1 - 東京大学素粒子物理国際研究センター

LHC-ATLAS実験における
H→tautau→leplepを用いたヒッグス粒子
の探索
森永真央、中村浩二A、田中純一A、浅井祥仁
東京大理、東大素セA
27aFA-11
日本物理学会 2012年第67回年次大会関西学院大学
1
も観測可能な事象数が多い
• H→ττ channel
• leplep ~1/9 (small BG) This Talk
• lephad ~4/9 (good sensitivity)
• hadhad~4/9 (bad S/N ratio)
•
× BR [pb]
• タウレプトン対に崩壊するチャンネルは軽い領域で最
タウ粒子の崩壊分岐比
• τ→leptonic(e,µ) ~36%
• τ→hadronic(π,K’s) ~64%
• 1prong,3prong
s = 7TeV
SM
1
WW
l± qq
10-1
WW
l l
10-2
H
-3
10
WH
ZH
l± bb
+l l bb
-4
10100
•ヒッグス粒子の生成過程、主に3process(ggF, VBF,VH)
• associated production(VH = ZH + WH)
10
VBF H
200
+
-
+-
ZZ
l l qq
ZZ
ll
ZZ
l ll l
+ -
+ -
300
LHC HIGGS XS WG 2011
ヒッグス粒子とτレプトン崩壊過程
+-
+-+-
l = e, µ
= e, µ,
q = udscb
400 500
MH [GeV]
1st Jet
¯,
• 数が少なく、S/N(~1/150)が悪い
MET
• VBFに比べ一桁程度悪い
¯,
2nd Jet
• sensitivityを上げるためにHigh pT Higgsを要求
• この場合W/ZもHigh pTで、この様なイベントをBoostedと定義
• Boosted W/Zがhadronic崩壊し、High pT diJetになるイベントを解析チャンネルにapply
した
•leplepチャンネルでは0,1,2jetについて解析した、本講演では主に
•背景事象の見積もり(Fake)の導入
•VH Boosted categoryの導入
に絞って説明する
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2
事象選択と背景事象
Base Selection
2jet VH
(1) Trigger: Exact 2lepton with O.S.
(7) ΔηJJ < 2.0
(2) Z Veto: 30 < mLL <75,100GeV for SF,DF
(8) 50<mJJ<120GeV(mW,Zに近い)
(3) Z & QCD suppress: MET >40,20GeV for SF,DF (9) b-tag Veto(top Veto):
(4) Collinear(τ event enhance): 0.1<X1,X2<1.0
pT>25GeVの全てのJetに対して
(5) Topological: 0.5 < ΔφLL < 2.5
Veto
(6) Jet Tag: 1st Jet pT>40GeV,2nd Jet pT>25GeV
¯,
•主な背景事象
• Z→ττ: 最も大きいBG、τ粒子は本物
→Embedding Method
1st Jet
• 実際のデータでZ→µµイベントのµ→τと置き換えシ
ミュレーション
•Jetなどがデータをそのまま使用できる
2nd Jet
MET
¯,
• W+jets,QCD: Jetがleptonにfakeしてしまう
• MCではFakeイベントの評価は困難
→data driven(Fake Lepton method)
•その他のBGはMCを用いて評価
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Fake estimation
• データからTight+Fakable leptonなイベント(Fakable CR)を選択
•Tight lepton１本、FakableなLNT lepton１本
N1Tight+1Fake
Estimated Fake BG
• Fake Factorを用いてFakable
CRからSRにFake BGを外装
NTight
=
NLNT
Fake Factor
N1Tight+1LNT
Fakable CR
• LooseだがTightではないlepton
をLoose Not Tight(LNT)と定義
• Fake FactorはZ+Jetsデータから見積もる
• まずZをタグする、タグしたZの他にW/ZがいればイベントをVetoする
• 長所: quark/gluon jet比がW+Jetsイベントと似ているためより正確
またZからのレプトンでトリガーをかけるためバイアスが少ない
• 短所: 統計量が少なく、Dibosonのイベントが残る
• またDiJetからも見積もる
• 長所: 高統計(→Muon Fakeは統計が少なくDiJetを用いた)
• 短所: trigger bias, gluon jetが多い
d
d
jet
Z
Z
W
×
+
u
+
×
− ν
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4
