christophe ochando recherche du boson de higgs dans le canal zh bb dans lexpérience dØ auprès du...
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Christophe Ochando
Recherche du boson de Higgs dans le canal
ZHbbdans l’expérience DØ auprès du TeVatron
Soutenance de Thèse – Université Paris-Sud XI
29 Septembre 2008
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 2
Plan de la présentation
Motivations théoriques Le Modèle Standard Le mécanisme de Higgs
Dispositif Expérimental Le collisionneur Tevatron Le détecteur DØ Stratégie de recherche du Higgs au Tevatron
Corrections des jets issus de la simulation
Système de déclenchement Optimisation des conditions de Niveau 3 Simulation de la réponse
Recherche du boson de Higgs Bruits de fond : détermination et réduction Analyse discriminante Résultats
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 3
MotivationsThéoriques
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 4
Le Modèle Standard
Offre une description des constituants élémentaires de la matière : les fermions.
… et de leurs interactions, via les bosons.
Leptons Quarks
Théorique quantique des champs basée sur l'invariance de jauge : SU(3)CSU(2)LU(1)Y
Or, l’interaction faible est de courte portée :W et Z sont massifs:MW = 80.4 GeV/c2
MZ = 91.2 GeV/c2
Incompatibilité !
Bosons de jauge de masse nulle
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Infinité de minima stables ne respectant pas la symétrie du Lagrangien.
Solution imaginée dans les années 60, indépendamment par Peter Higgs (1964), Englert & Brout (1964), Guralnik, Hagen & Kibble (1965) :
Génération des termes de masse pour les bosons W et Z, Masses des fermions via des couplages de Yukawa, Symétrie résiduelle U(1)EM,
Prédiction d’une nouvelle particule neutre : le Boson de Higgs.
Mécanisme de Higgs
2††2 )( )( V
2/22
BRISURE SPONTANEE DE LA SYMETRIE SU(2)LU(1)Y
Ajout d’un doublet complexe de champs scalaires . Champ de Higgs plongé dans un potentiel en forme de “chapeau mexicain” :
Le Modèle Standard (MS) est en parfait accord avec les données expérimentales…
… seul le boson de Higgs n’a pas encore été observé.
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Boson de Higgs : contraintes directes et indirectes
Recherche directe (menée au LEP) : MHiggs >114.4 GeV à 95% C.L.
En particulier, les mesures de MW et Mtop favorisent un Higgs « léger »
La masse du boson de Higgs est un paramètre libre du MS.
MHiggs intervient dans les corrections radiatives aux observables du MS.
Mesures précises de la théorie électrofaible
MHiggs < 154 GeV à 95% C.L
Contraintes indirectes.
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DispositifExpérimental
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le Tevatron
Run I (1992-1996) : découverte du quark top (95)
Run II (2001-2010?) : Amélioration des détecteurs et de la chaîne d’accélération.
Run IIa (2001-2006) : - ~1 fb-1 de données collectées.-“Bs Mixing”, WZ, top célibataire.
Run IIb (juin 2006-2010 ?)- Période de très haute luminosité.- ZZ, nouveaux baryons.- Higgs ?
proton anti-proton
1.96 TeV au Centre de Masse
Tevatron (Fermilab): collisionneur proton-antiproton
Vaste programme de physique :Physique des quarks b et top, Physique électrofaible, QCD, Higgs, Nouvelle Physique.
Chicago
CDF DØ
Tevatron
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Luminosité et Performances
Run IIa : ~1 fb-1
Run IIb : > 3 fb-
1
Lum
inos
ité in
tégr
ée (
pb-1)
Performances actuelles excellentes. 5 fb-1 délivrés. Record de luminosité instantanée :
315x1030cm-2s-1
Environ 8 fb-1 attendus en 2010.
Expérience DØ : 90% d’efficacité de prise de données.
~50 pb-1 enregistrés par semaine.
Plus de 4 fb-1 enregistrés au total.
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Calorimètre à échantillonnage:
milieu actif : LAr. absorbeur : Uranium.
Le détecteur DØComposé de sous-détecteurs agencés de manière concentrique autour du faisceau.
Détecteur de traces :
Détecteur à micropistes de silicium (SMT)
Détecteur à fibres scintillantes (CFT)
Aimant supraconducteur (2T)
Spectromètre à muons : Chambres à dérives Scintillateurs Toroïdes en fer (1.8 T)
Protons
Anti-protons
z
)2θ
ln(tanη
Angle polaire
=0 (le long de l’axe z)
Repère (r,,)
pT=impulsion dans le plan transverse
(x,y)
y
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Le calorimètre
Rôle : Reconstruction des électrons, des photons et des jets. Détermination de l’énergie transverse manquante.
Structure : 1 partie centrale (||<0.8) 2 bouchons (1.6<||<4.2) + détecteurs dans la région inter- cryostatique (ICR) (0.8<||<1.6)
Composition : 4 couches électromagnétiques 3 couches hadroniques fines 1 couche hadronique grossière
~50 000 cellules regroupées en tours pseudo- projectives (x=0.1x0.1)
Central (CC)
Bouchons (EC)
ICR (région moins instrumentée)
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Stratégie de recherche du
Higgs au Tevatron
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Boson de Higgs : Modes de désintégration
bbH
Exclu au LEP WWH
bbH Pour MHIGGS < 135 GeV,
Pour MHIGGS > 135 GeV,
Couplage du Higgs aux particules : proportionnel à leur masse.
Désintégration du boson de Higgs dans la paire de particules la plus lourde accessible cinématiquement.
Pas de couplage direct aux photons ou aux gluons.
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Exlcu au LEP
Le Higgs au Tevatron : Modes de production & Canaux
« Higgstrahlung »
WW* ll
l = leptons = électrons, muons, taus, =neutrinos
bbννZHZ*qq Canal étudié lors de ma thèse :
mH<135 GeV : Hbb Fusion de gluons : gg H bb ?
