Ricerca del bosone di Higgs nel canale WH → bbl per gli esperimenti CDF e DØ

Federico MeloniRosa

Simoniello

Bosone di HiggsL'Higgs è l'unica particella prevista dal MS

che non è ancora stata osservata

L'Higgs è:una particella scalarenon ha né carica né colore e quindi si accoppia

solo via elettrodebole

Limiti teorici su mH

Unitarietà: mH<1.2Tev

Triviality bound: fornisce il limite superiore mostrato in figura

Stability bound: fornisce il limite inferiore di mH delle decine di Gev

Limiti sperimentali su mH

LEP: mH>114 GeV al 95% di CL

Misure elettrodeboli di precisione: fanno pensare a un Higgs leggero (mH<130GeV)

Produzione di Higgs in collider pp

Ci concentreremo sull'Higgs-strahlung

a) Il loop virtuale è a priori su tutti i quarks ma il top domina

b)Vector Boson Fusion

c) Higgs-Strahlung

d) Produzione con coppie associate tt

HW → bblHiggs:

Per mH<140Gev domina h→bb

Per mH>140Gev domina h→W+W-

W: qq 67% e 11% 11% 11%

Facciamo la scelta di un Higgs leggero e per il W una segnatura semileptonica per diminuire i fondi

Tevatron

CDF• Tracker:

– Silicon detector– Central outer

tracker• Magnete• Preshower• Calorimetri:

– Elettromagnetico– Adronico

• Camere a

Silicon detector• ||<2.0• 7 cilindri concentrici di

rivelatori di silicio a microstrip

• È immerso in un campo magnetico di 1.4T → curva le particelle cariche (più lente e più leggere sono più sono curvate)

• Estremamente preciso → usato vicino al punto di collisione per cercare di distinguere particelle vicine

Central Outer Tracker• ||<1.0 • Immerso in 1.4T → traccia

particelle cariche• camera di 3m di diametro

piena di gas di Argon e etano• Fili più interni (sense wires)

(raccolgono e-)• Fili esterni più sottili (field

wires) (raccolgono ioni)Più fili ci sono, prima l'e-

raggiunge un filo → c'è meno pile up con eventi successivi

Magnete• Solenoide

superconduttore alla temperatura di 4.7K

• Coassiale alla beam pipe

• Raggio 1.5m• Campo magnetico 1.4T

Calorimetro elettromagnetico• ||<3.6 • Identificazione di sciami e- e

prevalentemente nel CEM (central electromagnetic calorimeter) con una risoluzione di

• Calorimetro a sampling: fogli di scintillatore plastico (assorbono energia e emettono luce) intervallato da strati di piombo

%2

%5.13

GeVEE

E

tt

t

HAD calorimetro adronico• Calorimetro a sampling: fogli di

scintillatore plastico (assorbono energia ed emettono luce) intervallato da strati di acciaio

• Identificazione di adroni → jet • Per calcolare E del jet → Metodo del cono

• Risoluzione

4.022 R

%5

%50

GeVEE

E

tt

t

Camera a I sono rilevati in 3

sottorivelatoriseparati:• CMU: 4 strati di camere di

deriva. Rivela con pT>1.4GeV e ||<0.6

• CMP: altri 4 strati di camere dopo 60cm di accaio. Rivela con pT>2.8GeV e ||< 0.6

• CMX: 4 strati di camere. Rivela per 0.6<||< 1

Camera • Ogni camera consiste in un solo filo

(raccolta e-) in un cilindro di alluminio (raccolta ioni+) riempito di gas.

• Le camere danno una misura accurata della posizione del muone ma non del tempo in cui è passata la particella → dietro le camere a si mettono strati di scintillatori che permettono di assegnare i visti al rispettivo bunch riducendo il fondo dato dai cosmici.