Fake estimation check
Events/10
Events/GeV
ee+eµ+µµ VH ch (Cut3/9:after MEt cut)
40
ATLAS Work in progress
35
∫
H→ τ τ → ee+eµ+µµ(SameSign)
30
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
-1
data
Fake
Diboson
top
tt
Z → ee
Z → µµ
Z → ττ
25
MC+Fake(stat ⊗ syst)
20
All channel
after MET cut
15
10
DATA / BG
5
0
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
• Same SignはO.S.に比べEW BGの寄与が
相対的に小さいためチェックに用いた
• Same SignでF.F. apply後データを不定性
の範囲でよく再現
✓methodの有効性を確認
• 今後の課題
• 統計が増えたらMuon F.F.をZ+Jetsイ
ベントを用いて計算
• quark jet, gluon jetに対する違いを系
統誤差として考慮する
50 100 150 200 250 300 350 400 • Loose leptonの定義のさらなる最適化
mT(1stLep,MET)[GeV]
[10]
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5
collinear
Events/GeV
M ττ
60
50
40
30
20
VH Boosted category
ee+eµ+µµ VH ch (Cut9/9:after btagVeto cut)
ATLAS Work in progress
∫
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
H→ τ τ → ee+eµ+µµ
-1
data
tt
Z → ee
Z → ττ
VBF(x5)
WH(x5)
Diboson
top
Z → µµ
Fake
ggF(x5)
ZH(x5)
DATA/BG
¯,
2nd Jet
VH mττ
SPoi =
s
2((s + b) ln(1 + )
b
s)
S1categ = S(sAll , bAll )
S2categ =
0
1.6
0
MET
BG(stat ⊕syst)
10
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
¯,
1st Jet
(Shigh
2
Pt ) + (Slow
2
Pt )
(Improvement = S2categ /S1categ )
50 100 150 200 250 300 350 400
Mcollinear
[GeV]
ττ
•VH チャンネルはsensitivityが良くない(S/N ~ 1/150)
•ヒッグス粒子やW/ZがBoostされているイベントを考える
• W/ZがHigh pT diJetに崩壊
• diJet pTがhigh pT, low pTの領域に分け、Poisson significanceを計算
• Improvementが最大になる値でBoosted, Non Boosted categoryに分割
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6
Boosted
category
diJet(vector sum) p
collinear
∫
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
H→ τ τ → ee+eµ+µµ
50 7
40 6
30
20
0
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
-1
Diboson
top
Z → µµ
Fake
ggF(x5)
ZH(x5)
Total background
mH=120GeV(x20)
SCut /SNot
Signal Efficiency
BG Efficiency
Non Boosted SR
BG(stat ⊕syst)
5
10
10
8
8
Boosted SR
4
6
3
6
2
4
1
0
0
1.3
1.25
1.2
1.15
1.1
1.05
1
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240
Value pT[GeV]
CutCut
Value(diJetPt)[5GeV]
ATLAS Work in progress
ATLAS Work in progress
∫
-1
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb-1
sH=→7TeV,
Ldt =µ4.7fb
τ τ → ee+e
+µµ
∫
H→ ττ→ ee+eµ+µµ
Boosted SR
data
Diboson
data
Diboson
top
tt
top
tZt → ee
Z → µµ
ZFake
→ µµ
ZZ→
→ ee
ττ
ggF(x5)
ZVBF(x5)
→ ττ
Fake
WH(x5)
