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Max-Planck-Institut fur Physik
(Werner-Heisenberg-Institut)
Sandra Horvat, Nectarios Benekos, Oliver Kortner und Hubert Kroha
Untersuchungen des Kanals H → ZZ (∗) → 4`im ATLAS-Detektor
mit vollstandiger Detektorsimulation
DPG Tagung • Dortmund • 28.-31. Marz 2006
1/13
Einleitung
Der Zerfallskanal H → ZZ (∗) → 4` (` = e, µ) bietet eine der klarsten
Higgssignaturen im ATLAS-Detektor.
Auswertung des Entdeckungspotentials im ATLAS-Detektor anhand
detailierter Detektorsimulation (niedrige Luminositat, bis 30 fb−1):
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
0
5
10
15
100 120 140 160 180 200(GeV)m4µ
Anz
ahl d
er E
reig
niss
e
m = 130 GeVH
��������
L = 30 fb−1
Signifikanz = 2.0
H −> ZZ −> 4µ
⇒ bisherige Studie mit 4 Myonen
im Endzustand (DPG Tagung 2005)
Erreicht man in Kombination mit Elektronen die 5σ-Signifikanz?
ATLAS-Software hat sich entwickelt → neue Datensatze.
Optimierung der Schnitte zur Unterdruckung des Untergrunds.
Ergebnisse.
2/13
Simulierte Signal- und Untergrundprozesse
gg
b
b
Z
−l
l
+
−
+
−
l
l
lZ
H Z q
q
Z
Z
+
−
+
−
+g
q
q
t
t
l
*
l
l
l
reduzierbar
nicht reduzierbarl
Prozess σ x BR (fb) N30fb−1 Nrekonstruiert
(nach dem 4`-Filter)
gg → H → 4`, 130 GeV 1.624 48.72 60 000
gg → H → 4`, 180 GeV 1.656 49.68 15 000
gg → H → 4`, 280 GeV 4.397 131.9 32 000
reduzierbar: tt → `νb`νb 1311 39330 442 000
reduzierbar: Zbb → ``bb 519.9 15597 53 000
irreduzierbar: (ZZ (∗), Zγ∗) → 4` 33.36 1000.8 109 000
PYTHIA(+AcerMC)-Generatoren (4`-Filter mit pT > 5 GeV/c, |η| < 2.5)
Detailierte Simulation der Prozesse im Detektor (Athena 10.0.4).
Myonrekonstruktion: Effizienz 92%, pT -Auflosung 2.5%
Elektronrekonstruktion: Effizienz 86%, pT -Auflosung 4%
Große Datensatze ermoglichen die Optimierung der Schnitte.
3/13
Analysenverlauf
≥ 4e ≥ 4µ ≥ 2e, 2µ
i s o l i e r t e L e p t o n e n
4e-Kombinationen 4µ-Kombinationen 2e2µ-Kombinationen
Gesamtladung = 0Ladung:
Kinem. Schnitt:
2. FOLGENDE LEPTONEN: zweites (l+,l−)-Paar mit großter Masse m34
ii) + nbjet-Schnitt:
n o r m i e r t e r S t o ß p a r a m e t e r
Wahle die beste Kombination aus:
2 Leptonen mit pT > 20 GeV, andere zwei mit pT > 7 GeV (|η| < 2.5)
1. FUHRENDE LEPTONEN: (l+,l−)-Paar mit der Masse m12 naher an die Z-Resonanz
ausgewahlte 4-Lepton-Kombination
ausgewahlter Higgskandidat
(mZ - m12,low) < δm12 < (mZ + δm12,upp)
m34,low < m34 < m34,upp
p4lT >p4l,cut
T
Ereignisse innerhalb des Massenfensters (mH ± 3σ)
EmissT <Emiss,cut
T
nbjet=0
kinematische Anpassung der Z-Masse
Z-Massenschnitt:
Z(∗)-Massenschnitt:
Massenfensterschnitt:
p4lT -Schnitt:
i) + EmissT -Schnitt:
4/13
Isolierte Leptonen
Starkste Unterdruckung der tt- und Zbb- Untergrunde.
(2 von 4 Leptonen umgeben von Jet-Teilchen aus b-Zerfallen).
