終状態の観測と結合定数測定 - 東京大学asai/lhcwg/kenkyukai... · Ztautau CR lephad...

τ+τ- 終状態の観測と結合定数測定

中村浩二 (高エネ研)

25th Mar, 2014 1 LHC研究会

目次

• Introduction

• Hττ過程の観測

• 結合定数の測定

25th Mar, 2014 LHC研究会 2

Introduction


Phys.Lett. B716 (2012) 1-29 “These results provide conclusive evidence for the discovery of a new particle with mass 126.0±0.4 (stat)±0.4 (sys) GeV. ”

What is “new particle”?

70 < mH < 123GeV (68% CL)

粒子の質量： 125.5±0.2(stat)±0.6(sys)GeV

スピン、パリティー：スカラー粒子(JP=0+)と無矛盾

JP=0-, 1+, 1-, 2+ を棄却.

生成崩壊過程(結合) 標準理論ヒッグスと無矛盾

おそらく何らかのヒッグス粒子だろう

質量の起源


どの素粒子の質量の起源？ • 確実に言えるのはW/Z ボソンだけ。 – HWW/HZZ崩壊過程の観測

• おそらくクォークも。 – ggH 生成過程の観測間接測定(top?)

– Hbb • Tevatron (2.8σ) • CMS (2.1σ) • ATLAS (0.4σ) 合わせれば3σ?

• では leptonは？ – 間接測定も含めて、観測されてない。

Yτ

Hττ崩壊の探索

ちょっと余談


Decay channel

Expected sensitivity

Observed Sensitivity

H(124.3)ZZ 4.4σ 6.6σ

H(126.8)ϒϒ 4.1σ 7.4σ

H(125)WW 3.7σ 3.8σ

H(125)ττ

H(125)bb 1.6σ 0.4σ

NEW

ATLAS 2011+2012 Full data 5fb-1(7TeV)+20fb-1(8TeV)

arXiv:hep-ph/0402254

Before experiment…

Sensitivity: ττ > WW > ϒϒ > ZZ > bb

Hττ (Nov 2012) 5fb-1(7TeV)+13fb-1(8TeV)

H(125)ττ 1.7σ 1.1σ

• 解析の改善に一年間ついやしました。

Analysis Strategy


解析チャンネル • 解析は、di-tauの崩壊チャンネルごとに最適化された。 – 終状態の違い、トリガーの違い、バックグランドの違い

• ATLAS ： 3 チャンネル • CMS ： 6 チャンネル


Di-tau decay branching ratio

なぜ難しいか、どのように改善したか

全く違ったアプローチ by ATLAS and CMS • ATLAS (8TeV)

– とてもシンプルな場合分け(6 categories) – 背景事象の分離にMVA を使用. (MVA score as

discriminant.)

• CMS (7+8TeV) – S/Bの異なる領域に分割(>50 categories). – カットベース解析. (Mass as discriminant.) – 但し、ee μμ チャンネルは MVA解析.


di-tau事象選択後, S/B <0.001 典型的な背景事象の系統誤差 ~20%.

50xSM

Di-tau 質量再構成


精度よくdi-tau質量を再構成することはバックグラウンド(Ztautau)を分離するうえで重要. しかし、一事象に2-4のνが存在

CMS もMatrix elementを用いた似たような方法を使用

ヒッグス質量の再構成

タウ粒子の質量は自身の運動量に比べて小さいため、崩壊粒子の方向はタウ粒子の方向に近い。

• MMC(Missing Mass Calculator) mass : – タウ粒子の方向と再構成可能な崩壊粒子(群)の角度分布(θ3D)を仮定して質量解を探したもの。

Background estimation overview


• 最も重要なバックグラウンドはZττ (irreducible).

QCD and W+Jets – Shape、Normalizationともにデータから見積もる.

Zee/μμ + jets, Top, di-boson : MCによる見積もりでデータを用いて補正.

Z+jetsττ+jets ：データを最大限用いた方法(embedding)

実データからZ(μμ) 事象を選択

μ+ μ-

Jet(s) Jet(s)

二つのmuonを消す

Jet(s)

ντ

τhad e+ νl

シミュレーションの τ を加える。

ジェットの運動量や pTZ はreal data!

ATLAS analysis


Categorization


VBF category Boosted category

• Di-tau系の横方向運動量が高いことを要求(緩いカット)

• Boostしてない事象は除去。

• 二本の前後方のジェットを要求(緩いカット)

• VBF signalのみを信号としてBDT をtraining.

BDT input variables • カテゴリ毎にBDTをtraining.