Noyé par le bruit de fond QCD Production associée à W/Z ?
Préférée si désintégrations leptoniques des W/Z
mH>135 GeV : HW+W-
Fusion de gluons ?
Oui, avec désintégrations leptoniques des W
l, ll,
bb
Fusion de gluons
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La topologie Jets et Energie transverse manquante
Une calibration précise de l’énergie des jets,
Des conditions de déclenchement spécifiques et optimisées,
Pour le Higgs : faible section efficace + importants bruits de fonds
Une bonne modélisation des bruits de fond, Une discrimination du signal et des fonds à l’aide de techniques avancées.
Topologie très délicate auprès des collisionneurs
hadroniques
1ère partie
2ème partie
3ème partie
Les analyses possédant un tel état final nécessitent :
bbννZH Canal : 2 jets + énergie manquante.
jet
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Correctionsdes jets simulés
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Jets et énergie transverse manquante
Jet de partons(partons issus de l’interaction dure)
Jet de particules
(particules issues de l’hadronisation des partons)
Jet calorimétrique
(reconstruction des gerbes initiées par l’interaction des particules dans le calorimètre)
Jet: Reconstruit à l’aide d’un algorithme de cône de rayon
22 yR
Energie Transverse Manquante (MET) : Due aux particules n’interagissant pas ou peu avec le calorimètre (neutrinos, muons)
cellules
TpMET
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hadrons
Calorimètre
partonfragmentation
Echelle d’énergie absolue des jets dans DØ (JES)
But: Ramener l’énergie mesurée des jets calorimétriques au niveau des jets de particules (i.e., avant l’interaction avec le détecteur)
SR
OffEE
jet
mesjetptcl
jet *
)(
Offset : Energie non-associée au processus dur :
- Bruits (Uranium, électronique)
- Empilement- Interactions multiplesRéponse :
• Réponse du calorimètre au jet• Mesurée avec des événements +jet (et dijet)
« Showering (S) »: prend en compte le fait qu'une particule à l'intérieur (resp. à l’extérieur) du cône de reconstruction du jet peut déposer de l'énergie en dehors (resp. à l’intérieur) du cône lors du développement de la gerbe.
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Corrections des jets simulés : Motivations
Une bonne compréhension de la masse invariante di-jet est cruciale pour la recherche d’un boson de Higgs de basse masse au TeVatron.
La simulation du détecteur DØ ne reproduit pas correctement :
But de la méthode S.S.R (pour “Smearing, Shifting and Removing”)
Toutes ces caractéristiques sont corrélées et doivent être corrigées de façon cohérente
donnéessimulati
on
Résolution des jets- l’échelle d’énergie des jets,
- la résolution en énergie des jets,
- l’efficacité de reconstruction et d’identification des jets
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Sélection
ZT
ZT
JetT
pppS /
/
Les jets sont corrigés de JES. L’échelle d’énergie électromagnétique est connue précisément :
Calibration à partir d’événements Zee. Différence d’échelle d’énergie électrons/photons estimée à partir de la simulation.
Jet
Z ou
tester l’équilibre en énergie transverse entre le photon/Z et le jet
S est calculée pour différents intervalles de pT(Z/),
À la fois pour les données et la simulation (MC), Et pour plusieurs régions en du calorimètre.
Utilisation de la variable S :
Sélection d’événements /Z(ee) + 1 jet dos-à-dos en .
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La Méthode S.S.R.Les distributions de S sont décrites par une fonction F : F = Gaussienne*Turn-on
afin de modéliser l’inefficacité de reconstruction des jets de bas pT.
F = Gaussienne en pratique, lorsque le turn-on n’est plus nécessaire.
Valeur moyenne des gaussiennes Largeur des gaussiennes Turn-on
Echelle d’énergie des jetsRésolution en énergie des jetsEfficacité de reconstruction des jets
Événements photon/Z+jet dont le jet n'a pas été reconstruit
50<pT<60 GeV18<pT<23 GeV
Différences données/MC facteurs de correction de la simulation
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 22
Exemple : Différences d’échelle d’énergie
<Sgauss>(data) - <Sgauss>(MC)
donnéesMC
<S>gau
ss
Importantes différences à bas pT entre les données et la simulation.
La différence de <S> entre les données et la simulation
donne accès à l’échelle relative d’énergie des jets (rJES)
Jets Centraux
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Jet pT [GeV]
Corrections de la simulation
La résolution des jets simulés est dégradée afin de correspondre à celle des
jets dans les données.
L’échelle relative d’énergie des jets est appliquée à la simulation.
Les jets ainsi corrigés dont pT<15 GeV sont retirés
(le plateau des turn-ons est atteint à 15 GeV)
La coupure à 15 GeV est aussi appliquée aux
données.
donnés MC
Z pT [GeV] Z pT [GeV]
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Comparaisons Données/MC
DONNEESMC
Comparaison du spectre en pT des jets (pour pT()>50 GeV), avant (à gauche) et après (à droite) les corrections.
L’accord données/MC est grandement amélioré après les corrections.
La méthode S.S.R. fait partie de la chaîne standard d’analyse de DØ.
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pT (GeV)100 20020
<S>gauss
Vers une correction des jets de quarks et de gluons… (1)
Différences entre jets de quarks et jets de gluons :
Y’a-t-il des différences pour les jets de gluons (ou quarks) entre les données et la simulation ?
Est-il possible de construire rJES (quark) et rJES(gluon) ?
Réponse (gluon) < Réponse (quark)
… mais comment faire dans les données ?
Z+quarkZ+jetsZ+gluon
JES/SSR : correction moyenne, quelque soit la nature du jet.
Dans la simulation, accès à toutes les informations…
S(gluon) < S(quark)
MC
Jets de gluons :
• multiplicité de particules plus grande,• particules de plus basse énergie.
