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 Supervisores: Dr. Pablo García Abia (CIEMAT) Dr. Jose María Hernández Calama (CIEMAT)

ESQUEMA HIGGS y MS HIGGS y MS –Introduccion –Restricciones teóricas y experimentales LHC y CMS LHC y CMS –LHC –CMS Bosón de Higgs Bosón de Higgs –Producción –Desintegración –Canal H → ZZ ( * ) →4 μ Señal Señal Contaminación Contaminación ANÁLISIS ANÁLISIS –Independiente de la masa del Higgs –Métodos multivariados (Likelihood) –Dependiente de la masa del Higgs Ejemplo MASA ALTA Ejemplo MASA ALTA Ejemplo MASA BAJA Ejemplo MASA BAJA –Mejora CONCLUSIONES CONCLUSIONES

HIGGS y MS: Introducción Modelo Estándar: Modelo Estándar: –Describe las interacciones fundamentales, basandose en el intercambio de bosones: Fuerte, mediada por gluones (QCD) Fuerte, mediada por gluones (QCD) Electrodébil, mediada por fotones y bosones W ± y Z. Electrodébil, mediada por fotones y bosones W ± y Z. –Mecanismo de Higgs: 1964, Peter Higgs introduce un campo escalar en el lagranguano, que se acopla al resto de partículas, dotándolas de masa. 1964, Peter Higgs introduce un campo escalar en el lagranguano, que se acopla al resto de partículas, dotándolas de masa. Mecanismo de ruptura espontánea de la simetría electrodébil. Mecanismo de ruptura espontánea de la simetría electrodébil. Acoplo proporcional a la masa de las partículas. Acoplo proporcional a la masa de las partículas. Bosón de Higgs, cuya masa es un parámetro libre de la teoría. Bosón de Higgs, cuya masa es un parámetro libre de la teoría.

HIGGS y MS: Limitaciones a la masa del bosón de Higgs La búsqueda del bosón de Higgs es una pieza fundamental para verificar el Modelo Estándar. Su búsqueda ha dado una serie de limitaciones a la masa que puede tomar Teóricas: Teóricas: Consistencia del Modelo Estándar. Dependiente de la escala de renormalización. En el rango de energías de LHC, se prevé: –Superior: m H < 800 GeV/c 2 –Inferior: m H > 50 GeV/c 2 Experimentales: Experimentales: –Búsquedas directas: m H > 114 GeV/c 2 al 95 % del nivel de confianza, llevada en LEP. –Medidas de precisión de parámetros electrodébiles y la masa del quark top: m H < 225 GeV/c 2 al 95 % del nivel de confianza

LHC Colisionador protón-protón, en Ginebra Colisionador protón-protón, en Ginebra –Haces circulando en Mayo 2008 –Primeras colisiones a mediados de 2008 Energía en el centro de masas de 14 TeV Energía en el centro de masas de 14 TeV 2 haces, cada haz: 2 haces, cada haz: –2808 paquetes de 15 μm de radio y 53 mm de largo con protones. –Frecuencia de cruce: 40 MHz. –Colisiones en promedio por cruce: 20 –Filtrado mediante trigger para tomar datos a una tasa de 150 Hz Luminosidad de cm -2 s -1 Luminosidad de cm -2 s -1 –Permite producir sucesos de muy baja sección eficaz Dipolos superconductores de 8.33 T a 1.3 K Dipolos superconductores de 8.33 T a 1.3 K Experimentos Experimentos –CMS y ATLAS de propósito general –ALICE para colisiones de iones pesados (Pb) –LHCb, estudiar física del quark b y violación de simetría CP

CMS Prioridades de diseño: Sistema redundante para medir muones Buen calorímetro electromagnético Sistema de trazas de gran resolución Tracker: Muones de alto pT Electrones aislados Hadrones cargados Vértices secundarios ECAL, Calorímetro electromagnético: Energía de fotones y electrones HCAL, Calorímetro Hadrónico: Dirección de jets Energía transversa depositada Solenoide superconductor: 4 T en el interior 2 T en el exterior Cámaras de muones: Identificar y detectar muones

Bosón de Higgs: Producción en LHC Proceso dominante: →HFusión de gluones: gg→H →HqqA m H alta, también qq→Hqq Sección eficaz de producción 9 órdenes de magnitud por debajo de la sección eficaz total de LHC Se requiere una luminosidad muy alta. Sección eficaz de producción dependiente con la energía del acelerador. 2 ordenes de magnitud superior a Tevatron Seleccionando sucesos con 4 muones, la contaminación se reduce 6 órdenes de magnitud

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

Señal: Sección eficaz :Sección eficaz : 0.5 fb para m H = 120 GeV/c 20.5 fb para m H = 120 GeV/c fb para m H = 250 GeV/c 25.5 fb para m H = 250 GeV/c 2 2 μ + y 2 μ - :2 μ + y 2 μ - : Muy aisladosMuy aislados Alto momento transversoAlto momento transverso Vértice primario comúnVértice primario común μ + μ -.Dos parejas μ + μ -. Masa invariante de un par μ + μ - compatible con m Z Si m H >2m Z, masa invariante de los dos pares μ+μ- compatibles con mZSi m H >2m Z, masa invariante de los dos pares μ+μ- compatibles con mZ Masa invariante de los cuatro muones m 4μ resonante, con m 4μMasa invariante de los cuatro muones m 4μ resonante, con m 4μ ~ m H Bosón de Higgs: Canal H → ZZ ( * ) →4 μ

