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こうじつちかね
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1 LHC-ATLAS 実験でのτ 粒子を用いた Higgs 粒子の探索日本物理学会秋季大会弘前大学 2011 年 9 月 17 日塙慶太中村浩二 A 金信弘受川史彦原和彦筑波大数理東大セ A 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会 1

2 LHC ATLAS 実験 Large Hadron Collider(LHC) - 陽子陽子衝突型加速器 - 積分ルミノシティー (2011 年分 ):~2.5fb -1 設計値 2011 重心系エネルギー [TeV] 14 7 瞬間ルミノシティー [cm -2 s -1 ] ~ ATLAS 検出器 - LHC に設置されている汎用型検出器 - Higgs 粒子超対称性粒子余剰次元の探索などが行われている 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 2

導入 Tau を用いた Higgs 探索標準模型ヒッグスが tau 粒子対に崩壊する過程はヒッグスの質量が低い時の主要発見モード (τ:~7.1%, b:~64.8% MH=120GeV) ヒッグスとフェルミ粒子との結合の測定 -> 結合定数の測定はヒッグスモデルの検証に重要本研究は lh チャンネル ( 後述 ) Tau の理解が本研究の鍵! 1.

3 導入 Tau を用いた Higgs 探索標準模型ヒッグスが tau 粒子対に崩壊する過程はヒッグスの質量が低い時の主要発見モード (τ:~7.1%, b:~64.8% MH=120GeV) ヒッグスとフェルミ粒子との結合の測定 -> 結合定数の測定はヒッグスモデルの検証に重要本研究は lh チャンネル ( 後述 ) Tau の理解が本研究の鍵! 1. 同定効率 Signal, Z tautau( 主背景事象 ) の数を正確に見積もることが重要本研究では W/Z を使って同定効率を測定する 2.Jet( 粒子群 ) が tau に誤認識される確率背景事象 (QCD,W+jet 等 ) を見積もる際に重要本研究では control region から見積もる ( 後述 ) *1fb -1 での結果は中村浩二氏の講演を参照 (16pSE5) 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 3

Tau 粒子同定と効率測定法 Tau の崩壊の特徴 - Tau の崩壊モードは大きく分けて二種類レプトニック :~35%, ハドロニック :~65% - 奇数本の荷電トラック (tauが電荷をもつため) - jetの細さ (QCD jetは真空からqqbarを拾って広がる ) 同定効率測定法 - 2つの方法 :Wを使うか,Zを使うか本研究では実験初期に統計的に有利なWを使った解析方法は以下

4 Tau 粒子同定と効率測定法 Tau の崩壊の特徴 - Tau の崩壊モードは大きく分けて二種類レプトニック :~35%, ハドロニック :~65% - 奇数本の荷電トラック (tauが電荷をもつため) - jetの細さ (QCD jetは真空からqqbarを拾って広がる ) 同定効率測定法 - 2つの方法 :Wを使うか,Zを使うか本研究では実験初期に統計的に有利なWを使った解析方法は以下これらの情報より同定 1.W->taunu eventを効率よく捕まえる - 消失エネルギー (MET), 横方向質量 (Mt) またtau jet 等の要求 2. 飛跡 (track) 数分布を用いたフィッティングよりデータ中のtau(N data ) の数を見積もる = f signal *(N obs -N EWK ) + (1-f signal )(N obs -N EWK ) + + Signal : 確率分布関数 MC (W->τν) を用いる QCD : 確率分布関数分布はデータから評価する ( 次項 ) EWK : W/Zがtau 又はtau 以外に崩壊する場合の過程でshapeはMC, normalizeは observed cross section(w/z) で求めた N data と MC の期待値との比較より同定効率のずれ (Scale factor) を評価 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 4

QCD modeling QCD 過程は EWK 過程と比較して MC で実験事実を詳細に記述するのは困難であり不定性も大きいデータから tau Signal region のトラック分布の形を抽出する QCD modeling 以下の 2 つの modeling を用いる 1.

5 QCD modeling QCD 過程は EWK 過程と比較して MC で実験事実を詳細に記述するのは困難であり不定性も大きいデータから tau Signal region のトラック分布の形を抽出する QCD modeling 以下の 2 つの modeling を用いる 1. based on W+jets ( 中心値 ) W ->lnu 過程に付随する jet が tau に fake する event が QCD background として支配的 data から W->enu+jet event を選別しそれに付随する jet が tau へ fake した時の track 分布を QCD modeling とする 2.Based on QCD-dijet 方法 1 の cross check(mc prediction が間違っている可能性もあるため ) として QCD di-jet event が支配的な領域の track 分布を使う. *track 分布は signal 領域と control 領域の横方向運動量の違いを補正したものを使う 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 5

6 τ 同定効率の測定結果 Tau 同定効率の結果 (Scale factor:sf) フィッティング例 MC は data を良く再現 ( エラー内で SF~1) tau エネルギースケールの不定性が支配的 (~10%) 測定結果は SF=1 にコンシステント SF=1 とする 2011 年の高統計のデータでは Z から SF を出したものがもっとも不定性が小さい Higgs 探索に用いた tauid の不定性は ~9% 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 6

二つのレプトンが存在しない (Z や ttbar を落とす ) 3. レプトンと異符号 (opposite sign:os) の tau が存在する 4.Missing Et>20GeV 5.

