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こうたのじま
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1 LHC における Higgs 探索東京大学素粒子物理国際研究センター中村浩二 On behalf of & 2011 年 9 月 17 弘前 1

2 Higgs 粒子 1964 年 : 対称性の破れとゲージ粒子の質量 (P. Higgs et. al.) 質量のあるスカラー粒子 :Higgs 粒子の存在 Higgs 粒子の質量 : 理論からの予想は困難 1983 年 : W/Z ボソンの発見 1995 年 : トップクォークの発見質量におおまかな制限 ( GeV) しかし LEP(~2000 年 ) : m H <114GeV 棄却 Tevatron(~2011 年 ) : 158 < m H <173GeV 棄却いまだに未発見 LHC は残る領域を探索するパワフルなマシーン 2011 年 9 月 17 弘前 2

3 最速ヒッグス粒子生成マシーン Tevatron 2.5fb -1 今回は 1-2fb -1 の good data を解析 4 x LHC EPS LHC でのヒッグスの生成断面積は 15x Tevatron(@120GeV) Peak luminosity は 6 倍 LHC は Tevatron の約 100 倍のレートでヒッグスを生成 Peak 時は約 50 event/sec (@120GeV) LP 2.4 x 年 9 月 17 弘前 3

4 ヒッグス粒子の生成崩壊過程 Gluon Fusion(ggF) Vector Boson Fusion(VBF) W/Z 随伴生成 (WH/ZH) 生成過程崩壊過程 bb, WW, ττ, γγ, ZZ すべてが大事 2011 年 9 月 17 弘前 4

主要なチャンネル現在探索が行われている過程の Higgs の生成率 ( 数 ) Low mass : H ττ High mass : H WW 1 fb -1 での生成数 10 3 10 2 10 1 10 0 典型的な事象選択後の信号背景事象数分布を用いた解析につては信号が 90% 含まれる領域の事象数 channel Ns bkg S/N H ττ (ggf/vbf) τ l τ h

5 主要なチャンネル現在探索が行われている過程の Higgs の生成率 ( 数 ) Low mass : H ττ High mass : H WW 1 fb -1 での生成数典型的な事象選択後の信号背景事象数分布を用いた解析につては信号が 90% 含まれる領域の事象数 channel Ns bkg S/N H ττ (ggf/vbf) τ l τ h /150 τ l τ l +jet /60 H γγ (ggf) /45 H bb(wh) /180 H WW (ggf) H ZZ (ggf) lνlν+0j ~1 lνlν+1j /2 lνqq 53 2x10 4 1/400 llll ~1 1-2 fb -1 llνν /14 llqq / 年 9 月 17 弘前 5

6 今回結果を出したチャンネル H γγ (1.08fb -1 ): 16pSE-6 山村 ( 東大 ) H WW lνlν (1.70fb -1 ): 16pSE-4 増渕 ( 東大 ) 17pSD-3 吉原 ( 東大 ) lνqq (1.04fb -1 ): 17pSD-2 後藤 ( 東大 ) H ZZ 4l (2.2fb -1 ) llνν (1.04fb -1 ) llqq (1.04fb -1 ) H bb (1.04fb -1 ) H ττ (1.06fb -1 ): 16pSE-5 中村 ( 東大 ) 17pSD-7 塙 ( 筑波大 ) 2011 年 9 月 17 弘前 6

7 H γγ 2011 年 9 月 17 弘前 7

8 H γγ W/top の loop を介した崩壊で崩壊分岐比が小さい (0.2%) σxbr=0.04pb 特徴的かつ Simple な崩壊で背景事象が少なくアクセプタンスも大きいイベントセレクション Trigger : 2 photon trigger 2つのhigh-qulity isolated photon (pt1>40gev, pt2>25gev) *CMS: 30GeV Signal Model Cristal Ball + gaus tail 120GeV σ core =1.7GeV Background decomposition 基本てきにリミット計算には使わないが Isolation と同定の質から γj, jj の割合を計算主なバックグラウンド pp γγ ~30pb( 約 1000 倍 ) Mγγ の分解能が鍵 jet γ fake γ+jet と jet-jet 事象 (1.8x10 5, 4.8x10 8 pb) 10 4 レベルの除去両方とも理論の不定性が大きい data で見積もる必要あり Conversion と 5 つのカテゴリー Conversionの数 Etaの領域信号 σ core γγ purity Nconv = 0 共にcentral( η <0.75) 8% 1.39GeV 83% それ以外 28% 1.59GeV 69% Nconv 1 共にcentral( η <0.75) 7% 1.61GeV 75% central-forwardの境目 16% 2.10GeV 70% それ以外 41% 1.88GeV 70% 2011 年 9 月 17 弘前 8