– 3 channels(ll,lh,hh) x VBF/Boosted. (total 6 categories) • 125GeV signal MC for the signal template.

• MMC(mττ) もinput変数として使用


VBF category Boosted category

Background estimation and validation


leplep Ztautau CR

lephad Ztautau CR

hadhad Ztautau CR

• mττ sideband CR as Ztautau validation region

NOTE: MVA(BDT) 解析は慎重にvalidateする必要がある: すべての input 変数がモデルされているか. OK. (See conf note) すべての input 変数の相関がモデルされているか. コントロール領域でBDT score分布をcheck(バックグラウンド毎).



Lephad Fake CR

Hadhad Fake CR

• W+jets & QCD CR lephad (high mT) hadhad(pre-selection)

• Zll CR (mll~mZ)

for leplep channel

Leplep Zll CR



Lephad VBF categ. leplep

Boost categ.

• B-tagコントロール領域でトップバックグラウンドをcheck.

すべてのinput 変数とコントロール領域の BDT score 分布は、よく見積もったバックグラウンドでモデルされている。

ATLAS results


BDT distribution in leplep SR


ggF VBF VH Zττ Fake Top Others S/B

VBF 0.7±0.4 5.0±1.5 -- 4.6±0.6 4.5±1.7 1.8±0.4 2.7±0.4 0.42

boosted 1.7±0.7 0.7±0.2 0.2±0.1 13±1 0.8±0.3 3.5±0.9 2.3±0.2 0.13

Highest Score bin :

BDT distribution in lephad SR



VBF 1.2±0.6 7.5±2.2 -- 2.4±0.4 3.5±0.5 1.5±0.4 1.3±0.7 1.0

boosted 5.5±2.1 1.3±0.4 1.2±0.3 18±2 5.8±1.4 2.2±0.3 5.5±1.2 0.25

Highest Score bin :

𝑺

𝑩=𝟖. 𝟕

𝟖. 𝟕

BDT distribution in hadhad SR


Highest Score bin :

ggF VBF VH Zττ Fake Others S/B

VBF 2.0±0.9 5.9±1.8 -- 5.3±1.0 5.9±0.9 0.6±0.1 0.67

boosted 2.3±0.9 0.6±0.2 0.7±0.2 9.7±1.6 1.4±0.2 0.07±0.02 0.32

Summary plots • Event yield as a function of log(S/B)

for all signal region BDTscore-bins.


• MMC distribution where events are weighted by ln(1+S/B).

Significance and Signal strength

Assuming mH=125GeV :

μbest=1.4+0.5-0.4


For mH=125GeV,

p0exp = 6.2 x 10-4 (3.2σ), p0

obs = 1.9 x 10-5 (4.1σ)

Evidence of Hττ decay!

Impact of uncertainty sources

CMS Analysis


Categorization • 異なるS/Bの領域に事象をカテゴライズ.

– 前回の結果から高S/Bカテゴリを追加.

• 各 di-tau 崩壊チャンネルは最大 7 カテゴリに分割. – 27 categories for 8TeV

– 24 categories for 7TeV

– Total : 51 categories

• ee/μμ チャンネルはMVA解析。


Used mass discriminant

MVA score discriminant

3(3) categ. 7(6) categ. 6(5) categ. 6(5) categ. 5(5) categ.

Background estimation


Systematic uncertainties


Tau Energy Scale(TES) が最も支配的な系統誤差の一つ (ATLASと異なる). これは、CMSが質量分布をDiscriminant変数として用いているため。

CMS Results


Mass distribution in the signal region

• μτh channel is the most sensitive channel


Mass distribution in the signal region


• Other VBF channels

Summary plots


• Calculate S/(S+B) in every bin of the mass distributions of every event category and channels.

• Weighted by S/(S+B) using 68% region around the mττ peak.

All channels : eμ, eτh, μτh, τhτh, ee, μμ eμ, eτh, μτh, τhτh Only

Significance and Signal strength


Assuming mH=125GeV :

μbest=0.78±0.27 Evidence of Hττ decay!

Significance @125GeV: Observed 3.2σ Expected 3.7σ

他のレプトン崩壊チャンネル


Lepton universality ? • Hμμ decay is also searched.


Exclusion limit @125GeV: 9.8xSM

@125.5GeV bb (57%)cc (2.9%)ττ(6.2%) μμ(0.02%) γγ(0.23%) WW (22%)ZZ (2.8%)

bb WW

ZZ

ττ

This correspond to the BR(Hμμ)<0.2% So, BR(Hττ) >> BR(Hμμ)

Higgs boson does not universally couple to fermions (leptons)

Hττ まとめ


• Both ATLAS and CMS observed significant excess in tautau searches. – Result @125GeV:

• ATLAS: 4.1σ (expected 3.2σ) – μbest=1.4+0.5-0.4

• CMS: 3.2 σ (expected 3.7σ) – μbest=0.78±0.27

– This is 4th channel which observed significant excess.

