Microsoft PowerPoint - ZZ_Oda_v5.pptx

H ‐> ZZ 

(combined) spin/CP測定

織田 勧 (九州大学大学院理学研究院)

2014‐03‐25, 東京大学

テラスケール研究会

1/38

SM‐like Higgsの生成と崩壊

フェルミオンによる生成 ボソンによる生成

主にgluon fusion過程で生成される。

ZZへの崩壊分岐比は

高質量では30%程度、

低質量では数%。

̅

2/38

Zの崩壊

_•

_→

_3.363%

•

→

3.366%

•

→

3.370%

• ∑

_{, ,}

→

̅

20.00%

• ∑

_{, , , ,}

→

69.91%

•

→

15.12%

Coupling (left) Coupling   (right) Relative factor for  decay BF with . Measured BF  value



_e

, 

_

, 

_ 1₂ 0 1₂

_6.8%

_6.7%

e, , 

1₂ 12

3.4%

3.4%

u, c

1₂ 2₃ 2₃ 3 · 1 2 2 3 2 3

11.8%

11.6%

d, s, b

1₂ 1₃ 1₃ 3 · 1 2 1 3 1 3

15.2%

15.6%

sin θ

• フェルミオンの電荷と弱アイソ

スピン、ワインバーグ角でほ

ぼ決まっている。

3/38

崩壊チャンネル

• llqq

• 大きな崩壊分岐比

• ジェット対の質量がZの

質量に近いことを要求

する。

• Zの横運動量が大きく、

ブーストされると、1つ

のジェットに見えてしま

う。

• ll

• 大きな崩壊分岐比

• 2つのニュートリノがあ

るので、完全に再構成

はできない。

• 4l

• 完全に再構成できる。

• 低質量で有効

• 小さな崩壊分岐比

4/38

解析で使うオブジェクト

• 孤立(=isolate)している

レプトン

• 電子 (e)

• →

• ミューオン ()

• →

• タウ ()

• → • タウニュートリノを含む 終状態に崩壊してしまう。 • 大変な割に、ゲインが 少ない。 • ATLASは使わず。 • CMSは4lの以前の結果 では使っていたが、最 新の結果では使わず。

• ジェット

• クォーク、グルーオン

• → • 4lのVBFのforward jets のタグ • 4lのVHの / → の タグ • bタグして、bジェットを選 べば、QCDによるグルー オンジェットのバックグ ラウンドを低減できる。 • →

• 消失横エネルギー

• ニュートリノ

• → ̅

5/38

信号事象・背景事象

4l

ll

llqq

ZZ (qqZZ)

ttbar

Z+jets

断面積は小さい 始状態も終状態も同じなので、信号事象と干渉する

ZZ (ggZZ)

ジェットをレプトンと間違えると 4lの背景事象になる。 bジェットとからのレプトンが 孤立していないと間違えると 4lの背景事象になる。 断面積はそれなりに大きい

6/38

Signal strength =/

_SM

• 観測された断面積を標準模型のヒッグス粒子の場

合に予測される断面積で割った量。

•

=0なら、標準模型のヒッグス粒子と一致する量の信号

があるということ。

•

=1なら、背景事象しかないということ。

• 既にm

_H

~125 GeVのSM‐likeなヒッグス粒子が見つ

かっている。

• 1 TeV以下の高質量の新粒子を探す時に、SM‐like

なヒッグス粒子を考えるのはベンチマーク的な意

味。

• ~125 GeV Higgs+EW singlet, 2HDM, … 

• 断面積×崩壊分岐比(x BR) (の上限値)で結果を

出す方がよりふさわしい。

• SM‐like Higgsの全崩壊幅

_H

は

M

_H

>400 GeVで非常に大きくなる。

• Breit‐Wignerだとoff‐shellの成分を考

慮していないし、gauge invarianceを

破ってしまう。

• この問題を解決するのがComplex 

Pole Scheme (arXiv:1112.5517)。

• ggZZとの干渉も正しく取り扱える。

arXiv:1112.5517 赤_{がComplex Pole Scheme}

Complex Pole Scheme

arXiv:1305.2092 M_H=800 GeV

8/38

High mass 

ATLAS‐CONF‐2013‐013 

(7 TeV+8 TeV) Complex Pole Scheme

CMS arXiv:1312.5353

(7 TeV+8 TeV) Complex Pole Scheme 114.5<m_H<119.0 GeV、 129.5<m_H<832.0 GeVを棄却した。 ggFで200<m_H≲600 GeV, VBF+VHで200<m_H≲300 GeV のSM‐like Higgs bosonを棄却した。 4つのレプトンの 不変質量 m_4l でピークを探す。

