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