– First strong evidence of fermion decay of the Higgs Boson!

ATLAS+CMS unofficial combination : Significance : 5.2σ (expected 4.9σ) Signal Strength : μ=1.01+-0.25

Future prospect


Updated coupling measurement results are presented.

5-10% precision for Yt, Yμ, Yτ

50-100% improve ! Yτ can be measured by a few % precision!

Combination & couplings


bb+ττ combination


3.8(4.4)σ observed (expected) 3.7(3.4)σ observed (expected)

𝜇𝑏𝑏,𝜏𝜏 = 0.83 ± 0.24 (stat+sys)

ATLAS CMS

ATLAS Coupling Combination

Decay mode

Sub-decay

7TeV 8TeV

Hϒϒ 4.8 fb-1 20.3 fb-1

HZZ 4l 4.6 fb-1 20.3 fb-1

HWW lνlν 4.6 fb-1 20.3 fb-1

VHVbb Zνν 4.6 fb-1 20.3 fb-1

Wlν 4.7 fb-1 20.3 fb-1

Zll 4.7 fb-1 20.3 fb-1

Hττ τlepτlep --- 20.3 fb-1

τlepτhad --- 20.3 fb-1

τhadτhad --- 20.3 fb-1


５つのメイン崩壊過程をコンバイン (ttH,Zγ,μμは含まない)

PSM=8%

VBF過程 v.s. ggF過程


Gw/z Yτ

Yτ

Yt

Gw/z

= =

= μVBF+VH

= μggF

但し、この測定にはBRの不定性がある

VBF過程 v.s. ggF過程 • 各過程でμVBF+VH/μggF+ttHを測定し、コンバインすることでBRの不定性を除く。


• VBF過程の発見！

4.1σ

定義 : κ


All measurements assume mH=125.5GeV

SM近似@mH=125.5GeV


Fermion v.s. vector(gauge) boson


PSM=10%

SM粒子のみとの結合を仮定 i.e. Total width をSMと仮定。符号はκV>0とする。(κF,κV<0 ≈ κF,κV>0) HγγでκFの正負に違いが出る。

Fermion v.s. vector(gauge) boson


Total width を仮定しない。 i.e. Ratioのみ測定可能。

PSM=10%

W and Z coupling (custdial symmetory)


基本的にHWWとHZZで制限 λWZの符号は観測できない(λWZ>0を仮定) 間接的にVBF過程でも制限 κWはHγγでも制限

PSM=19%

λFZ<0が深いのはHγγのμが大きいせい

Up- and Down- type fermion


2HDM等BSMに感度 Up-type はggHで制限 Down-type はHbb/ττで制限 ggHのt- b-loopから非対称性(小)

Down-typeを3.6σでEvidence!

PSM=20%

Quark v.s. lepton coupling


Quark とleptonの対称性 Hττで制限 Hγγのt- τ-loopから非対称性(小)

Lepton Yukawaを4.0σでEvidence!

PSM=15%

Invisible and Unknown decay • Invisible やunknown 崩壊の分岐比(BRi.,u.)を含めてフィット.


PSM=18% Hbbの感度向上で改善

Generic Model I Parameter :


Loop の効果とTotal Width はSMを仮定 κW,κZ>0を仮定 κtの正負の非対称性はggHとHγγからわずかに負を支持(Hγγのhigh μ) κbのフィット結果が小さい(Hbbのμが小さい) せいでtotal widthがSMの約半分になる.

all other κ は約1/ 2倍に小さくなってしまう.

PSM=13%

Generic Model II


Parameter :

Ratio にするとlow κbの効果はキャンセル λtgは制限がかからない. κtはほぼggHから制限されているため将来的にttHの観測が大事

PSM=21%

Coupling まとめ

• 以前の結果に加え、Hττの観測で以下のようなことが明らかになった。

• 観測された過程 – VBF過程を4.1σで観測

– Down-type の結合を3.6σで観測

– Lepton Yukawa 結合を4.0σで観測

• BSMに対する制限 – 0.78<κdown/κup<1.15 (68% C.L.)

– Invisible+Unknownの崩壊分岐比にBRi.,u.<0.41の制限

• Coupling の測定結果は(7-21%の確率で)SMとコンシステント.