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Vers une correction des jets de quarks et de gluons… (2)
Deux lots à notre disposition, +jet et Z(ee)+jet, avec des compositions partoniques différentes.
datagluon
Zgluon
dataquark
Zquark
Z
datagluongluon
dataquarkquark
SSS
SSS
(data)
(data)
Possibilité d’écrire le système suivant :
S(data) et SZ(data) : mesurées dans les données. Fractions extraites à partir de la simulation Sdata
gluon/quark obtenues par résolution du système.
rJES (quark)
rJES (gluon)
rJES (cocktail)
Au-dessus de 20 GeV, les jets de quarks sont sur le même pied dans les données et la simulation. les jets de gluons nécessitent une correction. méthode en cours de test dans DØ.
Fraction de gluons
Z+jetPhoton+jet
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Conditions dedéclenchement :
Optimisation & Simulation
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Système de déclenchement à DØ
Les faisceaux se croisent toutes les 396 ns Environ 2 Tb/s de données à traiter. On ne peut pas tout enregistrer. Et d’ailleurs on ne veut pas :
recherche de phénomènes rares.
Étape cruciale : tout événement non enregistré est perdu à jamais !
Système de déclenchement à 3 niveaux enchaînés :
Quantité et complexité des informations disponibles Temps de calcul
Nécessité de filtrer les événements en ligne
Niveau 1
Niveau 2
Niveau 3
50-150 Hz
0.8 kHz1.6 kHz1.7 MHz
Augmentent de niveau en
niveau
Higgs
QCD
Près de 11 ordres de grandeur !
s (TeV)
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Système de déclenchement au Run IIb
Printemps 2006 : Début du Run IIb, période de prise de données de très haute luminosité.
Pics de luminosité instantanée attendus : 300E30 cm-2 s-1
Nouvelles contraintes sur le système de déclenchement : Réduction des taux par ~ un facteur 2.
Amélioration majeure du Niveau 1 du système de déclenchement de DØ. En particulier : Nouveau Niveau 1 pour le Calorimètre.
Utilisation de l’algorithme de “fenêtre glissante”.
Possibilité de : définir des objets tels que des électrons/photons, jets ou taus. utiliser des variables topologiques.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 30
Conditions de déclenchement Jets+MET au Run IIb
Etats finals Jets+MET : impliqués dans beaucoup de processus différents : Higgs ou Nouvelle Physique.
Trois conditions de déclenchement complètement nouvelles pour les topologies jets+MET ont été conçues pour le Run IIb :
Monojet: pour des signaux tels que les monojet+MET (dimensions supplémentaires). Dijet: pour ZHbb ou stops, sbottoms, … venant de SUSY. Multijet: pour les gluinos (SUSY).J’étais en charge de l’optimisation du Niveau 3 pour ces conditions.
Conception des conditions de déclenchement :
Compromis à trouver entre :
efficacité du signal recherché et
taux de sortie (50-150 Hz au final) pour TOUT le programme de physique de DØ
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 31
Conception du Niveau 3 Dijet
Avant mon travail, le précédent Niveau 3 demandait : Au moins 1 jet, MHT > 30 GeV, HT > 50 GeV
+ coupures cinématiques
(jets)pMHT
(jets)pHT
T
T
Nouvelle conception: “Au moins 2 jets” désormais demandé. Coupure en HT supprimée, Seuil sur MHT abaissé à 25 GeV, Introduction de MET au L3 (voir à droite)
Signal ZH (mH=115 GeV)
Taux à 300E30 cm-2 s-1 : Réduction par environ 44% Efficacité de signal (par rapport à des coupures d’analyse) : 88% 91% (+3%) Réduction des taux et augmentation de l’efficacité de signal similaires obtenues avec les conditions monojet et multijet. Conditions en ligne depuis Octobre 2006.
25 GeV
avec :
(normalisation aribitraire)
(= MET calculée avec les jets)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 32
Modélisation de l’efficacité de déclenchement
La simulation du système de déclenchement n’est pas incluse dans la chaîne de simulation complète du détecteur.
Nécessité de modéliser l’efficacité de déclenchement pour les données simulées.
Des paramétrisations existaient pour le Run IIa.
Nouveau Niveau 1 du Run IIb : nouvelle paramétrisation nécessaire. J’ai conçu et implémenté une méthode, basée sur les données,
pour émuler la réponse de ce système. Elle a été déterminée à l’aide d’événements Z+- +jets :du point de vue calorimétrique, même topologie que le
signal (les muons ne déposent leur énergie qu’au minimum
d’ionisation) +
-
jet
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 33
Ce qu’il faut modéliser…
pT du premier jet
DONNEES Z(déclenchement sur muons)Avant Après le Niveau 1
MHT
Effet très important à modéliser…
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 34
Mesure de l’efficacité de déclenchement
pT du Jet hors-ligneAvantAprès le terme de Niveau 1
Turn-on d’Efficacité
Au Niveau 1 : termes de jets et MET. J’ai mesuré l’efficacité individuelle de chacun des termes, sur les données.
Efficacités paramétrées en fonction de quantités “hors-ligne” pour
pouvoir être appliquées à la simulation.Exemple: terme CSWJT(1,30,3.2) :
“au moins 1 jet de Niveau 1 avec ET>30 GeV et ||<3.2”
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 35
Tests de cohérence
Toutes les efficacités individuelles des termes ont été combinées afin de calculer la probabilité totale pour qu’un événement passe les critères du Niveau 1 en prenant en compte le recouvrement entre les différents termes.
Tests de cohérence effectués sur les données,
avec des événements W() + jets.(déclenchement sur des muons isolés)
MHT
DONNEES
Après la paramétrisation du Niveau 1Après la vraie décision du Niveau 1.
HT
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 36
Recherche du boson de Higgs
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 37
Le canal ZHbb
Signature Expérimentale :
Deux jets de grand pT, issus de quarks b
Energie Transverse Manquante (MET), Pas de lepton isolé
La réaction ppHZ avec Hbb et Z est parmi les plus prometteuses pour la
découverte d’un boson de Higgs de basse masse au TeVatron.
