Ricerca del bosone di Higgs nel canale WW al Tevatron

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1 Ricerca del bosone di Higgs nel canale WW al Tevatron

2 Ricerca al Tevatron CDF note 9764, Search for H WW Production at CDF Using 3.6 fb -1 of Data Dated April 27, 2009 Tevatron (Fermilab): collider ppbar run II: = 1.96 TeV D0 note 5871-CONF, Search for Higgs Boson Production in Dilepton plus Missing Transverse Energy Final Staes with fb -1 of ppbar Collisions at s = 1.96 TeV Dated March 6, 2009

3 Outline Decadimento e produzione, segnatura e caratteristiche del canale I fondi I rivelatori: Cdf e D0 Selezione degli eventi Metodi variazionali Risultati

4 Decadimento dell Higgs in WW dileptoni Sensibilità per M H > 140 GeV Canale che dà la massa sensibilità al Tevatron (per M H = 160 GeV) l = e, μ, τ τ in eν o μν Segnatura elettrodebole! BR WW in dileptoni: 10 %

5 Decadimento dell Higgs in WW Higgs: scalare Correlazione angolare pecualire Potere di discriminare il fondo Massa trasversa del sistema Atteso un picco Jacobiano per il segnale, contro un fondo piatto

6 Produzione di Higgs in collisioni p pbar Fusione gg: dominante (alto contenuto di g in p e pbar) ok perché non ho bisogno della segnatura elettrodebole (già dal decadimento) σ NNLO (gg ) = pb difficile in ambiente adronico Alternativi inclusi nell analisi: Produzione associata con W o Z Vector Boson Fusion (VBF)

7 Segnatura 2 leptoni (e, μ) di carica opposta E T miss 0 o n jets (jets dagli altri processi di produzione) jets l + l - E T miss

8 Fondo Fondi con stessa segnatura (ma caratteristiche cinematiche e dinamiche diverse!): WW con i due W che decadono in l + l - neutrini ZZ con una Z in l + l - Jets Energia? b-jet? Leptone? l + l - Fondi che possono imitare la segnatura: Drell Yan (+Z), con E T miss dovuta a code di risoluzione WZ con 3 l carichi e un neutrino con un l perso ttbar, con entrambi i b persi W jets, con un jet misedintificato per e multijet, con un jet misidentificato per e e falsa E T miss Wγ, con il γ misidentificato per e DY WZ ttbar Leptoni Energia? e o γ? l da decadimenti in volo? Wj j Wγ E T miss Vera o da code di risoluzione?

9 Rivelatori: Cdf η=1 Central Forward η=2 η=3.64 Lead and scintillator X 0,, 1 λ Iron and scintillator Projective tower geometry λ B = 1.4 T 6 X 0

10 Rivelatori: D0 η 2 Forward η 4.2 η 1 Central Muon Detectors: scintillator trigger counters, drift tubes Toroid Magnets: B = 1.8 T Solenoid coil: B = 2 T Central Fiber Tracker Silicon Microstrip Tracker: η <3 Preshower Calorimeter: Liquid Argon and Uranium calorimeter Electromagnetic section Fine hadronic section Coarse hadronic section

11 Selezione degli eventi jets Energia? b-jet? Leptone? l + l - Leptoni Energia? e o γ? l da decadimenti in volo? Jets distinguere i jet originati da b distinguerli dai leptoni misurare bene l energia Leptoni distinguerli dagli adroni distinguerli dai fotoni misurare bene l energia distinguere bene la carica E T miss Vera o da code di risoluzione? E T miss Eliminare code da possibile cattiva misura dell energia di jet e leptoni

12 Elettroni Cluster nel calorimetro elettromagnetico con E T sopra a una soglia Isolamento (E T e p T entro un cono ΔR % del totale) Corrispondenza fra il cluster e una traccia nel tracker ben misurata e con p T sopra a una soglia ( 10 GeV) Rapporto E had /E em compatibile con uno sciame elettromagnetico Forma dello sciame elettromagnetico: comparazione con i profili MC, cluster in SMX (CdF) Rapporto fra E T nel calorimetro e p T misurato nel tracker circa 1 Tagli diversificati per le categorie central e forward (Cdf)

13 Muoni Hit nel rivelatore dei muoni Isolamento (E T e p T entro un cono ΔR % del totale) Se un segmento di traccia (stub) è ricostruito nel rivelatore dei muoni: corrispondenza con una traccia nel tracker con p T sopra a una soglia Se non c è stub: traccia nel tracker con p T sopra a una soglia, compatibilità con l essere una MIP nei calorimetri e nel tracker (solo Cdf) Compatibilità dell origine della traccia dal vertice primario (cosmici)