7 Higgs 探索 : dataset and event selection - 本研究では一方の tau が mu/e へもう一方が hadronic に崩壊するモード (lh) を研究する Luminosity : 2.0fb -1 Trigger : single lepton trigger (muon) pt>18gev (electron)pt>22gev Event selection 1.Isolated lepton (muon)pt>20gev (electron)pt>25gev 2. 二つのレプトンが存在しない (Z や ttbar を落とす ) 3. レプトンと異符号 (opposite sign:os) の tau が存在する 4.Missing Et>20GeV 5.Transverse mass(lepton,met)<30gev 崩壊モード分岐比特徴 lep-lep (ll) ~1/9 Small stat. lep-had (lh) ~4/9 Large stat. and sensitivity Had-had(hh) ~4/9 Large background Event topology lep-tau (mu/e) had-tau 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 7

8 Backgrounds 1. Fake background - Jet が tau に誤認識されるもの QCD and W+jets レプトンと tau の charge が同電荷 (same sign) の event を使って見積もる ( 後述 ) W+jets の例 2.Physics background - 事象選択では落とせない終状態に lepton, tau and MET. Z tautau 主背景事象 embedding method( 後述 ) で見積もる Z ee/mumu, ttbar and di-boson MC similation より見積もる 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 8

Jet τ fake estimation: OS-SS method MC によるモデルは非常に困難 (Fake rate 等 ) ->Same sign(ss)event を使って data から QCD/W+jets を見積もる 1QCD (OS=SS) 補正を加えずに SS 事象を OS 事象の背景事象として使う (14% の精度で OS/SS=1)

9 Jet τ fake estimation: OS-SS method MC によるモデルは非常に困難 (Fake rate 等 ) ->Same sign(ss)event を使って data から QCD/W+jets を見積もる 1QCD (OS=SS) 補正を加えずに SS 事象を OS 事象の背景事象として使う (14% の精度で OS/SS=1) 2W+jets(OS>SS) W と jet には電荷の相関がある補正が必要補正量 (OS の超過分 ) は MT>50GeV (W dominant region) から見積もるデータ中の SS events QCD,W+jets の一部, 他の背景事象の一部が含まれる W の補正量 (Add-on) その他の背景事象の超過分 (MC から ) 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 9

10 Z ττ background : embedding method Embedding method - 実データの Z->mumu から Z->tautau の shape を見積もる手法 (Normalization は MC) 1. データから Z->mumu 候補を選択する 2. この mumu を tautau に置き換えてその部分だけ Geant4simulation を行う 3. [ 実データ (mumu の部分は除去 )]+[tautau simulation 結果 ] を混ぜてイベントを再構成する Tau 以外は全て data-driven(pile-up, underlying and Jet activity) Jet energy scale の不定性等を減らすことができる (34% 11%) Normalization - Tau 要求後の MC の数に合わせる (Jet,MET 等の不定性を防げる ) Shape - Tau 以外全てデータなので MC より信頼できる Normalization 後の Mass(lep,tau) ATLAS work ATLAS work 各カットステージでのアクセプタンス 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 10

work ATLAS work Tau Pt [GeV] Missing Et [GeV] Missing Et [GeV]

11 Kinematics : Mass(lep,tau) and Missing Et muon channel electron channel ATLAS work ATLAS work M(l,tau) [GeV] M(l,tau) [GeV] ATLAS work ATLAS work Tau Pt [GeV] Missing Et [GeV] Missing Et [GeV] いずれのチャンネルもestimationとデータが不定性の範囲内で合っている 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 11

Results Missing mass calculator(mmc) - 最終的な discriminant variable として使う - タウ粒子の方向と再構成可能な崩壊粒子の角度分布 (θ3d) を仮定して質量解を探したもの系統誤差 -Tau/Jet エネルギースケール,Tau 同定効率の不定性が支配的 Jet/tau energy scale

