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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
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1
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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