14 E T miss E T miss 20 GeV Correzione di E T miss per i muoni che non perdono tutta la loro energia nel rivelatore Definizione di variabili che permettano di rigettare E T miss dovuta a cattiva misura di E T di leptoni e jet, in particolare di richiedere che E T miss trasversa a ogni leptone o jet sia maggiore di una soglia minima (E T miss longitudinale è più facilmente dovuta a mismeasurement) Δϕ > π/2 Δϕ < π/2

15 Selezione degli eventi Due leptoni che soddisfino i criteri di ID, con carica opposta e con p T ed E T superiori a delle soglie ( 20 GeV), compatibili con il provenire dallo stesso vertice primario E T miss che soddisfi i criteri già menzionati Condizione sulla massa invariante della coppia di leptoni (M l+l- 15 GeV ) (heavy flavors) Condizioni sugli eventuali jets e sulla separazione leptone-jet (multijet, Wj) Reiezione degli eventi con jet con b-tag (CdF) (ttbar) Reiezione degli eventi con leptoni da conversione (Wγ) Condizione sulla separazione in ϕ dei leptoni (D0) (DY, Z) Jets E T miss l + l - Leptoni

16 Dopo i tagli: Cdf Cdf 0 jets Cdf 1 jet Cdf 2+ jets In 0 jets il fondo dominante è WW, t tbar è poco il meno importante In 2+ jets t tbar è dominante Il mix dei fondi cambia a seconda della molteplicità di jet

17 Dopo i tagli: D0 Si nota l efficacia dei tagli fra preselezione e finale (tagli su E T miss e angolo di separazione fra i leptoni) Mix dei fondi variabile a seconda dello stato finale

18 Strategia miglioramento S/B Sfruttare le variabili con potere di discriminazione segnale-fondo: Massa invariante dei prodotti di decadimento Distribuzioni angolari dei leptoni Likelihood per le ipotesi HWW o WW (fondo dominante) Problema: poco potere di discriminazione Reti Neurali Per ottimizzare la performance delle reti: suddivisione dei dati in classi con mix segnale/fondo più uniforme Cdf: molteplicità di jet: 0, 1, 2+ per 0 e 1 jet: Low S/B e High S/B (a seconda delle combinazioni di dileptoni) D0: combinazione di leptoni: ee, eμ, μμ Una rete per ogni ipotesi di massa dell Higgs presa in considerazione ( GeV)

19 Metodi variazionali: Cdf, 0 jets Diverse distribuzioni angolari segnale/fondo Energia trasversa della parte interessante dell evento Rapporti di likelihood per l ipotesi WW (fondo dominante) e l ipotesi Higgs rispetto a WW Low S/B - High S/B diversi mix di stati finali (ee, eμ, μμ) ΔR leptoni Δφ leptoni H T = E T + E T miss NN LR(WW) LR(HWW)

20 Metodi variazionali: Cdf, 1 jet E l1 p T (l 1 ) p T (l 2 ) ΔR(ll) M ll E t sinδϕ(e tmiss,l/j) M T (ll E tmiss ) Variabili che riguardano i leptoni Massa invariante della coppia di leptoni Energia trasversa della parte interessante dell evento Variabili che coinvolgono E T miss Massa trasversa NN

21 Metodi variazionali: Cdf, 2+ jets p T (l 1 ) p T (l 2 ) ΔR(ll) Δϕ (ll) M(ll) H T Δϕ (ll, E T miss ) p T (j 1 j 2 ) Variabili che riguardano i leptoni Diverse distribuzioni angolari segnale/fondo Energia trasversa della parte interessante dell evento Massa invariante della coppia di leptoni Variabili che riguardano E T miss Variabili che riguardano i jet NN

22 Metodi variazionali: D0 Variabili dei leptoni Variabili angolari: diverse distribuzioni segnale/fondo Variabili cinematiche: massa invariante dell Higgs che decade

23 Metodi variazionali: D0 Minv ΔΦ(l,l) ET miss NN ee eμ μμ Data Z, Zj VV Wj/γ jets t tbar (H+X)x10

24 Sistematiche Sezioni d urto teoriche: scala, PDFs, effetti di ordine superiore ( 10-20%) Leptoni: efficienze di trigger e di ricostruzione, calibrazione del momento ( %) Jets: modellizzazione (efficienza di ricostruzione, calibrazione della scala energetica, risoluzione energetica, jet fakes, b-tag) ( 1-30%) Modellizzazione di E T miss ( 20% ) Modellizzazione della conversione γ (20%) Luminosità (6%)

25 Risultati Entrambe le analisi non trovano nessun eccesso di eventi rispetto al fondo Vengono calcolati i limiti al 95% per la sezione d urto di produzione, assumendo i BR dello SM, a partire dai NN template per MC e dati Cdf quota un limite per la sezione d urto di produzione di un Higgs di massa MH = 165 GeV 1.4 volte la sezione d urto dello SM, D0 1.2 volte lo SM per un Higgs con MH = 160 GeV