12 Results Missing mass calculator(mmc) - 最終的な discriminant variable として使う - タウ粒子の方向と再構成可能な崩壊粒子の角度分布 (θ3d) を仮定して質量解を探したもの系統誤差 -Tau/Jet エネルギースケール,Tau 同定効率の不定性が支配的 Jet/tau energy scale Signal Z ττ Typical value 21% 11% 5-10% Tau 同定効率 9.1% 9.1% 9.1% ATLAS work データに background expectation からの大きな excess はない 95% C.L. の limit を算出 ( 次項 ) 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 12

13 95% C.L. Cross Section Limit e+tau channel と mu+tau channel をコンバインして Higgs の生成断面積上限値を算出 ATLAS work 標準理論 (M H =120GeV/c 2 ) の約 8 倍の制限 (expected は約 10 倍 ) すでに系統誤差が支配的解析の improve が必要 VBF event など ( 将来 ) *1fb -1 での結果は中村浩二氏の講演を参照 (16pSE5) 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 13

14 Summary and plan TauID efficiency の測定 W 事象を用いて hadronic tau 同定効率の測定を行った約 15% の測定精度で MC の期待値とコンシステント Higgs 探索 2fb-1 の data を用いて Tau 粒子を用いた Higgs の探索を行った (lh channel). Background(Jet->tau fake,z->tautau) の評価を行ったエラーの範囲内で data をよく再現 Higgs Mass に対して limit を算出 (8 倍の limit@120gev) 予定 Vector boson fusion process の研究 Low stat. の background を見積もるため,τ fake rate を用いた背景事象の見積もり Tau energy 測定の改善 (track の情報を用いる ) 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 14

15 Back up 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 15

16 Based on W+jets modeling - 前述のように本解析において主要な back ground は右図のような W+jet 事象である - そこで W->enu+jet 事象を用いてこの過程における jet が tau に fake した時の track 分布を signal region の QCD modeling とする W->eν selection 後の fake jet の Track 分布 ATLAS works Property in large MET events -> High Pt jet and boosted W boson high pt Jets W lepton MissingEt Mt and dphi(jet,met) are background like. 左図より event selection 後の fake jet は MC と data で良い一致を示す data plot を QCD modeling として使う 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 16

Based on di-jet for modeling systematic - 前述のようにMC predictionが間違ってることも考えられる ( 主にq-jet, g-jetの違い等, 前述のW+jet 事象はLHCではq-jet dominant) -そこでMtの低いregionのtrack 分布をreweight

modeling の systematic uncertainty とする Mt <10 GeV reweight function: Pt(SR)/Pt(CR) ATLAS works Based on QCD-dijet ATLAS works Reweight event by event.

17 Based on di-jet for modeling systematic - 前述のようにMC predictionが間違ってることも考えられる ( 主にq-jet, g-jetの違い等, 前述のW+jet 事象はLHCではq-jet dominant) -そこでMtの低いregionのtrack 分布をreweight function{pt(sr)/pt(cr)} を使ってevent 毎に補正した分布をsignal regionのtrack 分布として用いる SR,CR は Mt 領域で以下のように定義 SR : Mt window(page6) CR : Mt<10GeV 二つの modeling の TauID SF の違いを QCD modeling の systematic uncertainty とする Mt <10 GeV reweight function: Pt(SR)/Pt(CR) ATLAS works Based on QCD-dijet ATLAS works Reweight event by event. EWKs are subtracted. Mt の低い量式では QCD( 赤 )di-jet event が支配的であり data もよく再現する W/Z 等の electroweak は MC の prediction を使って引く ATLAS works Track multiplicity 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 17

Event weight each prong ATLAS works ATLAS works MET_Topo Missing Et[GeV] Event 毎に右 plot の event

18 MET Trigger 効率の評価 -Trigger 効率を含まない tauid SF を評価するため MET trigger 効率を求める方法 Lepton trigger で W->enu event を捕まえその事象を使い以下の式のようにして MET trigger efficiency を評価する Comparison data(w->eν) with MC(W->eν) Event weight each prong ATLAS works ATLAS works MET_Topo Missing Et[GeV] Event 毎に右 plot の event weight を適用するまた系統誤差の評価として prong(tau cone 中の track 数 ) 毎の event weight を用いる 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 18

19 Jet multiplicity Signal region Mt cut 前 ATLAS works ATLAS works 2011 年 9 月 17 日日本物理学会秋季大会塙慶太 19

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LHC-ATLAS 実験におけるタウレプトン対に崩壊するヒッグス粒子の探索中村浩二, 塙慶太 A, 田中純一, 増渕達也, 山村大樹東大素セ, 筑波大数理 A 2011 年 9 月 16 日日本物理学会 @ 弘前大 1 ヒッグス探索とタウチャンネル直接探索では mh