 20 GeV
T- Serious at high luminosity-> P > 30 GeV or higher
TFake Rate (%)

Central Jet Veto
30High Lumi.

20100Low Lumi.

0204060

PT Veto Threshold (GeV/c)

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

VBF H -> WW*• Di-lepton mode: H -> WW* -> lνlν
- clean signal• Lepton + two jets mode:
H -> WW* -> lνjj
- larger branching ratio- large background

Transverse Mass Distribution
mH=160 GeV (only eμ)• Background: tt, WWjj(EW)• Lepton angular correlation iseffective to suppress backgroundfor H -> WW -> ll mode.

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

Spin correlation in H -> WW* decay• Lepton angular correlation shows evidence of Spin-0
resonance in H -> WW -> ll modes
mH=160GeV, eμ mode
without lepton correlation cut
Signal region

MT<175GeV

Outside Signal region

MT>175GeV

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Mττの再構成(VBF H -> ττ)・τ崩壊はνをふくむため missing があるがevent に他に missing がなければ観測された missing をνから来るものと仮定して Mττを reconstruct 出来る- Mass resolution ≈ 10%

Collinearapproximation

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

VBF H -> ττMττ distributions

evts / 5 GeV

ll mode, mH=120 GeV
for 30fb-1

lh mode, mH=120 GeV

87mH=120 GeV

6Z jj

5

4t t, WW EW

321080100120140160 180mττ (GeV)

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W->lνの再構成
二つの粒子の invariant mass をη、φ、ETにより表すと
M2 = 2ET1ET2 (coshΔη-cosΔφ)Event 中に W->lν 崩壊がありν以外に missing がなければ観測された missing ET を用いて MW=80GeV を仮定すると親の W の 4-vector を再構成することができる(ただし解が二通り存在する）
Trigger の関係から W->lν崩壊を利用することが多いので役に立つex) VBF H->WW->lνjj での mH の再構成
神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

30 fb-1:

Signal significance

以前の結果(Physics TDR in 1999)

10 2

H → γγttH (H → bb)
H → ZZ(*) → 4 l(*)
H → WW→ lνlν
H → ZZ → llνν
H → WW → lνjj
Total significance

・重い場合(mH>200GeV)には問題はない
ZZ->4l で広い範囲をカバー
10・軽い場合(mH<140GeV)に一つの崩壊モードで5σを越えるものはなかった

5σATLAS-1∫ L dt = 30 fb(no K-factors)
1

102

10

3mH (GeV)

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

30 fb-1:
・LEPでのEW精密測定に対するfitting から期待される質量領域は十分にカバーできる

Signal significance

VBFを使った最近の結果
H → γγttH (H → bb)
H → ZZ(*) → 4 l
H → WW(*) → lνlν-1

∫ L dt = 30 fb(no K-factors)
10ATLAS2(*)

qqH → qq WW
qqH → qq ττTotal significance

・同時に複数のモードで発見が可能→ 発見を相補的にカバーする

10- 異なる崩壊モード- 異なる生成プロセス- 異なる測定器パートの利用11001201401601802002mH (GeV/c )神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

本当にHiggs?
観測されたピーク、excess がHiggs かどうか知るためには、その性質を知らなければならない

期待される結合定数の比の測定精度(30fb-1):
Htt, Hττ - 15-20%
Hbb- 45% (VBF bb)
HZZ- 10-20%

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日

まとめ… まだまだ大事な話は続きます・Higgs のスピン、パリティ、CPの決定
・SUSY Higgs についてh, H/A, H
・Higgs の SUSY 粒子への崩壊について
でも”習う”より”慣れろ”ですから、、、

神前 純一、ATLAS検出器と物理入門、LHC物理研究会、東京大学、2005年7月16日