Búsqueda del bosón de Higgs en el canal H → ZZ ( * ) →4 μ en CMS empleando un método de análisis multivariado Alejandro Alonso Díaz 27 de Septiembre de 2007 Trabajo de investigación del Máster de Física Fundamental Universidad Complutense de Madrid Supervisores: Dr. Pablo García Abia y Dr. José María Hernández Calama (CIEMAT)

Índice  Introducción  Dispositivo experimental  Bosón de Higgs en el canal H → ZZ ( * ) →4 μ  Análisis: Independiente de la masa del Higgs Métodos multivariados (Likelihood) Análisis dependiente de la masa del Higgs  m H = 140 GeV/c 2  m H = 250 GeV/c 2 Resultados del análisis basado en likelihood  Conclusiones

Introducción  Modelo Estándar, describe las interacciones fundamentales: intercambio de bosones.  Masa de las partículas: Mecanismo de Higgs Campo escalar → Boson de Higgs Ruptura espontánea de simetría. m H parámetro libre, aun no detectado. Restricciones:  Teóricas: 50 GeV/c 2 < m H < 800 GeV/c 2  Experimentales:114.4 GeV/c 2 < m H < 225 GeV/c 2

El acelerador LHC  Colisionador protón- protón, Cern, Ginebra  s 1/2 = 14 TeV  L = cm -2 s -1  Frecuencia de cruce: 40 MHz  Trigger: 150 Hz  Experimentos CMS y ATLAS: propósito general ALICE: colisiones de iones pesados (Pb) LHCb: física del quark b y violación de CP

El detector CMS  Hermético (4π)  Identificación de γ, e, μ, τ, jets Detector de trazas, calorímetro electromagnético, calorímetro hadrónico y detectores de muones Campo de 2T – 4 T Medida precisa de p T y E

Bosón de Higgs: Producción en LHC  Procesos dominantes: → H y → Hqq gg → H y qq → Hqq  En LHC: σ(H) ~ σ(pp) Requerida alta luminosidad

Bosón de Higgs: Desintegración  Decae en pares de bosones y fermiones.  Acoplo proporcional a la masa de los productos.  Golden Channels de CMS  H → ZZ ( * ) → l + l - l + l -  H → WW(*) → lvlv  m H <130 GeV/c 2 H → γγ

Bosón de Higgs: Canal H → ZZ ( * ) →4 μ  Señal: 2μ + y 2μ - : aislados, alto momento transverso, vértice primario común 2μ + y 2μ - : aislados, alto momento transverso, vértice primario común μ + μ -. Una compatible con m Z Dos parejas μ + μ -. Una compatible con m Z Masa invariante de los cuatro muones resonante: m 4μ,m H Masa invariante de los cuatro muones resonante: m 4μ,~ m H  Contaminación: sucesos con 4 muones. m 4μ no resonante m 4μ no resonante pp → tt → W + W - bb, pp → Z ( * ) /γ ( * ) bb:  μ + μ -  μ + μ - : Cascada hadrónica: poco aislados, bajo p T, no compatible con m Z  Fácilmente separable pp → (Z ( * ) /γ*)(Z ( * ) /γ*):  Muy similar a la señal

Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Independiente de m H  Estudio con sucesos simulados: 120 GeV/c 2 >mH >600 GeV/c 2 L = 30 fb -1  Preselección básica: 2μ + y 2μ - Sucesos 2μ + y 2μ - m μ+μ- 12 m μ+μ- > 12 GeV/c 2 7 p T > 7 GeV/c

Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Independiente de m H  Criterios de selección: Análisis oficial CMS m μ+μ- m Z m μ+μ- ~ m Z Aislamiento  Tracker: momento transverso depositado en de un cono radio R  Calorímetro: Energía transversa depositada en el calorímetro de un cono radio R 2μ + y 2μ - Sucesos 2μ + y 2μ - p T  Eficiencia: 90 % para señal 10 % ZZ

Método multivariado likelihood Cortes ortogonales desprecia parte importante de información contenida en variables discriminantes Forma de las distribuciones: aumenta la sensibilidad, likelihood ( y i ), definido para cada suceso i como: x x n : variables discriminantes. p s k (x k ), p B k (x k ): densidades de probabilidad de la variable x k, señal y contaminación Poder de discriminación: diferencia entre Intuitiva interpretación: → 1  Suceso de signatura similar a señal:y i → 1 → 0  Suceso de signatura similar a contaminación:y i → 0

Likelihood para canal H → ZZ ( * ) →4 μ  Funciones de referencia, p s k, p B k : m H Dependientes de m H Ajuste a funciones análiticas de las variables simuladas μ ~ m H Sucesos en el entorno de m 4μ ~ m H.  Dos regiones de masa m H <2m Z ~ 180 GeV/c 2  Uno de los bosones Z virtuales m H > 2m Z ~ 180 GeV/c 2  Los dos bosones Z reales

Distribuciones para m H =140 GeV/c 2  m H < 180 GeV/c 2 : m Z2, masa del par +- con masa mas lejana a m Z. p T3 y p T4, momentos de los dos muones de momento más bajo.

Distribuciones para m H =250 GeV/c 2  m H > 180 GeV/c 2 : p T 4, momento transverso del sistema de los cuatro muones. Señal: momento transverso del bosón de Higgs. (gg → H, qq → ZZ) p T3 y p T4

Potencial de descubrimiento  Significación estadística, S L : Incompatibilidad de la señal con las fluctuaciones estadísticas de la contaminación Método LLR  Forma de distribución  Número total de sucesos  Potencial de descubrimiento: Probabilidad datos medidos compatibles con fondo < S L = 5  Evidencia S L = 3

Resultados empleando métodos multivariados  Corte sobre variable Likelihood: y > 0.4 Óptimo para m H >140 GeV/c 2  Mejora significativa en un amplio rango de masas

Resultados empleando métodos multivariados  Mayor SL → Menos luminosidad acumulada para descubrir el bosón de Higgs

Conclusiones:  A dependiente de la masa del bosón de Higgs  Basado en un método multivariado: likelihood  Explota la información contenida en las distribuciones de ciertas variables discriminantes  Mejora significativa respecto a el análisis oficial de CMS para un amplio rango de masas.