26 Backup slides

27 Sezioni d urto ai collider adronici

28 Modellizzazione segnale e fondo Cdf D0 Signal: gg, VBF, HS CTEQ5L pdf correzione 10% per leptone (ricostruzione) correzione 5% muoni stubless e 10% muoni ricostruiti come MIP (misure σ Z l ) detector: GEANT3 based efficienze di trigger: da dati W ν e Z μμ calcoli NNLL (gg) PYTHIA, CTEQ6l1 pdf, detector: GEANT based normalizzazione a calcoli NNLO e NLO (VBF) distribuzione in p T rinormalizzata per avere match con SHERPA WW MC@NLO correzioni 8% (0 jet) e 4% (1 jet) (run range limitato) normalizzazione alle sezioni d urto NNLO distribuzione in p T : SHERPA corretto per il contributo gg ZZ, WZ PYTHIA NNLO cross sections NLO CTEQ6l1 pdf DY, Z PYTHIA NLO CTEQ6l1 pdf NNLO cross sections t tbar PYTHIA fattore 1.07 (2+ jets) (misura efficienza b-tag) calcoli NNLO W jets dai dati (sample l + jet che passi requisiti laschi di isolamento e con tracce o cluster tipo elettrone) ALPGEN W gamma correzione dalla misura dell efficienza di veto per conversione di fotoni multijet dai dati

29 Selezione elettroni Cdf E T calo e p T track in un cono con ΔR< 0.4 inferiore al 10% del totale HAD Energy/ EM Energy consistente con uno sciame EM Central Category: Traccia nel COT ben misurata con p T > 10 GeV Traccia fiduciale all SMX e corrispondente a un cluster nell SMX Traccia corrispondente a un cluster EM Share di energia fra le torri minimo E shower /p < E T Forward category: Fiduciale all SMX forward Cluster EM e nell SMX, consistenti con uno sciame EM Una traccia ottenuta dalla calorimetria deve corrispondere a una traccia nei rivelatori a microstrip D0 Riconoscimento basato sui livelli di trigger: 1 livello: depositi di energia nell EM calo 2 livello: match con una traccia nell SMT Riconoscimento offline: Paragone dei profili trasverso e longitudinale dello shower con quelli simulati Isolamento La maggior parte dell energia deve essere nel comparto EM del calorimetro Criterio di likelihood che contempla la corrispondenza spaziale delle tracce e un requisito E/p nella regione centrale η <3

30 Selezione muoni Cdf Isolamento: E T calo e p T track in un cono con ΔR< 0.4 inferiore al 10% del totale Punto di massimo approccio della traccia alla beamline consistente con l origine nella beampipe Stubbed Traccia carica corrispondente a un segmento di traccia ricostruito nelle camere (stub) Stubless Stubless MIP fiduciale ai calorimetri E calo > 0.1 GeV Se η < 1.2: requisiti sui COT hits e sul fit della traccia per sopprimere i fondi da decadimenti in volo Se η > 1.2: 60% dei layer del COT devono avere hits Cdf: categoria addizionale di leptoni D0 Riconoscimento basato sui livelli di trigger: 1 livello: hit nel sistema nel rivelatore di muoni e traccia centrale ad alto p T ricostruito nel CFT 2 livello: formazione di segmenti di traccia dagli hit nel sistema dei muoni e match con una traccia nell SMT Riconoscimento offline: Isolamento: Corrispondenza della traccia nel sistema dei muoni con una traccia del tracker centrale Somma scalare dei p T delle tracce oltre al muone in un cono con ΔR<0.5 somma delle E T in un cono 0.1<ΔR<0.4 minori di xp T (x 0.2 dipende da stato finale e muone leading/trailing) Coincidenza spaziale e temporale della traccia con il vertice primario η <2 Da tracce non fiduciali all SMX, né identificate come muoni stubbed. Stessi requisiti per i muoni stubless η < 1.2, eccetto le informazioni calorimetriche.