DØ

Tracker• Silicon microstrip tracker (SMT)

– Struttura di barre (r-) e dischi (r-z e r-)– Difficoltà nell'evitare zone morte

• Central fiber tracking (CFT) – || < 1.7– 8 cilindri coassiali (20cm<r<52cm) di fibre

scintillanti

Magnete• Solenoide superconduttore di diametro

1.42m e L=2.73m • B=2T• Richieste:

– Campo più possibile uniforme– Più sottile possibile per:

• Aumentare spazio per il tracciatore• Meno materiale davanti al calorimetro (1X0)

Preshower detector• Costituito da strip

scintillanti triangolari• Funziona sia come

calorimetro sia come tracker

• Serve a migliorare l'identificazione degli e-

• CPS – Tra solenoide e

CC– ||<1.3

• 2 FPS – Attacati alle

facce dell'end calo

– 1.5<||<2.5

Calorimetro• Calorimetri a sampling

Uranium/LiquidArgon

• CC → ||<1

• End calo → ||~4

• E del jet calcolata con il metodo del cono con R<0.7

• Non linearità corretta con una funzione empirica

Camere a • Per avere una misura precisa sul tracking (||<1):

– Magnete toroidale centrale:• Permette di rigettare dai decadimenti

e K• Migliora la risoluzione del momento

– Camera drift• Contenitore 2.8mx5.6m con una miscela

di gas (Argon, metano, CF4) per diminuire il tempo di raccolta delle cariche (tmax=500ns)

• Risoluzione = 1mm

Camere a • Scintillatore:

– ||<1.0– Permette di associare al rispettivo bunch.

Questo consente di ridurre notevolmente il fondo dato da cosmici.

• Forward muon system– 1<||<2

WH → l bbIl canale è caratterizzato da:

• W con decadimento leptonico– Un leptone con alto momento trasverso– Energia trasversa mancante

• Due getti di cui almeno uno taggato come b

CDF

L'analisi si basa sulle misure prese tra Febbraio 2002 e Febbraio 2006

CEM e CMUP 955 ± 57 pb-1

CMX 941 ± 56 pb-1

DØL'analisi si basa su 1.05 fb-1 di dati presi a D0 tra

l'aprile 2002 e febbraio 2006

Per l'analisi si utilizzano anche:

• Eventi con 3 getti

• Eventi con elettroni “in avanti” con ||>1.5

Tagli di CDF• 1 solo leptone isolato ad alto momento

– ET > 20 GeV per elettroni

– PT > 20 GeV per muoni

– In R = 0.4 ci deve essere meno del 10% dell'energia del leptone

• La distanza tra il vertice primario (fit tracce provenienti dal fascio) e l'inizio della traccia leptonica deve essere di minore di 5 cm

Tagli di CDF• fondo Z → ll con un leptone non identificato

– sono rigettati gli eventi con un altro leptone di pT>10GeV che forma una massa invariante con il primo vicina al range della Z (76 < m < 106GeV)

• Energia mancante > 20 GeV• Due getti H → bb con grande energia trasversa

– I getti devono essere nella regione di pseudorapidità coperta dal tracciatore per poter ricostruire i vertici secondari dei b

– ET > 15 GeV ||<2.0

Per l'analisi si usano eventi con W+2j.W+1,W+3, W+>3 si usando per verificare il modello per

il fondo

Tagli di DØ• Per il leptone isolato PT > 15GeV

• > 20GeV (25 per eventi con e- in avanti)

Per i getti:

• Se due getti → pT>25 e 20 GeV, ||<2.5

• Se tre getti → pT>25; 20; 20 GeV e ||<2.5

• La somma dei moduli dei pT>60GeV

TE

Tagli di DØ• MW ricostruita correttamente con la

• Leptone pT > 40 – 0.5 x per escludere il fondo multigetto

• L'interazione deve avvenire nel rivelatore di vertice

TE

TE

b-tagging a CDF• L'Higgs decade principalmente in coppie

bb• Utilizzare il b-tagging aiuta a eliminare il

fondo di QCD• Per migliorare la purezza del segnale

– Almeno uno dei due getti deve essere taggato come b dall'algoritmo SECVTX

– Se solo un getto è taggato come b, allora viene anche esaminato da una rete neurale

– Se entrambi i getti sono taggati come b, allora questo è sufficiente.

b-tagging a CDF

I fondi principali che potrebbero causare un mistag sono dovuti all'errata identificazione di getti gluonici o leggeri o dal confondere quark c come getti b.