9 Mγγ 分布全カテゴリー共に unconverted 共に central( η <0.75) : 8% それ以外 : 28% 少なくとも一つconverted. 共にcentral( η <0.75) : 7% central-forwardの境目 : 16% それ以外 : 41 % 赤線は double exponential によるフィットリミット計算ではこの line をバックラウンドとする 2011 年 9 月 17 弘前 9

$結果と CMS との比較 95%CL limit (ATLAS) CMS Classifiers R9 energy fraction in the highest cell max η$ 40GeV (ATLAS より若干悪いクリスタルの LED calibration で改善する ) 3.

10 結果と CMS との比較 95%CL limit (ATLAS) CMS Classifiers R9 energy fraction in the highest cell max η central/forward high/low pt γγ 8 Categories Mass resolusion σ eff =2.40GeV (ATLAS より若干悪いクリスタルの LED calibration で改善する ) 3.3xSM@120GeV No significant Excess Found for both exp. 3.5xSM@120GeV (2.8xSM expected) CMS : 140GeV に excess (p=0.25%) 1.6σ by Look Elsewhere Effect 2011 年 9 月 17 弘前 10

11 H WW 2011 年 9 月 17 弘前 11

H WW lνlν 崩壊分岐比が大きくバックグラウンドも少ない 125GeV-200GeV で最も感度が良いチャンネルイベントセレクション 2 つの異符号のレプトン (e or μ)

b-jet veto pt tot <30GeV Z ττ veto 主なバックグラウンド WW, W+jets (0jet) Top, WW (1jet) W+jets

SM WW から信号を分けるためのセレクション Higgs の質量領域ごとに最適化 mh<170 170 mh<220 mh 220 Mll <50GeV <65GeV

12 H WW lνlν 崩壊分岐比が大きくバックグラウンドも少ない 125GeV-200GeV で最も感度が良いチャンネルイベントセレクション 2 つの異符号のレプトン (e or μ) M ll >15(10) for ee, μμ, (eμ), M ll Mz METrel>40(25) for ee, μμ, (eμ) 0jet pt ll >30GeV 1jet b-jet veto pt tot <30GeV Z ττ veto 主なバックグラウンド WW, W+jets (0jet) Top, WW (1jet) W+jets はすべてデータから見積もる (Fake rate method) WW, top は分布は MC を信じデータ (CR) を用いて規格化 Event Topology とセレクション SM WW から信号を分けるためのセレクション Higgs の質量領域ごとに最適化 mh< mh<220 mh 220 Mll <50GeV <65GeV 50<Mll<180GeV Δφll <1.3 <1.8 No Cut MT 0.75*mH< M < mh 0.60*mH< M < mh Top CR 2011 年 9 月 17 弘前 12

13 MT 分布と limit 0 jet 95% CL で 154<mH<186GeV の質量領域を棄却 1 jet GeV はデータがバックグラウンドのみに比べて 2σ 弱高く 130GeV の信号と同程度 2011 年 9 月 17 弘前 13

14 The Same channel from CMS 0 jet ほぼ ATLAS と同様の手法細かい質量領域カテゴリーでの最適化 WW CR 1 jet 95% CL で 147<mH<194GeV の質量領域を棄却 2011 年 9 月 17 弘前 14

15 H WW lνqq 大きな W+jets バックグラウンド低い質量のヒッグス探索は困難 240<mH<600 GeV 質量分布をフィットして peak を探すイベントセレクション 1 つの high-pt (30GeV) lepton(e or μ) 2 本の high-pt (25GeV) jet 2jet mass が W の質量 (71 < mjj<91gev) 主な背景事象と観測数 3xSM (5xSM 400GeV 2011 年 9 月 17 弘前 15