Cette recherche est également sensible au canal W(l)H(bb) où le lepton n’est pas identifié ou reconstruit.
+
ZHbbWHlbb
ZHl+l-bbBR(Zl+l-) 3%
BR(Z)20% (3 saveurs de neutrinos)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 38
Bruits de fond (1)
Production de jets par interaction forte.
Énergie manquante factice due à la mauvaise mesure de l’énergie des jets.
Faible probabilité mais section efficace importante.
Faible MET, alignée avec la direction du jet mal mesuré.
Estimé à partir des données.
jet 2
jet 1
MET
Deux types de bruits de fond pour cette analyse :
Bruit de fond instrumental, dit “QCD” Bruits de fond physiques
Bruit de fond QCD
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 39
Bruits de fond (2)
Bruits de fond physiques
Production de bosons W/Z + jets :
• En particulier :
Z + jets (irréductible)
W(l) + jets
Production de paires de bosons vecteurs : WW, WZ, ZZ
Production de quarks top (par paire ou célibataire)
l = électrons, muons ou taus
q
q
W
b
b
Processus simulés à l’aide de : ALPGEN interfacé avec PYTHIA (W/Z/tt) COMPHEP (top célibataire) PYTHIA (dibosons)
q
q
Z
b
b
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 40
Sélection
La recherche a été effectuée avec 2.1 fb-1,
2 ou 3 jets avec pT > 20 GeV
|(jets)| < 2.5
MET > 50 GeV
Coupures topologiques contre le bruit de fond QCD
+
Veto sur leptons isolés : électrons muons (contre W/Z+jets)
les données du Run IIb (1.1 fb-1) ont été enregistrées avec la condition DIJET optimisée.
Run IIa + Run IIb
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 41
Les bruits de fond physiques sont estimés à partir de la simulation, et leur bonne modélisation est vérifiée comme suit :
Un lot de contrôle est sélectionné de la même manière que le lot de signal, excepté que le veto sur les muons est inversé afin d’enrichir le lot en événements W().
Si l’impulsion du muon n’est pas propagée au calcul de la MET, ce lot a la même topologie, du point de vue du calorimètre, que le signal.
Bruits de fond physiques : Contrôle
Lot de contrôle W()+jets
W+jetsW+saveurs lourdesZ+jetstop
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 42
Bruit de fond QCD : Estimation
Le bruit de fond QCD est estimé à partir des données.
Utilisation de la variable (M_TrkPt, MET) pour définir un lot QCD où M_TrkPt = MET calculée à partir des traces.
LotQCD
(>/2)
Lot de signal(</2)
(M_TrkPt, MET)< /2 définit le lot de signal, dans lequel l’analyse est effectuée,
(M_TrkPt, MET)> /2 définit le lot QCD (en rouge), utilisé pour modéliser le fond QCD dans le lot de signal.
MET
SIGNAL QCD
M_trkPt
Jet 1
Jet 2MET
M_trkPt
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 43
Lot de signalpT du Jet 1
R(jet 1, jet 2)
W+jetsW+saveurs lourdesZ+jetsZ+saveurs lourdesTopQCD
pT du Jet 2
Signal (x500) QC
D
Z+jets
W+jets La combinaison du fond
QCD et des fonds physiques fournit une bonne description des
données.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 44
Étiquetage des saveurs lourdes
Augmentation de la sensibilité : tirer parti du rapport de branchement Hbb Étiquetage des quarks b appliqué au deux jets de plus grand pT, à l’aide d’un algorithme utilisant un réseau de neurones.
Une bonne description des données est obtenue, à la fois avant et après l’étiquetage des quarks b.
Avant AprèsMasse invariante
Dijet
Signal (x10)
W+jetsW+saveurs lourdesZ+jetsZ+saveurs lourdesTopQCD
Signal (x500)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 45
Analyse Discriminante
La séparation finale entre le signal et les bruits de fond restants est obtenue à l’aide d’une technique d’Arbre de Décision Stimulé (ADS). 24 variables utilisées, dont :
Masse invariante dijet (la +plus discriminante), pT et des jets, R(jet 1, jet 2), (jet 1, jet 2), etc…
Les signaux ZH et WH sont combinés.
Sortie du AD :
Exemple pour un signal Higgs avec mH=115 GeV, et
pour le Run IIb
Un AD différent a été entraîné pour chaque masse de Higgs testée, ainsi que pour chacune des périodes de prises de données (Run IIa et Run IIb)
Signal (x25)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 46
Erreurs systématiques
Simulation des conditions de déclenchement : +/- 5.5 %
Sections efficaces : +/- 6-16% (bdf physique) +/- 6% (signal)
Fractions de saveurs lourdes dans W/Z + jets : +/- 50%
Etiquetage des quarks b : +/- 6% (bdf physique et signal)
Luminosité : +/- 6.1%
Contributions majeures (Run IIb) :
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 47
Résultats
Bon accord données/bruit de fond. Pas de déviation observée.
Pour une masse de 115 GeV, la limite est un facteur 7.5 plus grande que la section efficace prédite par le Modèle Standard…
Détermination de limites sur (Higgs)*BR(H->bb) basée sur la sortie de l’AD.
Méthode statistique : CLs (fréquentiste modifiée)
Limites exprimées suivant le rapport :
Prédiction du Modèle Standard
)bbZH)xBR(Hpσ(p
C.L. 95% à exclue efficace SectionR
Résultat le plus sensible pour un Higgs de basse masse à DØ
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 48
Combinaison du TeVatron (1)
Augmentation de la sensibilité globale au boson de Higgs :
Combinaison de tous les canaux Combinaison des deux expériences : DØ et CDF.
Dernière combinaison complète réalisée au printemps 2008
Analyses avec 1.0 – 2.4 fb-1.