9/38

High mass 

ATLAS arXiv:1205.6744

(7 TeV) Relativistic Breit‐Wigner

CMS‐PAS‐HIG‐13‐014 

(7 TeV+8 TeV) Relativistic Breit‐Wigner 319<m_H<558 GeVを棄却 248<m_H<930 GeVを棄却 横質量m_Tや消失横エネルギーの分布で、 超過事象を探す。 ℓℓ ℓℓ

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High mass 

ATLAS arXiv:1206.2443 

(7 TeV) Relativistic Breit‐Wigner 300<m_H<322 GeV, 353<m_H<410 GeVを棄却

CMS‐PAS‐HIG‐12‐024 

(7 TeV+8 TeV) Complex Pole Scheme ジェットをbタグしない場合 ジェットをbタグした場合 ジェットをbタグした場合 2つのレプトンと2つのジェットの 不変質量 m_lljjでピークを探す。 2つのジェットの 不変質量 m_jj 275<m_H<600 GeV を棄却

11/38

High mass Higgs search combination

• CMS

はm

_H

=1000 GeVまでSM‐like Higgs bosonを棄却した。

•

→

→ ℓ ℓ

̅

が最も厳しい制限を与えている。

• ZZに崩壊する未知粒子が存在したとしても、その生成断面積と、ZZ

への崩壊分岐比の積( x BR)は小さいということ。

• ATLASは8 TeVのデータをまだ全部解析していないし、最近combine

していないので、m

_H

~600 GeVまで。

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/Hig12024TWiki https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2012-27/

ATLAS arXiv:1207.7214 

(7 TeV+8 TeVの一部)

CMS‐PAS‐HIG‐12‐024 

(7 TeV+8 TeV)

12/38

Low mass 

ATLAS‐CONF‐2012‐163 

(7 TeV) ジェットをbタグしない場合 ジェットをbタグした場合 2つのジェットの不変質量 m_jj 60< m_jj<115 GeVで、on‐shell Zであることを要求。 2つのレプトンと2つのジェットの不変質量 m_lljj 断面積の上限 m_H=145 GeVでSMの3.5倍 m_H=125 GeVでSMの23倍 膨大なZ+jetsバックグラ ウンドのため、辛い解析

13/38

Low mass 

• 4つの終状態

• 4e, 2e2, 22e, 4

• 2e2と22eはon‐shell Zから

のレプトン対を前に書いて、

区別する。

On‐shell Z

Z

₁

, m

₁₂

=m

_Z1

Off‐shell Z

Z

₂

, m

₃₄

=m

_Z2

• 終状態の粒子を全てとらえられるため、

ヒッグス粒子を完全に再構成できる。

• とても良い質量分解能

• 高い信号・バックグラウンド比

• レプトンの角度分布からスピンとパリ

ティを決定し得る。

• m

_H

=125 GeVの標準模型ヒッグス粒子

で崩壊分岐比は1.25x10

‐4

_{と小さい。}

cos₁ cos₂ cos*  ₁

ATLAS arXiv:1307.1427, arXiv:1307.1432 

(7 TeV+8 TeV)

CMS arXiv:1312.5353

(7 TeV+8 TeV)

14/38

事象選別 (1)

CMS • 電子 • p_T>7 GeV • カロリメータのエネルギーと飛跡検出 器の運動量のコンビネーション • ||<2.5  • 多変量解析による識別 • ミューオン • p_T>5 GeV • ||<2.5 • Isolation cut • R=0.4のコーン内の荷電トラックと 中性粒子のp_Tの和がレプトンのp_T の40%以下であること • Impact parameter cut • IP significance (3D) <4 ATLAS • 電子 • p_T>7 GeV • カロリメータのエネルギー • ||<2.47  • カットによる識別 • ミューオン • p_T>6 GeV • ||<2.7 • Isolation cut • Track isolation (R=0.2)<15% • Calorimeter isolation  (R=0.2)<20% (30%) for e () • Impact parameter cut • IP significance (2D) <6.5 (3.5)  for e ()

ほぼ同じだが、

_CMS

の方が凝ったことをしている。

ATLASもやろうとしています。 ATLASもやろうとしています。

15/38

事象選別 (2)