Per questo si utilizza una rete neurale (NN) per migliorare la purezza del campione taggato

SECVTX in breve• Tracce comprese in R=0.4 (in -)• Le tracce sono catalogate attraverso la loro

significanza (S = d/d)

I vertici secondari sono ricostruiti con due filtraggi successivi di alta e più bassa qualità

• Il primo passaggio richiede– 3 tracce con pT>0.5 GeV e S>2.0

– almeno una traccia con pT>1.0GeV

SECVTX in breve• Il secondo

– 2 tracce con pT > 1.0 GeV e S>3.5

– almeno una traccia con pT>1.5 GeV

Se uno dei due filtri ha successo, si calcola la significanza trasversa del vertice (dxy/xy)

Infine i getti sono taggati positivamente o negativamente a seconda del loro segno

dxy/xy > 7.5 Positivo dxy/xy < -7.5 Negativo

Il segno indica la posizione del vertice secondario rispetto al primario lungo la direzione del getto.

NN taggerSi compone di due reti in serie basate su 16

variabili (molteplicità della traccia, massa invariante, vita media, funzione di frammentazione etc)

• Una rete b-l che serve a distinguere i getti b dai getti leggeri

• Una rete b-c che distingue getti b e getti c

Gli eventi che superano un dato taglio di entrambe le reti sono accettati

NN tagger Per il training della rete si usano eventi

che hanno superato il tag con SECVTX• La rete neurale viene validata

confrontando i risultati sui dati e su eventi montecarlo

Si sceglie un taglio per il 90% di efficienza con NNb-l = 0.182 NNb-c = 0.242

FondiLo stato finale l bb è raggiunto anche da altri

processi.

I principali fondi sono dovuti a:• produzione di W + getti• produzione di tt• fondi QCD con getti senza W• processi elettrodeboli

QCD senza W Si confondono con per la presenza di falsi

leptoni o false energie mancanti

I leptoni non W sono ricostruiti quando• un getto passa i criteri di selezione per i

leptoni• un quark pesante decade

semileptonicamente

L'energia mancante può essere dovuta• errori di misura dell'energia• decadimenti semileptonici di quark pesanti

QCD senza WE' difficile riprodurre la seconda classe di

errori poiché i motivi che portano ad una errata misura di E non si possono inserire nei montecarli

Pertanto il contributo degli eventi senza W viene stimato a partire dai dati prima dell'applicazione del b-tagging

In generale gli eventi senza W sono caratterizzati da leptoni non isolati e poca energia mancante

Mistag• La probabilità con cui il SECVTX commette

errori nel taggare getti leggeri viene ricavata da campioni generici di getti catalogati per diverse , , ET del getto, molteplicità di traccia, ET totale dell'evento.

• Le probabilità di tagging sono sommate per tutti i getti taggabili dell'evento (cioè con almeno due tracce nel rivelatore a silicio)

• La probabilità di un doppio errore è bassa perciò quanto fatto costituisce una buona stima per il singolo mistag

• Le tracce con parametri non fisici sono una buona stima per il fondo.

W + Getti pesanti

Le principali sorgenti di fondo per i vertici secondari sono Wbb, Wcc e Wc

Questi processi sono noti solo al LO perciò la frequenza di questi processi viene normalizzata con i dati una volta che si sono sottratti tutti gli altri fondi noti

TOP e processi elettrodeboli La produzione di tt e di top singolo

costituiscono entrambe un fondo di leptone+getti (t → W + b)

Anche diversi processi elettrodeboli possono contribuire

• WW possono decadere in , l e due getti di cui uno potrebbe essere c

• WZ → W bb o Wcc• Z → +- con successivo decadimento

adronico o leptonico

Accettanza del segnale dell'HiggsLa cinematica del processo WH → lbb è ben nota

ed è stata simulata con dei montecarlo• Si prende in considerazione un range di masse tra