Pour mH=115 GeV, Rattendu (resp. Robservé) = 3.3 (resp. 3.7)
Pour mH=160 GeV, Rattendu (resp. Robservé) = 1.6 (resp. 1.1)
Rapport R
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 49
Combinaison du TeVatron (2)
Eté 2008 : combinaison des canaux sensibles aux hautes masses uniquement.
Combinaison DØ+CDF Analyses avec 3 fb-1
Exclusion d’un boson de Higgs avec mH=170 GeV
Premiere fois depuis le LEP qu'un accélérateur apporte une information directe sur la masse du boson de Higgs
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 50
Conclusion
Une méthode a été développée pour corriger de façon cohérente les différences entre les données et la simulation pour :
L’échelle d’énergie des jets, La résolution en énergie des jets, L’efficacité de reconstruction des jets.
Elle est utilisée de manière standard dans la chaîne d’analyse de DØ. Une procédure a été mise en place pour corriger différemment les jets issus de quarks et les jets issus de gluons. Le Niveau 3 des conditions de déclenchement pour les topologies jets+MET pour le Run IIb a été optimisé.
Augmentation de 3% sur l’efficacité de signal, Tout en réduisant les taux d’un facteur 2.
Un outil a été développé pour simuler la réponse du système de déclenchement.
Recherche du boson de Higgs dans le canal ZHbb avec 2.1 fb-1
Pas de déviation par rapport aux prédictions du Modèle Standard.Limites : pour mH=115 GeV, R(exclu/SM) = 7.5.
Limite combinée : R(exclu/SM) =3.7
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 51
Le Higgs au TeVatron : Prospectives
Des prospectives ont été réalisées en 2007 : Projection des résultats d’alors à des luminosités intégrées plus élevées. Prise en compte de futures améliorations possibles.
Avec 7 fb-1 / expérience (attendus en 2010) : Exclusion sur quasi tout le domaine en masse si aucun n’est signal n’est vu. Évidence à 3 possible dans les régions extrémales (au-delà de 155 GeV et au voisinage de la limite du LEP)
Luminosité requise par
expérience (fb-1)
Evidence à 3
Exclusion à 95% C.L.
Eté 20083 fb-1
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 52
BACK UP
SLIDES
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 53
Limites du Modèle Standard (1)
19 paramètres libres : non expliqué
Mécanisme de brisure électrofaible tjrs mystérieux le boson de Higgs est manquant
Non unification des constantes de couplages
Ne décrit pas la gravitation Non négligeable à l'échelle de Planck Λp (~1019 GeV)
Problème de hiérarchie et de naturalité : - 17 ordres de grandeurs entre Mw et ΛP - corrections radiatives ajustement fin ordre par ordre
H H
f
f
...)ln(62
1622
2
2
2
f
UVfUV
f
H mmm
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 54
Limites du Modèle Standard (2)
Masse des neutrinos : oscillations des neutrinos indiquent une masse non-nulle (même si très faible) des neutrinos première indication directe de physique au-delà du MS
Matière noire/Energie noire : Aucun candidat dans le MS pour la matière noire Pas d’explication de l’énergie noire (composante majeure de la densité d’énergie de l’Unviers)
Structure en famille non expliquée.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 55
Solution au problème de naturalité :
Unification des constantes de couplages
Aucune sparticule n’a été observée, la supersymétrie est nécessairement brisée.
Pour éviter de faire resurgir le problème de naturalité, il faut imposer :
les particules supersymétriques sont à la portée des accélérateurs
)(~2/122 TeVOmm FB
La supersymétrie
Nouvelle symétrie reliant les bosons et les fermions fermions bosons
H H
f~
H H
f
f
+ = 0
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 56
Extension supersymétrique minimale du modèle standard
quarks squarks
Bosons de jauge jauginos
Bosons de Higgs higgsinos
leptons sleptons (2 doublets de
Higgs)
Le MSSM
Nouveau nombre quantique R-Parité - R = -1 particules susy - R = +1 particules sm
Si la parité R conservée :
- Particules susy produites en paires à partir des particules du ms.
- Particules susy se désintègrent en nombre impair de particules susy.
- La particule susy la plus légère (LSP) est stable (candidat CDM) (Dans la suite LSP = plus léger des neutralinos)
charginosneutralinos
SLBPR
23)1(
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 57
Higgs & SUSY (1)
MSSM : Deux doublets de Higgs (au moins) d’hypercharges opposées : H1(H0
1, H1-) et H2(H-
2, H1-2)
Pourquoi deux ?
Anomalies chirales : s’annulent car la somme des hypercharges des fermions d’une même famille est nulle. Chaque doublet de Higgs : fermion chiral (Higgsino) Ajout de paires de doublets de Higgs d’hypecharges positives pour conserver cette annulation.
MS : masse des fermions d’iospin opposé généré avec =i2 *. Superpotentiel de SUSY ne peut être formé que des superchamps et pas des superchamps conjugués. En SUSY, pour la génération des masses des fermions de deux types d’isospin, il faut introduire 2 doublets de Higgs.
5 bosons de Higgs : h, H, A et H+/-
tan = v2/v1
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 58
Higgs & SUSY (2)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 59
TeVatron : historique & performances
59
Current performance:• Instantaneous luminosity:
~2.8x1032 cm-2s-1
• Integrated luminosity: ~4.8 fb-1
• Project ~7.3-8.8 fb-1 by end of FY10
6.72.52.5Interactions/ crossing
3963963500Bunch crossing (ns)
50203 Ldt (pb-1/week)
2.5 10321x10321.6 1030Typical L (cm-2s-1)
1.961.961.8s (TeV)
36 3636 366 6Bunches in Turn
Run IIbRun IIaRun I
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 60
JES : Mesure de la réponse
TreculTreculT
reculTT
EpRp
pp
,,
,, 0
(idéal)
(réel)
,
ˆ1
T
Trecul p
nER
MPF = Missing transverse energy Projection Fraction
Utilisée avec des événements :
Photon+jet (dos-à-dos): Rjet~Rrecul mesure de la réponse absolue
Dijet: mesure relative de la réponse d’une région du détecteur par rapport à une autre uniformisation de la réponse en fonction de
(après EM scale: REM=1, pour un photon et un jet dos-à-dos)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 61
Echelle d’énergie électromagnétique : électrons & photons
Détermination absolue à partir de la résonnance Z e+e-
Echelle d’énergie électromagnétique (EEE)
Echelle d’énergie des photons : Photons : pouvoir de pénétration plus grand que les électrons. Echelle d’énergie des électrons : sur-corrige l’énergie des photons. Correction à EEE estimée à partir de la simulation
E(reco) – E(généré) / E(généré)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 62
Pureté du lot photon+jet
Contamination dijet QCD du lot photon+jet :
Estimation de la pureté du lot photon+jet
Simulation : Sections efficaces
Photon+jet purs, EM-jet + jet
Données+simulation : ajustement de HC07.