ATLAS • 4レプトンの候補 • p_T>20, 15, 10, 7 GeV • 4番目のレプトンがミューオ ンならp_T>6 GeV • 50 < m₁₂ < 106 GeV • 12 < m₃₄ < 115 GeV • ジェット • Anti‐k_T R=0.4 • p_T>25 GeV for ||<2.5 • p_T>30 GeV for 2.5<||<4.5 • 積分ルミノシティ • 4.6 fb‐1 _{at s=7 TeV} • 20.7 fb‐1 _{at s=8 TeV} CMS • 4レプトンの候補 • p_T>20, 10, 7, 7 GeV • 3, 4番目のレプトンが電子 ならp_T>5 GeV • 40 < m₁₂ < 120 GeV • 12 < m₃₄ < 120 GeV • ジェット • Anti‐k_T R=0.5 • p_T>30 GeV, ||<4.7 • 積分ルミノシティ • 5.1 fb‐1 _{at s=7 TeV} • 19.7 fb‐1 _{at s=8 TeV}

16/38

シミュレーションでの不変質量分布(m

_4l

)

ATLAS (m

_H

=125 GeV)

CMS (m

_H

=126 GeV)

4e

4

エネルギー分解能の良い電磁カロリメータ(鉛タングステン _vs 液体アルゴン_)、 強いソレノイド磁場(3.8 T vs 2.0 T)、E‐p combinationなどのために、ATLASより CMSの方が質量分解が良い。

17/38

• Z

(*)

_Z

*

_{di‐boson production: irreducible,} 

減らしにくい

• シミュレーションを使った。 • PowHeg (qqbar‐>Z(*)_Z*_{)とgg2ZZ (gg‐>Z}(*)_Z*₎ • 生成断面積はMCFMのNLOに基づく。

• Z+jets, ttbar: reducible, 減らしやすい

• 低質量領域(m_4l<2m_Z)ではZ(*)_Z*_{と同程度の} 量になる。 • 軽い方のレプトン対のフレーバーによって、 成分が違うので、 ll+eeとll+で別々に評 価した。 • データを使って推定した。 • 軽い方のレプトン対に対するカットを緩め るか、反転させて、統計量を増やす。 • バックグラウンドの成分を求める。 • シミュレーションに基づいて、信号領域へ 外挿する。 軽い方のレプトン対へのisolation とimpact parameter significance を要求しない時の、 重い方のレプトン対の不変質量 (m₁₂)分布。 データと予測される背景事象は 良く一致している。

背景事象 (1)

18/38

背景事象 (2)

• CMS

はさらに質量分布と角度分布を使って、

信号事象と背景事象を区別するための変

数D

kin

bkg

を構築。

• MadGraphのLOのmatrix elementを使った

likelihood。

D

kin bkg Higgs‐>ZZ の信号事象っぽい qq‐>ZZ, gg‐>ZZ の背景事象っぽい ATLASもやろうとしています。

19/38

不変質量分布

ATLAS

CMS

m

_4l

125 GeV付近

に鋭いピーク

m

₃₄

vs m

₁₂

20/38

事象数

ATLAS 120 < m_4l < 130 GeV 4e 2e2/22e 4 Total

ZZ* _{1.2 +/‐ 0.1 3.5 +/‐ 0.1 2.8 +/‐ 0.1 7.5}

Z+jets, ttbar 1.1 +/‐ 0.3 2.1 +/‐ 0.4 0.6 +/‐ 0.2 3.8

Total background 2.3 +/‐ 0.3 5.6 +/‐ 0.4 3.4 +/‐ 0.2 11.3

Signal m_H=125 GeV 2.6 +/‐ 0.4 7.0 +/‐ 0.9 6.3 +/‐ 0.8 15.9

Data 6 13 13 32

CMS 121.5 < m_4l < 130.5 GeV 4e 2e2/22e 4 Total

ZZ* _{1.1 +/‐ 0.1 3.2 +/‐ 0.2 2.5 +/‐ 0.2 6.8} Z+X 0.8 +/‐ 0.2 1.3 +/‐ 0.3 0.4 +/‐ 0.2 2.6 Total background 1.9 +/‐ 0.2 4.6 +/‐ 0.4 2.9 +/‐ 0.2 9.4 Signal m_H=125 GeV 3.0 +/‐ 0.4 7.9 +/‐ 1.0 6.4 +/‐ 0.7 17.3 Data 4 13 8 25

• ATLAS

と

_CMS

_{は似たような信号事象数(15.9}

と

_17.3

_{)と背景事象数(11.3}

と

_9.4

₎

を期待していた。(S/N比は1を超えている。)

