Búsqueda del bosón de Higgs en el canal H→ZZ(*)→4μ en CMS empleando un método de análisis multivariado

Alejandro Alonso Díaz

27 de Septiembre de 2007Trabajo 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(*)→4μ Análisis:

Independiente de la masa del Higgs Método multivariado: Likelihood Análisis dependiente de la masa del Higgs Resultados del análisis basado en likelihood

Conclusiones

Introducción Modelo Estándar, describe las interacciones

fundamentales Masa de las partículas: Mecanismo de

Higgs Campo escalar → Boson de Higgs Ruptura espontánea de simetría. No detectado, mH parámetro libre

Restricciones: Búsquedas directas:

mH >114.4 GeV/c2

Medidas de precisión EWK:mH < 225 GeV/c2

El acelerador LHC Colisionador protón-

protón, CERN, Ginebra

s1/2 = 14 TeV L = 1034cm-2s-1

20 fb-1/año 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

Solenoide superconductor: 4T

Medida precisa de p y E

Bosón de Higgs: Producción en LHC

Procesos dominantes: gg→H y →H y qq→Hqq→Hqq

En LHC: σ(H) ~ 10-9 σ(pp) Requerida alta

luminosidad Gran capacidad de

filtrado de la contaminación

Bosón de Higgs:Desintegración

Decae en pares de bosones y fermiones. Acoplo proporcional a la masa de los productos.

Golden Channel de CMS

H→ZZ(*)→l+l-l+l-

mH ~2mW

H→WW(*)→lνlν

mH <130 GeV/c2

H→γγ

Bosón de Higgs:

Canal H→ZZ(*)→4μ

Señal: 22μμ++ y 2 y 2μμ--: aislados, alto momento transverso, vértice primario común: aislados, alto momento transverso, vértice primario común Dos parejas μμ++μμ--. Al menos una compatible con m. Al menos una compatible con mZZ

Masa invariante de los cuatro muones resonante: mMasa invariante de los cuatro muones resonante: m44μμ~ mmHH

Contaminación: sucesos con 4 muones alto momento transverso pp → tt→W+W-bb →4μμ+X+X

pp →Z(*)/γ(*)bb →4μμ+X+X μμ++μμ--: Cascada hadrónica: poco aislados, bajo pT, no compatible con mZ

Fácilmente separable pp → (Z(*) /γ*)(Z(*)/γ*) →4μμ:

Muy similar a la señal mm44μμ no resonante no resonante

Análisis del canal H→ZZ(*)→4μ:Independiente de mH

Estudio con sucesos simulados: 120 GeV/c2<mH <600 GeV/c2

L = 30 fb-1

Preselección básica: Sucesos 22μμ++ y 2 y 2μμ--,

En la aceptancia del detector |η|< 2.5

pT > 7 7 GeV/c, permitir la reconstrucción

Análisis del canal H→ZZ(*)→4μ:Independiente de mH

Criterios de selección: Análisis oficial CMS mmμμ++μμ-- ~ m mZZ Aislamiento de muones

Tracker: Ausencia de trazas próximas a cada muon

Calorímetro: Ausencia de depositos de energía próximos al muon

pT

Eficiencia: Del 30 al 50 % para señal 5% para ZZ 10-6% Zbb y tt

Método multivariado likelihood

1

kk

kB dxxp

ikk

Bnk

ik

kS

nk

ik

kS

nk

ni

xpxp

xpxxy

11

11...

1

kk

kS dxxp

Cortes ortogonales desprecia parte importante de información contenida en variables discriminantes x1....xn

Forma de las distribuciones. Likelihood (yi), aumenta la sensibilidad clasificando sucesos según su similitud con la señal o el fondo.

Definido para cada suceso i como:

Intuitiva interpretación: Suceso de signatura similar a señal: yi→ 1→ 1 Suceso de signatura similar a contaminación: yi→ 0→ 0

psk(xk), pB

k(xk): densidades de probabilidad de la variable xk , señal y contaminación

Poder de discriminación: diferencia entre psk(xk) y pB

k(xk)

Likelihood para canal H→ZZ(*)→4μ

Funciones de referencia, psk, pB

k: Masa del bosón de Higgs, Parámetro libre: Análisis para distintas

hipótesis de mmHH

Dependientes de mmHH

Ajuste a funciones análiticas de las variables simuladas Sucesos en el entorno de m4μμ ~~ m mHH: Cinemática similar y dificiles de

descriminar

Dos regiones de masa mH<2mZ ~ 180 GeV/c2

Uno de los bosones Z virtuales mH> 2mZ

Los dos bosones Z reales

Distribuciones para mH<2mZ :Ejemplo mH = 140 GeV/c2

mH < 2mZ: mZ2 masa del par +- con masa mas lejana a mZ pT3 y pT4, muones de momento transverso más bajo

mH > 2mZ: pT

4, momento transverso del sistema de los cuatro muones. Señal: pT bosón de Higgs. (gg→H, qq→ZZ)

pT3 y pT4

Distribuciones para mH >2mZ :Ejemplo mH = 250 GeV/c2

Para cada hipótesis de mH

Selecionamos sucesos signal-like

Corte en y,compromiso entre: Pureza Eficiencia

y ~ 0.4Óptimo paramH>140GeV/c2

Método de análisis

y

Potencial de descubrimiento

Resultado del análisis se cuantifica en términos de significación estadística, calculada con la distribución de m4μ de sucesos que superan el corte en y.

Significación estadística, SL: Incompatibilidad de la señal con fluctuaciones estadísticas de la

contaminación Número de desviaciones estándar señal sobre contaminación Aumenta con el número de sucesos observados y con la reducción de

la contaminación Potencial de descubrimiento:

Probabilidad datos medidos compatibles con fondo < 2.85 10-7

SL= 5

Evidencia SL = 3

Resultados empleando métodos multivariados

Corte sobre variable Likelihood: y > 0.4 Mejora significativa en un amplio rango de masas

Resultados empleando métodos multivariados

Mayor SL → Menor luminosidad acumulada para descubrir el bosón de Higgs

Conclusiones:

Análisis del potencial de descubrimiento del bosón de Higgs dependiente de mH

Basado en un método multivariado: likelihood

Explota la información contenida en las distribuciones de ciertas variables discriminantes

Mejora significativa respecto al análisis oficial de CMS para un amplio rango de masas