Pureté dépend :
de l’énergie
des critères de qualité du photon
de la position en dans le calo
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 63
JES : Corrections
DONNES MC
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 64
JES : Erreurs
DONNES MC
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 65
S.S.R.: lots utilisés
Z(ee) + jet: Signal propre…
… mais faible statistique.
Utilisé pour déterminer les paramètres de SSR dans le CC
+ jet: Plus grande statistique…… mais contaminé par des événements dijet : - Critères durs sur le candidat photon - Estimation du fond QCD Utilisé pour extrapolé les résultats CC aux autres régions en .
S est calculée pour différents intervalles de Z/ pT bins, et dans 4 régions en regions, à la fois pour les données et la simulation :
CC: |det| < 0.8, ICR: 0.8 < |det| < 1.6, EC: 1.6 < |det| < 2.4, VEC: 2.4 < |det| < 3.2
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 66
L’observable S
Z ou
0.5 cone size jetL’observable
S :
Sensible à :- la physique en dehors du cône - Energie non-associée à des objets
Dépend du processus ( vs Z+jet) et Générateur Monte-Carlo.
Balance entre le pT d’unjet corrigé de JES corrected jet pT
(jet ramené au niveau particule)
le pT du Z/ (i.e., vrai pT de l’ensemble du système qui recule au Z)
et
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 67
S.S.R. : Photon vs Z (données)
Photon+jet
Z+jet
<S>gauss
Pureté…
… mais surtout différences quarks/gluons !
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 68
S.S.R. : Pythia vs Alpgen
More generally, the Monte Carlo predictions are different when one compares:
• inclusive Z PYTHIA and Z+jet(s) ALPGEN• photon+jet PYTHIA and Z+jet(s) ALPGEN
Because ALPGEN is more widely used for processes involving jet production, we choose Z(ee)+jet(s) ALPGEN as reference MC, but we will need photon+jet data and MC when statistics require it.
The relative data/MC JES will be different depending on the MC you are using…
There are large differences between
Pythia and Alpgen for Z+jets
This plot shows <S>,the arithmetic mean of S,as a function of the Z pT.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 69
MC at the particle level
See on MC what happens at particle level:
Z Particle Level (Alpgen)
Photon Particle Level (Pythia)
<S>
There is also a deficitat high pT.
This /Z difference is understood in terms of different quark-gluon compositions
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 70
Remapping
All correction factors presented up to now were parameterized as a function of the Z pT (measure of the “true” jet pT…)
Two parameterizations as a function of the measured jet pT were performed:
One appropriate for a QCD-like steeply falling pT spectrum (W/Z+jet, …) One appropriate for a uniform spectrum (ttbar, …)
The results obtained with the two kinds of remapping are in fact very similar…
<S>
Uniform
QCD
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 71
Systematic uncertainties on the relative JES
asymmetric error: + 0.3/- 0.0%
symmetric error: +/- 0.3%
EM energy scale for Z events: symmetric error: 0.2 % The influence of additional low pT jets:
The influence of the variation of the cut: Extrapolation from CC to non-CC jets: symmetric error: +/- 1.5 % This error covers also the uncertainty due to the difference between
photon and Z+jet events regarding variations of the flavor composition in the CC and non-CC regions.
CC ICR
Below 2%
Systematic errors considered:
Run IIa results:
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 72
1
Back to basics…
<S>gau
ss
Z+ CC jet
(1): We observe data/MC discrepancies in the transverse energy imbalances
as well as in the resolutions (2)
dataMC
Sgauss widths
(3): Even at high pT, a JES corrected jet fails to balance the Z pT…
3
2
(2) Could be naïvely interpreted as a well known improper detector simulation…
… but why (3) ? Is the JES wrong ?
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 73
Back to basics: Wrong JES ?
Not necessarily… Same effect is seen when looking at MC particle level…
For the JESFor SSR
R= 0.5 Particle jet
Whole recoiling system to a /Z
What is a “jet” ?
As said before (slides 5 et 6): The S observable, used to determine the SSR correction factors, is sensitive to the “rest of the event”, “QCD effects”, “out of cone radiation”,…Depends on the physics
simulation ! This was observed by comparing MCs
for different processes (+jet and Z+jet) for different generators (ALPGEN and PYTHIA)
Which is why Z+jet generated with ALPGEN was chosen as reference MC, as this is where SSR is most widely used.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 74
Back to basics: What SSR really does
SSR will perform a global data/MC intercalibration for both detector (intrinsic resolutions, jet reconstruction threshold,…) and physics (out-of-cone radiation, …) discrepancies, without trying to disentangle the two effects…
Even if the physics simulation was perfect (which is likely not the case…) we could expect data/MC differences due to miscalibration of the unclustered energy… And there are doubts on the validity of the JES at low pT…
It should work reasonably well for jets in Z(W)+jet events,
generated with ALPGEN.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 75
rJES : Erreurs
EC VEC
ICR
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 76
SSR quark/gluon : Mise en équation
Z
mix
gluon
quark
Zgluon
Zquark
mixgluon
mixquark
S
S
S
S
)det(
)det( /
/ F
AS
gluonquark
gluonquark
ZZquark
mixmixquarkgluon
S
SA
Zgluon
Z
mixgluon
mix
quark
S
SA
Pas de solution si det(F) = 0.