• ATLAS

の方が

_CMS

_{に比べやや多い事象数(32}

と

₂₅

_{)を観測した。}

21/38

背景事象に対する超過の有意性

ATLAS

CMS

• ATLAS

: m

_4l

に対する1次元フィット

• m

_H

=124.3 GeVで、6.6を観測した。(期待は4.4)

• CMS

: m

_4l

, D

kin bkg

, p

T4l

または D

jet

に対する3次元フィット

• m

_H

=125.7 GeVで、6.8を観測した。(期待は6.7)

• m

_4l

に対する1次元フィットだと5.0を観測した。(期待は5.6)

• CMS

の3次元フィットは統計的有意性を大幅に向上させている。

ATLASもやろうとしています。

22/38

質量測定

ATLAS

CMS

GeV

(syst)

(stat)

3

.

124

_0₀._.6₅ _0₀._.5₃



H

m

GeV

0.2(syst)

(stat)

4

.

0

6

.

125







H

m

• ATLAS: m

_4l

に対する1次元フィット

• CMS

: m

_4l

, 事象ごとの質量の不定性(D

_m

), D

kin bkg

に対する3次元フィット

• 系統誤差のほとんどはレプトンのエネルギー・運動量スケールの系統誤

差で占められている。

•

→ ℓ ℓ ,  / → ℓ ℓ , Υ → ℓ ℓ を使って改善され続けている。

ATLASもやろうとしています。

23/38

次の田中さんのトークで説明・議論。

質量幅測定

• CMS

のみが結果を公表している。

• 先ほどの3次元フィットで、幅の上限値も

同時に直接測定。

•



_H

<3.4 GeV (95% C.L.)

• 幅が広いと、高質量(m

_ZZ

)のggZZ事象

数が増加する。

• 角度分布を使って、qqZZと分離するこ

とにより、幅の上限値を間接的に測定。

•



_H

<4.2x

_HSM

₌

_17.4 MeV

_(95% C.L.)

CMS‐PAS‐HIG‐14‐002 

(8 TeV) ATLASもやろう としています。

24/38

次の田中さんのトークで説明・議論。

事象の分類

• 0/1‐jet categoryでは, ggFからVBFとVHを区別するのにp_T4l_を使う。 • Dijet categoryでは, VBFに感度のあるp_Tの大きな2つのジェットの擬ラピディティ の差|_jj|とその対の質量m_jjを用いて構築したD_jet という変数が使われる。

ATLAS

• 少なくとも2つのジェットがある。 • 1番目と2番目にp_Tの大きなジェットが擬ラピディティ で3以上離れていて、その対の質量が350 GeV以上。 • p_T>8 GeVのレプトンが少なくとも1つある。 はい はい いいえ VBF‐like category VH‐like category ggF‐like category 前後方領域に複数のジェッ トがある。 WもしくはZからのレプトン がある。 それ以外 いいえ

CMS

はい Dijet category 0/1‐jet category いいえ • 少なくとも2つのジェットがある。 約20%の信号事象 がVBFによるもの 約5%の信号事象が VBFによるもの 1事象 0事象 31事象 5事象 20事象

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D

_jet

の分布

VBFっぽい

ggFっぽい

ATLASもやろうとしています。

26/38

横運動量分布

• CMS

のみが結果を公表している。

• 信号事象っぽさで重みづけをし

ている。

• 事象数が少なく、定量的に何か

言うのは難しい。

• 小さい崩壊分岐比のせい。 • Hの方が良さそう。 ATLASもやろうとしています。

27/38

Signal strength =/

_SM

(1)

ATLAS (m_H=125.5 GeV) 1.43 _.. ‐ ‐ 0.6 _.. CMS (m_H=125.6 GeV) 0.93 _.. stat ._. syst 0.80 _.. 1.7 _.. ‐

1.45

_..

0.83

_..

ATLAS

CMS

• 標準模型の場合に期待される1と無矛盾。 • まだ統計誤差が系統誤差の2倍程度。統計量が4倍になると同程度になる。 • 8 TeVから13 TeVで生成断面積は約2.3倍になる。 • 13‐14 TeVのRUN2では、積分ルミノシティは7 TeV+8 TeVのRUN1の3‐4倍の75‐100 fb‐1_が目標。 • だからRUN2では約7倍から10倍の統計量になるので、今のままではだめ。

28/38

Signal strength =/

_SM

(2)