16 H ZZ 2011 年 9 月 17 弘前 16

17 H ZZ ll+x 4lepton(6%): 崩壊分岐比が小バックグラウンドが少ない質量分解能が良い llqq(70%): 崩壊分岐比が大 Z+jets バックグラウンドが大きい llνν(20%): mh>2mz で最も感度の高いチャンネル唯一 low mass 探索が可能 Off shell(zz*) が使えない探索が行われている質量領域 4lepton llqq llνν 共通のセレクション :mz(±15gev) に再構成される 2 つの lepton ペア (>20GeV) *4l は 7GeV for 2 nd 4 lepton セレクションもう一つの lepton ペアは mh 依存なカット mh<120gev mll>15gev mh>200 GeV mll>60gev llqq セレクション MET<50GeV >2jet with mw(-10+20gev) カテゴリー :2b-tag と 0/1b-tag llνν セレクション MET>66(82)GeV for mh<280(>=280)gev and b-jet veto High mass : boost Z (Δφll<2.25) Background は ZZ* (Top) 見積もりは MC Background は Z+jets Mjj のサイドバンドから評価 Background は Top MC で評価 (b-tag CR でチェック ) 2011 年 9 月 17 弘前 17

18 結果 (4lepton) と CMS との比較 CMS 1.66fb -1 95% CL で 190<mH<200GeV と 214<mH<226GeV の質量領域を棄却 mh=242gev に小さな excess(p=6.8%) 185<mH<290GeV の 4 箇所を棄却 2011 年 9 月 17 弘前 18

19 結果 (llqq, llνν) llqq w/o b-tag llqq b-tag llνν 95% CL で 350<mH<450GeV の質量領域を棄却 2011 年 9 月 17 弘前 19

20 H bb/ττ 2011 年 9 月 17 弘前 20

21 WH/ZH bb Low mass で圧倒的な崩壊分岐比バックグラウンドが多いため W/Z 随伴生成のみ解析イベントセレクション WH 1 lepton (25GeV) ZH 2 leptons (20GeV) mz(±15gev) 2 b-tagged jets (25GeV) MET>25GeV mt<40gev MET>50GeV WH 主な背景事象と観測数 ZH WH ZH 2011 年 9 月 17 弘前 21

22 H ττ 低い質量領域で重要なチャンネル MSSMヒッグス探索においてもGolden チャンネル lep-lep lep-had had-had e or μ 2 (15/10GeV) 1(25/20GeV) 0 Had-tau 0 1(20GeV) 2(40/30GeV) MET >20GeV >25GeV MT l,met イベントセレクション Δφ/sumpT >2.0/<120GeV 主なバックグラウンド <30GeV Z τ τ W+jets, QCD, Top その他 Z ee/μμ, Top, WW/WZ/ZZ Z ττ の分布および W+jets, QCD はデータから見積もる SM ヒッグス探索 lep-lep+1jet と lep-had チャンネル MSSM ヒッグス探索 lep-lep, lep-had, had-had すべてのチャンネル SM ヒッグス探索用の lep-lep+1jet : 0.8 signal, 47 bkg event, 46 event obs 年 9 月 17 弘前 22

23 質量分布 ll+1jet SM ヒッグス探索 MSSM ヒッグス探索 hh ll lh 2011 年 9 月 17 弘前 23

24 SM および MSSM の制限 SM MSSM mhmax シナリオ μ>0 のとき ma-tanβ 領域の制限 2011 年 9 月 17 日 6xSM(12xSM exp.)@120gev モデルによらない制限弘前 24

25 Combination 2011 年 9 月 17 弘前 25

26 ATLAS Combin したチャンネル 2011 年 9 月 17 弘前 26

27 ATLAS combination 棄却した領域 , , GeV (Expected はまですべてを棄却 ) 広い領域で expected よりも高い観測値 2011 年 9 月 17 弘前 27

28 CMS combine したチャンネル 2011 年 9 月 17 弘前 28

29 CMS combination 棄却した領域 , , GeV (Expected はまですべてを棄却 ) 広い領域で expected よりも高い観測値 2011 年 9 月 17 弘前 29

30 結果の解釈 ( 発見の可能性 ) 2σ 3σ p-value Signal がないと仮定したときのデータを観測する確率 Significant な excess はない 120GeV 以下と 130GeV 付近は信号ありに近い分布しかしまだ統計のふらつきを見ている CMS のスパイクは ZZ(γγ) によるもの ZZ や γγ の excess は慎重に扱う必要がある (LEE) 2011 年 9 月 17 弘前 30