⇒ Maximale Energie EmaxT (∆R) deponiert im Kegel ∆R um den
Leptonkandidaten herum, getrennt fur Elektronen und Myonen:
l
0.7 0.8 0.9 10.7 0.8 0.9 1
100
200
300
400
500
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Signaleffizienz Signaleffizienz
∆R = 0.4
∆R = 0.2
∆R = 0.45
Unte
rdru
ckungsf
akto
r
Unte
rdru
ckungsf
akto
r4µ− Ereignisse4e− Ereignisse
Signaleffizienz Unterdruckungsfaktor
Elektronen: ET (∆R = 0.2) < 6 GeV 0.68 320
Myonen: ET (∆R = 0.4) < 9 GeV 0.72 420
5/13
Normierter Stoßparameter
Leptonen aus b-Zerfallen versetzt vom primaren Vertex.
d0 - rekonstruierter Abstand vom primaren Vertex
Normierter Stoßparameter amax0 = d0√
Var(d0):
d0
x
y
φ
Spur
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
ZZZbbtt
Signal
0
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
ZZ
ttZbb
Signal
amax
0amax
0
4µ-Ereignisse 4e-Ereignisse
norm
iert
erAnza
hlder
Ere
ignisse
norm
iert
erAnza
hlder
Ere
ignisse
Signaleffizienz Unterdruckungsfaktor
Elektronen: amax0 < 7 0.90 2.0
Myonen: amax0 < 3.4 0.95 4.5
6/13
Zusatzliche diskriminierende Variablen
fehlende Energie, Anzahl der b-jets,
invariante Masse fuhrender und folgender Leptonpaare
0 20 40 60 80 100120140
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0 40 80 1200
0.04
0.08
0.12
0.16
0 40 80 120 160 2000
0.005
ET (GeV)
0.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.045
m (GeV)(l+, l−)
Zbbtt
ZZ
FÜHRENDES LEPTONPAAR
FEHLENDE ENERGIE
FOLGENDES LEPTONPAAR FOLGENDES LEPTONPAAR FOLGENDES LEPTONPAAR
Signal
loser Schnitt,gleich fur alleHiggsmassen
m (GeV) m (GeV)(l+, l−) m (GeV)(l+, l−) (l+, l−)
0 40 80 120 0 40 80 120
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0
0.20
0.15
0.10
0.05
0
mH = 130 GeV mH = 180 GeV mH = 280 GeV
7/13
Higgsmassenauflosung
100 110 120 130 140 150 150 160
ohne kinem. Fit
mit kinem. K=Fit
170 180 190 2000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0
200
400
600
800
1000
1200
200 220 240 260 280 300 320 3400
100
200
300
400
500
600
700
800
mH = 130 GeV/c2 mH = 180 GeV/c2
m4ℓ (GeV/c2) m4ℓ (GeV/c2) m4ℓ (GeV/c2)
mH = 280 GeV/c2
Ere
ignisse
/1
GeV
/c2
Ere
ignisse
/1
GeV
/c2
Ere
ignisse
/1
GeV
/c2
Kanal σ fur mH=130 σ fur mH=180 σ fur mH=280(GeV/c2) (GeV/c2) (GeV/c2)
H → 4µ 1.94 (1.74) 2.82 (2.36) 7.79 (7.29)
H → 4e 2.29 (2.26) 2.81 (2.53) 6.90 (6.68)
H → 2e2µ 2.18 (2.00) 2.79 (2.52) 7.11 (6.81)
H → 4` 2.07 (1.85) 2.81 (2.45) 7.30 (6.81)
∆m (GeV/c2) 5.6 7.3 20.4
In Klammern: Werte nach dem kinematischen Fit der Z-Masse.
Massenfenster fur die Signalsignifikanz: ∆m = ±3σ
8/13
Signalsignifikanz bei L = 30 fb−1
mH =130 GeV/c2 mH =180 GeV/c2 mH =280 GeV/c2
NSignal 19.7±0.1 23.4±0.3 53.0±0.1
NZZ 12.0±0.3 31.8±0.5 35.2±0.6
NZbb 4±2 1±1 0±2
Ntt 0.7±0.4 0.5±0.4 0.4±0.4
Signifikanz 4.1±0.3 3.8±0.2 7.4±0.4TDR-Studie 4.8 11.2 14.5
Nach allen Schnitten dominiert der irreduzierbare ZZ -Untergrund.
Große Abweichung von vorherigen (TDR-)Ergebnissen fur
mH ≥180 GeV/c2:
nur der ZZ ∗-Untergrund betrachtet, kein ZZ -Beitrag.
Verschlechterung der Elektronrekonstruktion spiegelt sich in der
Signalsignifikanz wider:
H → 4e H → 4µ H → 2e2µ total
Signifikanz mH =130 GeV/c2 1.5 2.0 2.6 4.1Raum fur die Verbesserung der Rekonstruktion.