110 e 150 GeV poiché questa è la regione in cui H → bb è dominante

Il numero di eventi aspettati è dato da

Dove è l'efficienza del detector, ∫Ldt è la luminosità integrata, la sezione d'urto di produzione, B il branching ratio

Le maggiori fonti di inefficienza sono l'identificazione dei leptoni, la cinematica dei getti e il b-tagging

)( bbHBWHppLdtN

Ottimizzazione della ricerca

• In questa analisi la miglior significanza si trova nella distribuzione con due getti

• La miglior significanza si ottiene per un getto selezionato dal SECVTX e che ha sorpassato il filtro della rete neurale oppure da due getti taggati da SECVTX

Si calcola la significanza del segnale (S/√B)

S e B sono il numero aspettato di eventi rispettivamente di segnale e fondo.

A sinistra 1b-tag+NN, a destra 2b-tag

Analisi dei dati a CDF Si usa una tecnica di Likelihood

istogrammata Il numero di eventi in ogni bin segue la

distribuzione di poisson

Dove ni, i e Nbin rappresentano il numero di eventi osservati, il numero di eventi aspettati ed il numero dei bin

• Si pone i = si + bi (segnale e fondo)

),...,2,1(!

, bini

ni

iii Nin

enP

ii

Analisi dei dati a CDFIl limite superiore per la produzione

dell'Higgs è estratta in modo bayesiano dalla Likelihood

Mentre il fondo viene estratto da una likelihood più complicata che tiene conto dei diversi contributi presi in esame precedentemente

bin iiN

i i

ni

n

eL

0 !

Risultati CDFSi assume una distribuzione a priori per B piatta e

si integra su tutti i parametri eccetto B

Si osserva che il limite nella regione di bassa massa è al più due deviazioni standard al di sopra di quanto aspettato.

Tuttavia questo è ancora compatibile con una fluttuazione delle distribuzioni dei due getti intorno a mH=115 GeV

Analisi dei dati a DØSi analizza la distribuzione dei due getti (2b-tag +

NNb loose; 1b-tag+ NNb tight) e una rete neurale per l'analisi.

La rete neurale è basata su 7 variabili cinematiche:

• pT del primo e del secondo getto in ordine di pT

• R(j1; j2)

• (j1; j2)

• pT della somma dei due getti

• Massa invariante dei due getti

• pT(W)

Analisi dei dati a DØLa rete neurale viene addestrata per ogni

valore di massa dell'Higgs, e, , 1b-tag e 2b-tag

Le reti ottenute vengono quindi applicate ai dati W+2getti ed il loro output utilizzato per l'analisi finale

Nel caso di W+3 l’analisi si basa sulla distribuzione di massa invariante di due getti.

Si utilizza quindi il metodo del CL per cercare la compatibilità dei dati con la presenza di un segnale di Higgs

Risultati DØ

In questa analisi, la differenza tra limiti osservati e aspettati è meno di 1.5

Risultati combinati

La combinazione delle misure di CDF e DØ ha portato ad escludere al 95% di CL una regione di massa tra i 160-170 GeV.

L’esclusione è stata calcolata attraverso un rapporto tra sez d’urto misurata e calcolata per i diversi valori di massa dell’Higgs

Bibliografia Diapositive del corso di particelle 2 del professore Luciano

Mandelli Search for associated W and Higgs boson production in pp

collisions at √s=1.96TeV

Physical review letters 6 february 2009 Search for Wbb and WH production in pp collisions at s= √

1.96TeV

Physical review letters 11 march 2005 Search for Standard Model Higgs boson production in

association with a W boson at CDF

24 March 2009 Combined CDF and DØ Upper Limits on Standard Model Higgs-

Boson Production with up to 4.2 fb−1 of Data

Draft “The upgraded D0 detector” (www.sciencedirect.com) http://www-cdf.fnal.gov/virtualtour/index.html http://www-d0.fnal.gov