ttH，H→bbチャンネルによるヒッグス粒子探索

LHC計画アトラス実験における，
ttH，H→bbチャンネルによる
ヒッグス粒子探索
東大理，高エ研A，東大素セB，筑波大物理C，岡山大理D
KEK素粒子原子核研究所数値物理グループE
片岡洋介，小林富雄，神前純一A，浅井祥仁B，上田郁夫B，
田中純一B，真下哲郎B，原和彦C，田中礼三郎D，
他アトラス日本物理グループ,
栗原良将E
日本物理学会第５８回年次会
東北学院大学土樋キャンパス（２００３年３月３０日）
発表内容
 ttHの概要
 ttH,Hbbチャンネル
 c2 methodによるreconstruction
 Likelihoodの導入
 Matrix Elementを用いた分析
 まとめ
ttHの概要
 ttH production
• ttにともなわれてHiggsが生成
Yt
 Yt測定のために重要なprocess
•
mHの軽い領域で数百fbのcross section
•
2 topという特徴的な事象  BG rejection
 Decay mode
Hbb
(120GeV)
Yb
Htt
(115～125GeV)
HWW
(130～180GeV)
Yt
gw
ttH, Hbbチャンネル
 軽いmH (＜130GeV)で主要な
崩壊チャンネル
 2種類のBackground
 終状態に４つのb jet
12通りからc2 method で選択
 大きなcombinatorial BG
 ttbb, tt BG
QCD processのttbb BGが大
Event Generation
• ttH(bb) signal
– PYTHIA 6.2
PDF (all samples): CTEQ5L
mH(GeV)
s×BR(pb)
110
0.52
120
0.35
130
0.21
• tt+jets background (ttbbは除外, reducible)
– PYTHIA 6.2
• ttbb background (irreducible)
– COMPHEP 4.1 + PYTHIA 6.2
s = 491 pb
s = 8.75 pb (QCD)
0.85 pb (EW)
 Fast simulation (ATLFAST) によりDetector効果を導入
Full simulationに基づきparametrize
Event Selection
 Number of isolated lepton = 1

for electron, pT>25GeV, |h|<2.5
for muon, pT>20GeV, |h|<2.5
 Number of light flavor jet >= 2
Decay mode
Hbb
tlnb
tjjb
pT>20GeV, |h|<2.5
pT>40GeV for at least one jet
b-jet:
 Number of b-jet = 4
pT >30GeV, |h|<2.5
fast simulationにおいて
e = 60%
Rc = 10
Rj = 100
c2 method
 条件
 nはmW constraint、missing pT(x ,y)から計算
pzの解のない場合はconstraintをプラスに最大20GeVシフト
 mjjには±20GeV mass windowを課す
 c2を最小にする組み合わせを選択（24通り以上）
 4b-jetsの割り当てH, t(lnb), t(jjb)
 light flavor jets(>=2)から2jets選択
 nのpzの2解から1つを選択
c2 =
(mlnb  mt ) 2
s
2
lnb

(m jjb  mt ) 2
s
2
jjb

(m jj  mW ) 2
s 2jj
(s lnb = 9.2GeV , s jjb = 12.2GeV , s jj = 8.9GeV )
2 top, higgs reconstruction
 ttH signal event (mH=120GeV, L=30fb-1)
top (lnb)
top (jjb)
mlnb
mjjb
Higgs (bb)
長く大きなテール
Combinatorial BG
120±30GeVで約50%
mbb
Likelihoodの導入
 Combinatorial BGを減らすために角度情報を用いる
 以下の4つの角度からLikelihoodを計算
１． W (ln) とb のopening angle (ttH rest frame)
２． W (jj) とb のopening angle (ttH rest frame)
３． 2 top の opening angle (Lab frame)
４． 2 light flavor jets の opening angle (ttH rest frame)
ttH signal
1.
2.
3.
4.
Modified c2 method
 Likelihood
ttH signal
 Combinatorial BG の46%でc2最小から3以内に正しい組合せが存在
 c2最小から3以内で最大のLikelihoodをもつ組み合わせを選択
Correct combination
12% 上昇
mbb
解析結果
 signalの半数はCombinatorial BG
 ttbb (QCD) BG が大
(mH=120GeV ,L=30fb-1)
 Number of event (120±30GeV)
Process
c2
+likelihood
ttH (true)
11.3
12.7
ttH (comb.)
12.1
12.2
ttH (total)
23.4
24.9
23.1
19.9
ttbb (QCD)
92.8
90.5
ttbb (EW)
10.9
15.5
total BG
116.8
125.3
purity %
48.2
50.8
S/√B (+comb.)
2.16
2.23
S/√B
1.00
1.08
tt
mbb
Matrix Elementによる分析
 さらに、Combinatorial BGを減らすことは可能か？
 jjb, lnb, higgsの7つの4vectorからMEを計算、ウェイトを求める
4 vectors
jjb
lnb
higgs
Grace 2.2.0
Matrix Elementを計算
20 diagrams and interference
 4bの組み間違えに対してこのウェイトが感度をもつ
ウェイト
-log(ME)
Parton Level & Detector Level
• 4bの組み間違えに対する感度（Parton Level, Detector Level）
ttH signal
Parton Level
Parton Level
Detector Level
Detector Level
Red: correct comb.
Blue: exchange 4b
correct
-log(ME)
wrong
Red: correct comb.
Blue: exchange 4b
-log(ME)
 Parton Level:
78%で正しい4bの組み合わせが最大ME
 Detector Level: 48%で正しい4bの組み合わせが最大ME
•
Detector resolutionにより半数も4bの組合せが解決できない
 c2、Likelihood等のMethodの限界を示唆
まとめと展望
• Fast simulationの結果
 combinatorial BGを解くことは困難
 Detector resolutionが効いている
 ttbb BG(QCD process)が大
 mH=120GeVでS/√B = 2.2
• 展望
 Yt測定の評価（systematic error等）
 Full simulation
b-tag
• Fast simulation (今回の解析で使用)
generator
b-jet (b quark起源)
c-jet (c quark起源)
light-quark-jet (その他)
b-tag
e = 60%
Rc = 10
Rj = 100
(Full simulationに基づく)
• Full simulation (今後)


b-tag efficiencyのpT依存性
“b-jet” らしさの度合い（impact parameter等）
などを解析に導入することができる
• Experiment (2007～)
Impact parameter, Soft lepton, Secondary vertex
b-jet
light-flavor-jet
CMSとの比較
 CMS: S/√B = 5.3 (mH=115GeV) 約2倍の結果、この差は？
 Cross section
• PDF CMS:
CTEQ4L
ATLAS:
CTEQ5L
• Q2QCD CMS: mH2 for ttH, ttZ
mt2+(pTt12+ pTt22+ pTq12+ pTq22)/4 for ttqq
ATLAS: mt2+maxPT2 for ttH, tt
mt+mH/2 for ttbb
 K-factor CMS:
1.5 for signal and ttZ BG
ATLAS: 1.0
 Reconstruction
CMS:
Likelihood
 ATLAS: Xsec, K scaling  S/√B = 4.6 (mH=120GeV)
主に効いているのは、Cross sectionとK-factor

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