ZH(x5)
VBF(x5)
ggF(x5)
BG(stat ⊕syst)
WH(x5)
ZH(x5)
BG(stat ⊕syst)
42
50 100 150 200 250 300 350 400
Mcollinear
[10GeV]
ττ
Efficiency
SCut /SNot
Improvement
DATA/BG
10
data
tt
Z → ee
Z → ττ
VBF(x5)
WH(x5)
ATLAS Work in progress
M τcollinear
ee+eµ+µµ Boost3 ch (Cut10/10:after btagVeto cut)
τ
DATA/BG DATA/BG
Events/10GeV
Events/5[GeV]
Events/GeV
60 8
T
ee+eµ+µµ VH ch (Cut9/9:after btagVeto cut)
Events/GeV
Events/GeV
collinear
M ττ
20
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0
0
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
50 100 150 200 250 300 350 400
Mcollinear
[GeV]
ττ
•Improvementは150GeV以上において約20%でほぼflat
0 50 100 150 200 250 300 350 400
•信号事象数を出来るだけkeepするため150GeVで領域を分割
collinear
M
[GeV]
τ
τ
•Non Boostedでは約0.9events、Boostedでは約0.4events
•次に生成断面積に制限を設ける
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7
Exclusion Limit
•discriminantとしてmττを用い、Profile Likelihoodでヒッグス粒子のVH過
140
Higgs→ ττ→ ll
ATLAS Work in progress
Observed CLs
Expected CLs
± 1σ
± 2σ
120
100
s = 7TeV,
80
1 category
60
(VH inclusive)
∫
L = 4.7fb
-1
20
100
110
120
140
Higgs→ ττ→ ll
130
140
150
ATLAS Work in progress
Observed CLs
Expected CLs
± 1σ
± 2σ
120
100
40
0
Upper Limit on σ/σSM at 95% C.L.
Upper Limit on σ/σSM at 95% C.L.
程の生成断面積について制限を求めた
s = 7TeV,
80
2 category
60
(Boost, NonBoost)
∫
L = 4.7fb
-1
40
20
0
100
110
120
mH[GeV]
•結果、標準模型の約15~20倍の制限を得た
•Boosted combineでは120GeVにおいて約25%改善
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130
主な系統誤差
140
150
mH[GeV]
•ggF generator ~20%
•MC modeling ~8%
~3.9%,
•Luminosity
•ETmiss reco ~13%
•Fake ~20%,JES ~7%
8
Summary & Plan
• データを用いてFakeの見積もった
• VHチャンネルにBoosted を加えた
• Boosted & NonBoosted combineでVH
のみより約25%改善
• All channel combineで約1.8%の改善
•
今年、15fb-1のデータ量が見込まれる
Upper Limit on σ/σSM at 95% C.L.
-1のデータを用いてH→ττ→leplepにおいて
2011年取得された約4.7fb
•
30
ヒッグス粒子探索を行った
Higgs→ ττ→ ll
ATLAS Work in progress
25
Observed CLs
Expected CLs
± 1σ
± 2σ
20
15
s = 7TeV,
∫
L = 4.7fb
-1
All Channel Combined
10
5
0
100
110
120
130
140
150
mH[GeV]
• 重心系エネルギーが8TeVなるためヒッグス粒子の生成断面積は約
1.25倍→観測可能な事象数は約４倍
➡ 解析の改善でH→ττ単独で低質量領域で2σ程度のexcessを観測可能
• VBFカットをきつくする
• VHのmulti-leptonイベント
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9
Back Up!
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10
leplep Jet category
Base Selection
(1) Preselection and exactly 2leptons Opposite Sign.