31 実験前の予測との比較と課題 / 展望 2011 年 9 月 17 弘前 31

32 実験前の予測感度と課題実験前の感度予測実際の結果全体的にほぼ予想通り特に ggf が支配的な過程 H ZZ, H WW, H γγ Low mass 探索に課題 H ττ : VBF 過程 H bb : boost Higgs 2011 年 9 月 17 弘前 32

33 Low mass Higgs (m H <130GeV) 現在この領域を探索しているチャンネル典型的な事象選択後の信号背景事象数分布を用いた解析につては信号が 90% channel Ns bkg S/N H ττ (ggf/vbf) τ l τ h /150 τ l τ l +jet /60 H γγ (ggf) /45 H bb(wh) /180 H WW(ggF) lνlν+0j /10 lνlν+1j /9 H ZZ(ggF) llll /3 S/N を上げる努力 VBF, boost Higgs 120GeV 信号の数 ( アクセプタンス ) を増やす努力 pt の閾値を下げるすべてのチャンネルが重要!! データを理解することで改善可能 2011 年 9 月 17 弘前 33

まとめと展望 7TeV の衝突開始以来 1 年半順調にデータが取得されヒッグス粒子の質量に対する制限に歴史的な革新があった LEP Tevatron ATLAS CMS 許される領域 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 許されている領域は 466GeV 以上の high mass と 290GeV

34 まとめと展望 7TeV の衝突開始以来 1 年半順調にデータが取得されヒッグス粒子の質量に対する制限に歴史的な革新があった LEP Tevatron ATLAS CMS 許される領域許されている領域は 466GeV 以上の high mass と 290GeV 付近の極小さい領域を除けば 114GeV<mH<145GeV この領域の探索には改良の余地が多い 5fb -1 ( 今年 ) で 125GeV 以上のヒッグスは 3σ で発見することが予想されている (realistic) 残る領域は解析の改善及び来年のデータ (+10fb -1 ) で明らかにする 2011 年 9 月 17 弘前 34

35 現在はあれはやはりヒッグスなんじゃないか? 2011 年 9 月 17 弘前 35

36 来年にはどこにあるのかすぐに明らかになるさあれはやはりヒッグスなんじゃないか? 2011 年 9 月 17 弘前 36

37 backup 2011 年 9 月 17 弘前 37

38 統計手法 (Profile Likelihood) Likellihood の構築 2011 年 9 月 17 弘前 38

39 統計手法 (Profile Likelihood) Test Statistics( 何を用いて検定するか ) 観測量 (s, b, nuisance parameter) を用いて作ることができる量例えば最も簡単には event 数 (S/ B) LEP 以降の実験ではこれが複雑化 2011 年 9 月 17 弘前 39

40 統計手法 (Profile Likelihood) ATLAS/CMS での test statistics 2011 年 9 月 17 弘前 40

41 Confidence Level と p-value 基本的にTest Statisticsはμの関数 ~ L(, θ) q 2ln L(, θ) Confidence Level μ を固定して θ のみをパラメータにしたフィット (conditional ensemble) θ はμの時のベストフィット μもθもパラメータにしたベストフィット (unconditional ensemble) μもθはベストフィット p-value μ=0の時の確率 p 0 = f(q 0 0, θ (0, obs))dq 0 q 0,obs L(0, θ) L(, θ) 2011 年 9 月 17 弘前 41 q~ 0 2ln

42 Look Elsewhere Effect(Trial Factor) 信号がないときに 1 回の実験で 5σ の excess を観測する確率と n 回の独立した実験のうちもっとも大きな excess が 5σ になる確率は等しくない極端な例 :background が 10-7 event の時 1event 観測されたら 5σ ただし独立な実験を 10 7 回繰り返せば起こりうるつまり n 回試行で最大の excess はその点の実際の excess よりも大きな確率で起こる独立具合が鍵極小さな q 0 と何度交差しているかで評価 ZZ->4l や γγ は mass 間の相関が少ないのでこの数が多い実際の p-value との差が大 2011 年 9 月 17 弘前 42

43 2011 年 9 月 17 弘前 43

44 2011 年 9 月 17 弘前 44