Matrice de Fractions de Saveurs F Les solutions sont données par :
where:
Zquark
mixgluon
Zgluon
mixquark
Quand les fractions de quark (resp. gluon) sont les mêmes dans les deux lots.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 77
Photon : Fractions de Quark/Gluon dans les regions en
CCICRECALL
CCICRECALL
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 78
Z : Fractions de Quark/Gluon dans les regions en
CCICRECALL
CCICRECALL
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 79
Optimisation du L3 : Résultats
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 80
jet pT
Trigger: Simulation des jets L2 et L3
Simulation des jets L2 et L3: Construite à partir des données (skim NP)1) On part des bons Jets offline, corrigés de JES, séparés en 3 regions en .
3) Calcul et ajustement du ratio pT(offline)/pT(online) en différents bins de pT et .
Corrige l’énergie des jets offline par le ratio (3) pour reproduire celle online.
CC: L2 (offline)/L2 (online)60 < pT < 100
L2, CC
Utilisation de ces jets simulés pour calculer les quantités de trigger (HT, MHT,…)
2) Calcul du ratio jets offline/jets offline matchés en R(<0.5) à jets online. => turnons.
Application du turnon pour déterminer la probabilité qu’un jet ait été reconstruit au L2/L3.
Application au MC:
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 81
Ajout d’un turnon (en fonction de METD) pour modéliser la MET au L3.
Dérivé après les vrais L1, L2 et tous les termes de jets du L3.
Run IIb : Modifications de la paramétrisation des Niveaux 2 et 3
Simulation des jets L3 basée sur la paramétrisation Corrections apportées à la simulation pour p20:- Ratio L3 Jet pT simulé/L3 vrai Jet pT en 3 régions en - 11% de correction dans l’EC, 7% dans le CC.
1.4 < || < 3.2
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 82
Combinaisons de différents algorithme au sein d’un Réseau de Neurones :
Vertex secondaire, paramètre d’impacts,
Etiquetage des quarks b à l’aide d’un réseau de neurones (NN)
Les hadrons Beaux ont un temps de vie long :
Recherche de vertex déplacés.
Grande efficacité et pureté Loose ~ 70% eff, 4.5% mistag Tight ~ 50% eff, 0.5% mistag
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 83
B-tagging : traitement de la simulation
Critères minimaux pour que les algorithmes de b-tagging puissent être appliqués à un jet :
le jet doit être étiquetable (« association à un jet de traces »)
Simulation : sur-estime l’efficacité de reconstruction des traces.
Détermination de l’étiquetabilité d’un jet dans les données (P1)
dépend de la topologie, de PVz, de eta, de pT
Probabilité d’étiqueter un jet mesurée dans les données (P2)
B-tagging dans la simulation : pondération des événements par P1*P2.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 84
Analyse Run IIa : chiffres
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 85
Analyse Run IIb : chiffres
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 86
Arbres de décision
Motivations : La plupart des événements n’ont pas **toutes** les caractéristiques du signal ou des bruits de fonds.
Etendre la sélection basée uniquement sur des coupures. Continuer d’analyser les événements rejetés par un critère particulier Voir si d’autres critère ne permet pas de les classer proprement.
Classer tous les événements pour chaque variable.Pour chaque variable, on trouve la valeur qui fournit la meilleure séparation en 2 noeuds :
Principalement des événements de signal dans un noeud, Principalement des événements de fond dans l’autre.
Sélectionne la variable et sa valeur associée qui fournit la meilleure séparation.
Production de deux branches. Algorithme répété sur chaque nouvelle branche. Sortie de l’arbre : Pureté de la feuille (S/S+B).
Proche de 1 pour le signal, proche de 0 pour le bruit de fond.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 87
RunIIa DT output
DT discriminant output:
Example for a Higgs signal with mH=115 GeV, for Run
IIa
Signal (x25)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 88
Coupures topologiques contre le fond QCD
QCD
W+jetsZ+jets
Signal ZH (x100)
-0.1 < (MET-MHT)/(MET+MHT) < 0.2
(jet 1, jet 2) < 165°
MET > 80 – 40*min(jets, MET)
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 89
CLs
CLb : probabilité que les données vérifient l'hypothèse bruit de fondCLs+b : probabilité que les données vérifient l'hypothèse bruit de fond plus signal
CLs :probabilité que le signal soit présent dans les données analyséesIl est calculé à partir de Ndata, Nbdf et Nsig
Les corrélations des erreurs systématiques entre bdf et sig sont prises en compteSi CLs < 5% le signal considéré est exclu à 95% de niveau de confiance.
On définit aussi le <CLs> attendu en l'absence de signalCls moyenné sur un grand nombre d’expériences de pensée où l’on tire aléatoirement: N : nombre de bruit de fond attendu suivant une gaussienne : <N>=Nbdf nombre « observé » (Poisson avec N comme valeur centrale).
CLs = CLs+b/CLb
1-CLs : peut être directement interprété comme le niveau d’exclusion de la recherche.
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 90
LLR
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 91
Limites : Run IIa & Run IIb
Run IIa Run IIb
Combinaison des deux analyses (Run IIa & Run IIb) :
Systématiques corrélées
• à part les fractions de saveurs lourdes
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 92
Collie & systématiques
• Limits calculating and combination– Using Bayesian and CLs methodologies.– Incorporate systematic uncertainties using pseudo-experiments (shape and rate
included) (correlations taken into account between experiments)– Backgrounds can be constrained in the fit
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 93
Améliorations possibles de l’analyse ZH
Coupure en MET : abaissée à 40 GeV
15% de signal en plus
Important fond QCD rajouté
Nécéssite un modèle plus robuste du fond QCD.