(2) Z Veto: 30 < mLL <75(100)GeV for SF(DF)
(3) Jet Tag: 1st jet pT>40GeV(|JVF|>0.75 if |η|<2.4) Not P
ass
(4) Z & QCD suppress: MET > 40(20)GeV for SF (DF)
(3)
(5) Collinear(τ enhance): 0.1 < X1,X2 < 1.0
(6) Topological: 0.5 < ΔφLL < 2.5
2jet VBF
(7) Jet Tag: 2nd jet pT>20GeV
(8) VBF Tag: Δη > 3.0
(9) VBF Tag: mJJ > 350GeV
(10) Top suppress: b-tag veto
(11) Central Jet Veto
No
Not Boosted category
(10) dijet pT<150GeV
(11) b-tag veto
2jet VH
(7) Jet Tag: 2nd jet pT>25GeV
(8) VH Tag: Δη < 2.0
(9) VH Tag: 50<mJJ<120GeV
d
e
t
os
o
B
t
Excluding 2jet event
0jet category
(1) Topo: ΔφLL > 2.5
(2) Top suppress:
ΣpT<120GeV
1jet category
(8) mHJ > 225GeV
(9) b-tag veto
Boosted category
(10) dijet pT>150GeV
(11) b-tag veto
11
3
10
Events/10GeV
Events/10GeV
Fake Factor measurement
Data(Loose)
Data(Tight)
Real Lepton(MC Tight)
Data(Tight)
Real Lepton(MC Tight)
102
102
ATLAS Work in progress
s = 7TeV,
10
∫
ATLAS Work in progress
-1
L = 4.7fb
s = 7TeV,
Electron pT
10
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Electron Pt[10GeV]
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0
Fake Factor
Fake Factor
0.05
0.045
-1
L = 4.7fb
1
1
0
•F.F.はlepton pTの関数
•点線:Loose(Tight+LNT)
黒実線:Tight
•
∫
青実線:MC Tight(主にDiboson)
•
Muon pT
•イベント数
Data(Loose)
0.14
Z+Jets
DiJet
Average
0.12
0.1
ATLAS Work in progress
s = 7TeV,
∫
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Muon Pt[10GeV]
Z+Jets
DiJet
Average
0.08
Electron F.F.
0.06
s = 7TeV,
∫
-1
L = 4.7fb
Muon F.F.
0.04
0.01
0.02
0.005
0
0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Electron Pt
0
0
Loose
5491
752
• 統計があるならZ+Jets
ATLAS Work in progress
-1
L = 4.7fb
Electon
Muon
Tight(MC)
99(33.0)
82(33.2)
➡Electron • 統計がないならDiJet
➡Muon • Z+Jetsとの差分を系統誤差に考
慮
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Muon Pt
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12
ee VH ch (Cut3/9:after MEt cut)
ATLAS Work in progress
∫
H→ τ τ → ee(SameSign)
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
-1
data
tt
Z → ee
Z → ττ
Diboson
top
Z → µµ
Events/10
ee VH ch (Cut3/9:after MEt cut)
ATLAS Work in progress
10
∫
H→ τ τ → ee(SameSign)
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
-1
8
WJets
MC+Fake(stat ⊗ syst)
data
Fake
Diboson
top
tt
Z → ee
Z → µµ
Z → ττ
MC+Fake(stat ⊗ syst)
6
ee channel
ee channel
4
2
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
50 100 150 200 250 300 350 400
[10]
250
200
ATLAS Work in progress
data
∫
H→ τ τ → µµ(SameSign)
tt
Z → ee
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
-1
Z → ττ
Diboson
top
Z → µµ
Events/10
µµ VH ch (Cut3/9:after MEt cut)
0
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
10
WJets
•Same SignでのFakable CRで
methodの有効性をチェック
•SameSignはO.S.に比べEWバッ
クグラウンドが相対的に小さい
• MET要求後のmT分布
• 緑網掛け部分がW+Jets
• 黒点からW+Jets以外のEW
50 100 150 200 250 300 350 400
[10]
µµ VH ch (Cut3/9:after MEt cut)
8
6
MC+Fake(stat ⊗ syst)
ATLAS Work in progress
data
Fake
∫
H→ τ τ → µµ(SameSign)
Diboson
top
tt
Z → ee
Z → µµ
Z → ττ
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
-1
MC+Fake(stat ⊗ syst)
150
100
4
µµ channel
2
50
0
50 100 150 200 250 300 350 400
[10]
Fakable CR
µµ channel
0
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