9/13
Verteilung der invarianten Masse
Verteilungen nach unten skaliert,
der Anzahl der Ereignisse bei 30 fb−1 entsprechend:
100 100 100150 150 150200 200 200250 250 250300 300 300350 350 350400 400 40000
22
44
66
88
1010
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ZZZbbtt
ZZZbbtt
ZZZbbtt
Sig + UntSig + Unt
Sig + Unt
m4ℓ (GeV/c2) m4ℓ (GeV/c2) m4ℓ (GeV/c2)
mH=130 GeV/c2 mH=180 GeV/c2 mH=280 GeV/c2
Ere
ignisse
/(2
GeV
/c2
)
Ere
ignisse
/(2
GeV
/c2
)
Ere
ignisse
/(2
GeV
/c2
)
Wirkliche Daten bei 30 fb−1 werden eher so aussehen (130 GeV):
falls wir Gluck haben
100 150 200 250 300 350 4000
2
4
6
8
10
12
14
16
Unterdatensatz Nr.5
Signal
Sig + Unt
m4l (GeV/c2)
Ere
ignisse
/(2
GeV
/c2
)
(2 unabhangige
Unterdatensatze)
Pech!
100 150 200 250 300 350 400
Unterdatensatz Nr.17
0
2
4
6
8
10
Signal
Sig + Unt
m4l (GeV/c2)
Ere
ignisse
/(2
GeV
/c2
)
10/13
Ensembletest mit Unterdatensatzen von 30 fb−1
Extraktion des Signals aus Anpassung der 4`-Massenverteilung:
Test zweier Hypothesen,
1.) Funktion fur Untergrund allein:
fb (mk) = Nb · α2(mk − ε)e−α(mk−ε)
2.) Funktion fur Signal+Untergrund:
fsb (mk) = Ns√2πσ
· e−(mk−µ)2
2σ2 + Nb · α2(mk − ε)e−α(mk−ε)
Die Gute des Fits bestimmt die wahrscheinlichste Hypothese.Signalsignifikanz = Ns√
Var(Ns).
Stabilitat der Anpassung getestet mit 60 unabhangigen
Unterdatensatzen, jeder mit der Anzahl der Ereignisse wie bei 30 fb−1.
Niedrige Statistik → variable Binbreite, Inhalt der Bins konstant.
O.Kortner, C.Zupancic, Nucl. Instr. And Meth. A 531 (2004)
11/13
Ergebnisse des Ensembletests fur mH=130 GeV/c2
100 140 180 2200
2
4
6
8
10
12
variable Binbreite
Untergrund HypotheseSignal+Untergrund Hypothese
m4ℓ (GeV/c2)
Ere
ignisse
/(2
GeV
/c2
)
Fitergebnis Bemerkung
Ngood fits 54 max. 60
<Ns - Ntrues > (RMS) 2 (6) Ntrue
s =23 (3)
<Nb - Ntrueb > (RMS) 3 (12) Ntrue
b =86 (10)
<χ2
b−χ2sb
χ2sb> (RMS) 1.6 (1.0) Hypothesentest
<Signf.> (RMS) 2.9 (0.6)
Genaue Trennung der Signal- und Untergrundbeitrage (Ns , Nb).
Unterscheidung zweier Hypothesen moglich (χ2b, χ2
sb).
Signalsignifikanz etwas niedriger als bei der Berechnung im
bestimmten Massenfenster (aber innerhalb statistischer Fehler):
Higgsmasse und -breite sind freie Parameter der Anpassung.
12/13
Kurzfassung
Potential fur eine fruhe Higgsentdeckung im Kanal H → ZZ (∗) → 4`bewertet durch detailierte Simulation der Physikprozesse im ATLAS,
mit der aktuellsten Detektorbeschreibung und Rekonstruktionssoftware.
Große Datenmengen (monatelange Datenproduktion) ermoglichen
die Optimierung der Schnitte und prazise Ermittlung der
Signalsignifikanz:
Verschlechterung der Signifikanz im Vergleich zum ATLAS-TDR,
wegen Anderungen des Detektorlayouts und noch zu schaffenden
Verbesserungen der Rekonstruktionsalgorithmen.
Signalsignifikanz aus den gesamten Datensatzen (volle Statistik)
bestatigt durch den Ensembletest mit Unterdatensatzen derren
Grosse der integrierten Luminositat von 30 fb−1 entspricht.
13/13
Recommended