31 E T miss Cdf E T miss > 15 GeV E Tm spec > 25 Gev (ee, μμ) E Tm spec > 15 Gev (eμ) % ' E Tmspec = & ' ( E Tmiss "#( E Tmiss,l / jet) > $ 2 E Tmiss sin ("#(E Tmiss,l / jet) ) "#( E Tmiss,l / jet) < $ 2 D0 E T miss > 20 GeV (ee, eμ, μμ 1 jet) Taglio su E Tm scaled > 6 GeV (ee, eμ ) (mismeasurement jet) Taglio su M T min > 30 GeV (ee, eμ) (mismeasurement leptoni) E Tmscaled = % jets E Tmiss ("E jets sin# jet cos"$( jet,e Tmiss )) M T min = min( 2p l T E Tmiss ( 1" cos#$(l, E Tmiss )))

32 Dopo i tagli

33 Dopo i tagli

34 Selezione degli eventi Cdf Due leptoni di carica opposta Almeno un leptone: E T (p T ) > 20 GeV per gli elettroni (muoni) Secondo leptone: E T (p T ) > 15 GeV per gli elettroni (muoni) Posizione in z dei punti di massimo approccio delle tracce dei leptoni < 4 cm M l+l- > 16 GeV (per sopprimere contributi da heavy flavor) Eventuali jets: p T > 15 GeV, η < 2.5 Eventi con jets con b-tag sono rigettati D0 Due leptoni di carica opposta Tracce dei leptoni compatibili con origine nello stesso vertice primario Elettroni: p T > 15 GeV Muoni: p T > 10 GeV (ma almeno uno p T > 15 GeV) M l+l- > 15 GeV Stato finale μμ: n jets con E T > 15 GeV inferiore a 2, ΔR(l, jet) > 0.1 Δϕ ll < 2.0 (2.5) per eμ, ee (μμ)

35 Sistematiche e cross-checks Cdf Sistematiche Selezione dei leptoni ed efficienze di trigger (2-7%) Potenziali contributi dovuti ad effetti di ordine superiore (10%, ottenuto dalla differnza fra PYTHIA e MC@NLO nel caso WW) Modellizzazione di E T miss (DY) (20%-25%, scorrelati) Modellizzazione dei jet (processi che hanno un jet solo a ordine superiore; WW, Wγ, DY, anticorrelate) (1-31%) Sezioni d urto: segnale (gg: PDFs (5.1%), Scala (10.9%), VBF (10%), HS (5%)), fondo (6-10%) Jets: modellizzazione(1-31%), jet fakes (21-31%), b- tag (7.2%) Modellizzazione della conversione γ (Wγ)(20%) Luminosità (6%) Cross-checks Accettanza, ID leptoni, efficienza di trigger: DY Modellizzazione jet, misid γ: Same Sign E T miss : DY sulle code ttbar D0 Normalizzazione del fondo ed efficienza del segnale: efficienze di ricostuzione dei leptoni (2.5-4%) calibrazione del momento dei leptoni (2-8%) sezioni d urto teoriche: VV (7%), ttbar (10%), W+jets (20%), Z+jets (6%), Higgs (10%) modellizzazione del fondo multijet (2-20%) luminosità (6.1%) Impatto sulla forma delle distribuzioni delle NN: jets: efficienza di ricostruzione (6-18%), calibrazione della scala di energia (3-17%), risoluzione energetica (2%) modellizzazione di p T (WW, H, Z) (1-5 %, dalla comparazione degli spettri generati da PYTHIA, SHERPA e MC@NLO) Complessivamente: 13% sul fondo, 10% sull efficienza del segnale

36 Calcolo del limite al 95%: CdF Calcolo del limite atteso 1. Vengono fatti toy experiment di solo background, lasciando fluttuare i vari fondi entro le sistematiche (tenendo conto delle correlazioni) 2. I dati vengono fittati (binned likelihood) sia nell ipotesi L 0 (solo fondo) che L 1 (sia segnale che fondo) 3. Si costruisce per ogni toy una statistica di test f(l 0 - L 1 ), e se ne calcola la distribuzione 4. Dalla distribuzione della statistica di test si calcola il limite al 95% 5. La mediana dei limiti così ottenuti è il limite al 95% atteso Calcolo del limite per i dati Come i punti 2-4 per il limite atteso, il fit viene fatto lasciando fluttuare tutti i segnali e i fondi. I rapporti sono però fissati alle loro aspettazioni entro a dei constraint gaussiani determinati dalle correlazioni fra le sistematiche. Si lascia fluttuare anche il segnale totale.

37 Calcolo del limite al 95%: D0 I limiti vengono calcolati per ogni canale con una statistica di test (X) log-likelihood-ratio. CL s+b = P s+b (X X obs ) CL b = P b (X X obs ) CL s = CL s+b /CL b La combinazione dei vari canali si riduce a combinare delle ricerche countingonly tramite il binning dei risultati. Per il calcolo delle P(X X obs ) viene calcolata la PDF per un set di bin e gli altri sono combinati iterativamente convolvendo le PDF delle loro statistiche di test. Le sistematiche vengono incluse nel calcolo della PDF mediando sui possibili valori del segnale e del fondo dati dalle distribuzioni di probabilità delle incertezze sistematiche. Per mimimizzare gli effetti degradanti della sistematica sulla sensibilità, i contributi individuali dei fondi sono stati fittati ai dati massimizzando un profilo di likelihood per ogni ipotesi (tecnica del profiling)