DATA / BG
0
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
DATA / BG
Events/10
12
DATA / BG
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
2.5
DATA / BG
Events/10
Fake event check
0
50 100 150 200 250 300 350 400
[10]
BGのコンタミを差し引いて
F.F.を適用
• Same Sign Fakable CRではW
+Jetsを含めて再現
Fakable Event
(Tight+Loose)
Estimated
×F.F.= Fake
Events
Fakable EW BG
(except W+Jets)
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13
-1
1jet
12
10
BG(stat ⊕syst)
10
8
6
4
2
-1
VBF
2
DATA/BG
Diboson
top
Z → µµ
Fake
ggF(x5)
ZH(x5)
BG(stat ⊕syst)
• 80% VBF
• 19% ggF
• 1% VH
4
0
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
50 100 150 200 250 300 350 400 0 collinear
50 100 150 200 250 300 350 400 0
collinear
ee+eµ+µµ Boost3 ch (Cut10/10:after
btagVeto
cut)
M
ee+eµ+µµ Boost4 ch (Cut10/10:after
btagVeto cut)
ττ
Mττ
[10GeV]
Mcollinear
[10GeV]
ττ
ATLAS Work in progress
∫
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
H→ τ τ → ee+eµ+µµ
-1
Boosted
data
tt
Z → ee
Z → ττ
VBF(x5)
WH(x5)
Diboson
top
Z → µµ
Fake
ggF(x5)
ZH(x5)
BG(stat ⊕syst)
50
40
ATLAS Work in progress
∫
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
H→ τ τ → ee+eµ+µµ
-1
Non Boosted
• 54% ggF
• 37% VH
• 9% VBF
50 100 150 200 250 300 350 400
Mcollinear
[10GeV]
ττ
30
20
10
data
tt
Z → ee
Z → ττ
VBF(x5)
WH(x5)
Diboson
top
Z → µµ
Fake
ggF(x5)
ZH(x5)
BG(stat ⊕syst)
• 56% ggF
• 37% VH
• 7% VBF
0
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0
50 100 150 200 250 300 350 400
Mcollinear
[10GeV]
ττ
ATLAS Work in progress
∫
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
H→ τ τ → eµ
-1
0jet
data
tt
Z → ee
Z → ττ
VBF(x5)
WH(x5)
Diboson
top
Z → µµ
Fake
ggF(x5)
ZH(x5)
BG(stat ⊕syst)
• 95% ggF
• 5% VBF,VH
0
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
collinear
0
0
∫
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
H→ τ τ → ee+eµ+µµ
6
DATA/BG
0
data
tt
Z → ee
Z → ττ
VBF(x5)
WH(x5)
ATLAS Work in progress
8
• 72% ggF
• 21% VBF
• 7% VH
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
14
eff
M ττ eµ 0jet ch (Cut3/3:after Ht cut)
ee+eµ+µµ VBF ch (Cut10/10:after 3rdCJV cut)
DATA/BG
∫
s = 7TeV, Ldt = 4.7fb
H→ τ τ → ee+eµ+µµ
Diboson
top
Z → µµ
Fake
ggF(x5)
ZH(x5)
M ττ
Events/10GeV
data
tt
Z → ee
Z → ττ
VBF(x5)
WH(x5)
ATLAS Work in progress
M ττ
DATA/BG
collinear
Events/10GeV
DATA/BG
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1.6
Mass distribution
ee+eµ+µµ 1jet ch (Cut8/8:after btagVeto cut)
Events/10GeV
collinear
M ττ
50 100 150 200 250 300 350 400
Meff
ττ [10GeV]
• 全ての質量領域でデー
タ分布に有意なヒッグ
ス粒子の兆候は観測さ
れなかった
• 全チャンネルをコンバ
インして制限を付ける
日本物理学会 2012年第67回年次大会関西学院大学
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Mass Reconstruction Missin
• Effective Mass: METと2leptonで組んだ質量
• back-to-backにτ粒子が出る( 0jet category)→Collinear近似出来ない
タウ粒子の質量は自身の運動量に比べて小さ
•
M eff =
miss ) (p + p + E miss )
(pe + pµ + ET
e
µ
T
• Collinear Mass: τ粒子の質量1.777GeV
• 崩壊粒子は全て同じ方向と仮定
m
collinear
=
m
x1 x2
x1,2
タウ粒子の方向と再構成可能な崩壊
¯,
1st Jet
pvis1,2
=
pvis1,2 + pmiss1,2
•Missing Mass Calculator(MMC):
効率
• τ粒子と崩壊粒子群との角度θ3D分布でLikelihoodで再構成
• Collinear Massより再構成の効率が良い
• leptonic decayはνが2本でるため効率が下がる
ν
θ3D
ν
MET
¯,
ν
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