• 今後Hbb やttHの観測でさらなる結合の理解が進む。


Backup


Higgs production and decay @ LHC


Gluon Fusion(ggF) Vector Boson Fusion W/Z Associated tt/bb Associated

Process 8TeV σ [pb]

14TeV σ [pb]

Gluon Fusion 19.1 49.9

Vector Boson Fusion 1.57 4.18

W/Z Associated 1.11 2.39

tt/bb Associated 0.128 0.611

@125.5GeV

8TeV @125.5GeV 14TeV @125GeV

Now we know the cross section and Branching ratio!

bb (57%)

cc (2.9%)

ττ(6.2%)

μμ(0.02%)

γγ(0.23%)

WW (22%)

ZZ (2.8%)

others

bb

ττ

WW

ZZ

ϒϒ


arXiv:0901.0512 ; CERN-OPEN-2008-020

Previous result


Hadron Collider Physics Symposium 2012

November 12 - 16, 2012 Kyoto, Japan

Last tautau public results are :

ATLAS-CONF-2012-160

Limit (exp):1.9(1.2)xSM

p0(exp): 1.1(1.7)σ

μ= 0.7 ±0.7

One year ago…

• Repeated analyses by using full data (1320fb-1) didn’t expect reaching evidence.

Backgrounds in highest score bins (leplep)



VBF 0.7±0.4 5.0±1.5 -- 4.6±0.6 4.5±1.7 1.8±0.4 2.7±0.4 0.42

boosted 1.7±0.7 0.7±0.2 0.2±0.1 13±1 0.8±0.3 3.5±0.9 2.3±0.2 0.13

Backgrounds in highest score bins (lephad)



VBF 1.2±0.6 7.5±2.2 -- 2.4±0.4 3.5±0.5 1.5±0.4 1.3±0.7 1.0

boosted 5.5±2.1 1.3±0.4 1.2±0.3 18±2 5.8±1.4 2.2±0.3 5.5±1.2 0.25


Backgrounds in highest score bins (hadhad)

ggF VBF VH Zττ Fake Others S/B

VBF 2.0±0.9 5.9±1.8 -- 5.3±1.0 5.9±0.9 0.6±0.1 0.67

boosted 2.3±0.9 0.6±0.2 0.7±0.2 9.7±1.6 1.4±0.2 0.07±0.02 0.32

Signal strength


Events split by categories Events split by channels

Background estimation and validation Background Lep-had Leplep hadhad

Zττ Shape : Embedding Norm : Fit in SR (+ Δη CR for hadhad)

Fake (QCD) Fake factor Estimation (used Anti-tau CR)

Shape&Norm : data

Template fit method (used non-isol CR)

Shape&Norm : data

Shape : not OS data Norm : Fit in Δη CR

Fake (W+jets) MC

Zll (lτ) Shape & Norm : MC (with SF)

Shape : MC Norm : Fit in ZCR

(80<mll<100)

MC(very small)

Zll(Jetτ) Shape : MC Norm : Fit in Zll CR

Top Shape : MC Norm : Fit in b-tag CR

MC(very small)

Diboson Shape & Norm : MC (very small)


: Background estimated by (at least partially) data-driven way.

Fit in XX : The CRs are included in the Profile Likelihood Fit (Fit model.)




Shape&Norm : data


Shape&Norm : data


Fake (W+jets) MC



(80<mll<100)

MC(very small)



MC(very small)





leplep Ztautau CR

lephad Ztautau CR

hadhad Ztautau CR

Mass sideband CR as Ztautau validation region :




Shape&Norm : data


Shape&Norm : data


Fake (W+jets) MC



(80<mll<100)

MC(very small)



MC(very small)





Lephad Fake CR

Hadhad Fake CR




Shape&Norm : data


Shape&Norm : data


Fake (W+jets) MC



(80<mll<100)

MC(very small)



MC(very small)





Lephad VBF categ. leplep

Boost categ.

Full categorization chart

• For 7TeV analysis, loose and tight VBF categories are merged.

• 1jet e-had cahnnels used MET>30GeV cut.


Mass measurement of the resonance?


Mass sensitivity in CMS

• Since CMS uses the mass distribution as discriminant, it is possible to measure the mass.


mH=115+8-2GeV

Mass sensitivity in ATLAS • ATLAS uses BDT score as discriminant, less

sensitive to the mass measurement.


Best fit : mH=120GeV mu=1.4

But once we use the weighted mass plots, the mass sensitivity is similar to CMS results

Fermion vs Vector boson


Up- vs Down- / lepton- vs quark-


Generic Model


CMS fermion v.s. boson


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