Utilisation du lot « single tag » en plus du « double tag »
Séparation en sous-lots 2 et 3 jet bins
Séparation en sous-lots à l’aide des traces isolées :
lot avec traces isolées : signal WH, bruit de fond top
lot sans traces isolées : signal ZH, fond Z
Utilisation de plus de données (plus de 4 fb-1 disponible)
Amélioration de la résolution des jets
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 94
Résultats : comparaisons
Résultat le plus sensible pour un Higgs de basse masse à DØ. Comparable au résultat ZH de CDF Résultat WH de CDF : le plus sensible du Tevatron
Analyse Lum (fb-
1)Limite
AttendueLimite
Observée
CDF NN 2.7 5.8 5.0
CDF ME+BDT
2.7 5.6 5.7
DØ NN 1.7 8.5 9.3
Analyse Lum (fb-
1)Limite
AttendueLimite
Observée
CDF NN 2.1 6.3 7.9
DØ BDT 2.1 8.4 7.5
Analyse
WHlbb
Analyse
ZHbb
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 95
Analyse ZH de CDF
Analysis Lum (fb-1)
Higgs Events
Exp. Limit
Obs. Limit
CDF NN 2.1 7.3 6.3 7.9
Results at mH = 115GeV: 95%CL Limits/SM
Use of track missing pT to define control regions and suppress backgrounds Uses of H1 Jet Algorithm combining tracking and calorimeter information 3 jet events including W acceptance QCD-NN with missing-pT to reject background Add 3rd jet in WHbb Split single/double tag
• ZHbb, WHlbb(l not detected) - signature: MET and b jets– Key issue: Building a model of the QCD background
• Shape from 0 and 1 b tagged data samples with tag and mistag rates applied
QCD-rejectionNeuralNet
AnalysisNeuralNet
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 96
Analyse WH : DØ & CDF (1)
Loose double taggingLoose double taggingLepton ID with isolatedLepton ID with isolatedtracks/extended muonstracks/extended muonsInclude W+3 jet dataInclude W+3 jet dataInclude fwd electronsInclude fwd electronsNN discriminatorNN discriminatorME+BDTME+BDT
b
b
l
W* H
W
1 lepton+MET+ 2 b jets1 lepton+MET+ 2 b jetsAbout 3-4 evts / 1fbAbout 3-4 evts / 1fb-1-1
Most sensitive channelMost sensitive channel
- Highlights -- Highlights -
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 97
Analyse WH : DØ & CDF (2)
ME discriminant ME+BDT
ME approach goodIn capturing LO discrimination
Add other kinematic eventvariables to ME in a BDTto capture higher order effects
NN Inputs:
NN Inputs:
signalbackground
NN output
signalbackground
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 98
Combinaison de DØ
Un total de 21 canaux
Plusieurs améliorations possibles : Plus de données Plus de canaux Acceptance augmentée
(e.g. ID lepton) Techniques d’analyses
multivariables plus sensibles (e.g. inclure ME discriminant) Réduction des systématiques
et particulièrement à basse masse : Meilleur b-tagging (e.g.,
discrimation b/c, soft lepton tagging,…)
Amélioration de la résolution de la masse invariante dijet
A mH = 160 GeV:
Limite attendue : 2.1 x SMLimite observée : 3.0 x SM
A mH = 115 GeV:
Limite attendue : 4.6 x SMLimite obervée : 5.3 x SM
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 99
Combinaison de CDF (1)
Combinaison des 6 canaux majeurs :
WHlbb
VHMET+bb
ZHllbb
H
HW+W-
WHWW+W-
Lumi : 1.9 – 3.0 fb-1
A mH = 115 GeV:
Limite attendue : 3.5 x SMLimite obervée : 4.2 x SM
A mH = 160 GeV:
Limite attendue : 1.7 x SMLimite observée : 1.5 x SM
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 100
Combinaison de CDF (2)
WH : canal le plus sensible à basse masse
HWW : contribution à haute masse et aux masse intermédiaires
Ligne : projection 1/sqrt(L) Jaune (haut) : Limites de 2007 divisées par 1.5Jaune (bas) : Limites de 2007 divisée par 2.25
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 101
Exclusion du Higgs à 170 GeV
101
• First direct exclusion since LEP II.• Limits continued to scale ~linearly with
luminosity between Moriond’08 and ICHEP’08.
• Expect to exclude wide mass range by Moriond’09.
Excluded mH = 170 GeV @ 95% CL
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 102
Sections efficaces au Tevatron
1
Higgs ggH 0.03-0.3
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 103
Higgs au LHC
103
Excl
uded
by
LEP
Excl
uded
by
LEP
Disfavoured by EW precision fitsDisfavoured by EW precision fits
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 104
ATLAS preliminary
Exclusion at 95% CL
• Results from the above analyses were used in ATLAS to produce a combined measurement
• Discovery:– Need ~20 fb-1 to probe down to mH=115 GeV/c2
– 10 fb-1 will allow 5σ discovery if mH is in range 127 – 440 GeV/c2
– 3.3 fb-1 : 5σ discovery for mH in 136 – 190 GeV/c2
– Just under 2 fb-1 : 5σ discovery for mH = 160 GeV/c2
• Exclusion:– 2.8 fb-1 will allow exclusion at 95% CL of mH = 115
GeV/c2 (i.e. just above the LEP limit) – 2 fb-1 : exclusion at 95% CL in mH range 121 – 460
GeV/c2
– Less than 2 fb-1 should be enough to exclude region around mH ≈ 2mW
• The above luminosity numbers correspond to reasonably well understood data, but include realistic estimates of systematic effects and uncertainties
Ricardo Goncalo ICHEP08, Philadelphia 104
ATLAS preliminary
LHC : Statistical combination
5σ
29 Sept. 2008 Christophe Ochando 105
LHC : Overall sensitivity
Ricardo Goncalo ICHEP08, Philadelphia 105
Exclusion
Discovery