Contaminación: pp →Z ( * ) /γ ( * ) bb: Sección eficaz : pb Par μ + μ - proviene de bosón Z Par generado en la cascada hadrónica: Muones poco aislados, bajo momento transverso y no compatible con m Z m 4μ no resonante pp → tt→W + W - bb: Sección eficaz : 840 pb Características análogas al anterior, pero ningún par μ + μ - proviene de bosón Z pp → (Z ( * ) /γ*)(Z ( * ) /γ*): Sección eficaz : 175 pb Ambos pares μ + μ - provenientes de bosones Z m 4μ no resonante. Bosón de Higgs: Canal H → ZZ ( * ) →4 μ

Muestras Monte Carlo de la producción oficial CMS: 17 hipótesis de masa: 120 GeV/c 2 <m H <600 GeV/c 2 Muestra para cada proceso de contaminación: ZZ, Zbb, tt. Generadores: PYTHIA y CompHEP Respuesta del detector: ORCA y OSCAR (GEANT) Sucesos normalizados para L = 30 fb -1 Cortes de preselección: Presencia de 2μ + y 2μ - dentro del detector Momentos transversos superiores a 7 GeV/c Masa invariante de los dos pares: m μ+μ- >12 GeV/c 2 Análisis del canal H→ZZ ( * ) →4μ: Muestras empleadas

Corresponde al análisis oficial de CMS, y será empleado como análisis de referencia. Cortes aplicados: Momento transverso: p T > 15 GeV/c, 15 GeV/c, 12 GeV/c, 8 GeV/c, del muon de mayor p T al de menor. Aislamiento: Cantidad de energía transversa o momento transverso depositada en el calorímetro o en el tracker dentro de un cono de radio R 2 = Δη 2 +Δφ 2 Calorímetro: ΣE < 9 GeV, 5 GeV, 3 GeV, 2.5 GeV, R = 0.24 Tracker: Σp T < 4 GeV/c, 2.5 GeV/c, 2.5 GeV/c, 2 GeV/c, R = 0.20 μ + μ - más próximo a m Z :Masa invariante del par μ + μ - más próximo a m Z : 70 GeV/c 2 <m μ+μ-70 GeV/c 2 <m μ+μ- <100 GeV/c 2 Análisis del canal H→ZZ ( * ) →4μ: Independiente de m H

Señal: 90% de eficiencia Contaminación Zbb y tt 99.9 % de rechazo ZZ90 % de rechazo

Seleccionando sucesos de una región del espacio multidimensional, se desprecia una parte importante de la información contenida en las simulaciones. Empleo de la forma de las distribuciones para aumentar la sensibilidad del análisis a través de la creación de un nuevo discriminante, el likelihood (y i ), definido para cada suceso i como: donde x 1 …x n son las variables discriminantes. Las funciones p s k (x k ) y p B k (x k ) son las densidades de probabilidad (pdf )de la variable x k : Poder de discriminación sujeto a diferencia en las pdfs entre señal y contaminación. Intuitiva interpretación del discriminante likelihood: → 1Suceso de signatura similar a señal:y i → 1 → 0Suceso de signatura similar a contaminación:y i → 0 Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Método multivariado likelihood

Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Likelihood para canal H → ZZ ( * ) →4 μ Funciones de referencia: Ajuste a funciones simples de las variables simuladas μPdfs para cada hipótesis de masa, tomando sucesos de contaminación para el entorno de m 4μ donde hay sucesos de señal. Sobre variables incluidas para obtener likelihood sólo se aplican cortes de preselección 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

Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Likelihood masa baja, m H =140 GeV/c 2 Para m H < 180 GeV/c 2, variables empleadas: m Z2, masa del par  +  - con masa mas lejana a m Z. Para contaminación ZZ signatura distinta: Z* o γ*. p T3 y p T4, momentos de los dos muones de momento más bajo.

Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Likelihood masa baja, m H =250 GeV/c 2 Para m H > 180 GeV/c 2, variables empleadas: p T 4 , momento transverso del sistema de los cuatro muones. Para la señal corresponde con el momento transverso del bosón de Higgs.(gg→H, qq→ZZ) p T3 y p T4

Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Mejora al emplear métodos multivariados S L cuantifica el potencial de descubrimiento: SL= ( )^1/2 El método estadístico para evaluar la significación estadística empleado es LLR (Log-Likelihood Ratio). Q es el cociente de la probabilidad de que los datos correspondan a hipótesis señal más fondo entre la probabilidad de que correspondan solo a contaminación Definido para histogramas como: lnQ=-sum….. Sensible a: Forma de la distribución discriminante Número total de sucesos (Luminosidad acumulada) μVariable discriminante para el análisis: m 4μ Referencia: Cortes independientes de la masa Likelihood: Corte sobre nueva variable discriminante y

Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Mejora al emplear métodos multivariados m H < 140 GeV/c 2 : Bajo número de sucesos m H ~2m W : →Baja sección eficaz→Baja significancia ΔS L ≈ % 180 GeV/c 2 >m H >200 GeV/c 2 : Baja sensibilidad del método p T 4μ aun no efectivo m H >200 GeV/c 2 : ΔS L ≈ % Corte sobre variable Likelihood: y > 0.4 Òptimo para m H >140 GeV/c 2

Análisis del canal H → ZZ ( * ) →4 μ: Mejora al emplear métodos multivariados Descubrimiento: Probabilidad que los datos medidos sen compatibles con una fluctuación de la contaminación menor a → S L >5. Evidencia: S L > 3 Para 200 GeC/c 2 <m H < 450 GeV/c 2 : Descubrimiento para L<10 fb -1 (Luminosidad acumulada en 1 año) Evidencia para L< 4 fb -1 Para m H < 140 GeV/c 2 y m H ~ 2m W Combinar con medidas de otros canales: H → γγ, H → WW ( * )

Conclusiones: Se ha presentado un análisis dependiente en 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 otros análisis de CMS para un gran rango de masas.