ATLAS

_CMS

標準模型ヒッグス粒子の場

合に期待される値と無矛盾。

系統誤差

ATLAS

CMS

• 実験で大きいのは電子の再構 成・識別効率。 • 理論で大きいのはPDFやQCD スケール。 • 各カテゴリーでの各生成過程、 背景事象の量も問題。

30/38

• Z粒子やレプトンの角度分布とZ粒子の質量

分布はスピンとパリティに依存する。

• スピン0の時にパリティを調べるにはZ粒子

の偏極(~レプトンの角度分布)の情報が必要。

• 4レプトンチャンネルの利点。

→ ~ ∗ ∗ スピン0の場合に2つのスピン1のゲージボソンに崩壊する不変振幅 q_iはゲージボソンの4元運動量 _iはゲージボソンの偏極ベクトル _は完全反対称テンソル • 標準模型(JP₌₀+_)では、 a₁=1, a₂=0, a₃=0 • a₁=0, a₂=0, a₃≠0だとJP₌₀‐ • a₁=0, a₂≠0, a₃=0だとJP₌₀+ だが標準模型のヒッグス ではない粒子(0+ h) パリティ偶 _{パリティ偶 パリティ奇} arXiv:1001.3396 

スピンとパリティの決定

31/38

J

P

=0

+

とJ

P

=0

‐

の比較

• 多変量解析をすることで情報を最大限に引き出す。

ATLAS

CMS

f_a3<0.51 @95%CL

• J

P

₌₀

‐

_を

_ATLAS (

_CMS

₎

は

_97.8% (

_99.9%

_)の

信頼度で棄却。

• CMS

はパリティ奇の

成分の割合f

_a3

に対

して制限を付けた。

ATLASもやろうとしています。

32/38

他のスピン・パリティ

スピン0

スピン1

スピン2

0

+

_: a

1

のみゼロでない、

0

+h

: a

2

のみゼロでない、

0

‐

: a

3

のみゼロでない

1

‐

_: b

1

のみゼロでない、

1

+

: b

2

のみゼロでない

2

+ m

: g

1

=g

5

のみゼロでない、

2

+b

: g

5

のみゼロでない

2

+ h

: g

4

のみゼロでない、

2

‐h

: g

8

のみゼロでない

arXiv:1208.4018

33/38

他のスピン・パリティの場合のCL

_s

JP ₀‐ ₀+

h 1‐ 1‐ 1+ 1+ 2+m 2+m 2+m 2+b 2+h 2‐h

生成過程 any any any any gg any gg gg gg

ATLAS 2.2% ‐ ‐ 0.20% ‐ 6.0% 16.9% 2.6% ‐ ‐ ‐ ‐ CMS 0.09% 7.1% 0.001% 0.001% 0.03% 0.01% 1.9% 0.03% 1.4% 0.9% 3.1% 1.7%

• 1‐CL

_s

が棄却する信頼度。

• 多くの場合が99%以上で棄却された。

ATLAS

CMS

ggのみ のみ

34/38

WWやとのcombination

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/Hig13005TWiki

CMS‐PAS‐HIG‐13‐005

ATLAS arXiv:1307.1432 

0‐ ₁+ ₁‐ ₂+ m(gg) 2+m(qq) ATLAS ZZ 2 2 3 5 4 WW ‐ 3 2 3 2  ‐ ‐ ‐ 1 5 CMS ZZ 1 1 1 2 1 WW 3 ‐ ‐ 4 3  ‐ ‐ ‐ 6 6 99.958%の信頼度 で2+_{(gg)を棄却} CMS arXiv:1312.1129 (WW) CMS‐PAS‐HIG‐13‐016 () ZZとWW合わせて99.4% の信頼度で2+_{(gg)を棄却} これしか_CMSの スピンの combinationの 結果は見当たり ませんでした。

棄却の信頼度の高い順

35/38

今後の測定 質量、断面積

• 質量

• Hに劣るのは主に統計誤差のせい。

• RUN2でもまだ統計誤差が支配的になるはず。

• 4レプトンだと

CMS

の方が質量分解能が良い。

• 同じ統計量だと勝ち目はない。

• 重要なパラメータなのでもちろん測り続ける。

• 断面積

• 微分断面積を測ろうと思うと数がない。測るけど。

• Hの方が良いのでは。

• 4レプトンで特徴的なのはHZZのカップリングが測れること。

• ZH生成でも測れるが、S/Nの良さから4レプトンの方が良いだ

ろう。

• Signal strength がどれだけ1に近いか?

• ATLAS

では

1.43

_..

。このずれが本物なら。。

• CMS

では

0.93

_..

stat

_..

syst だけど。。

36/38

今後の測定 パリティ混合

ATL‐PHYS‐PUB‐2013‐013

• 見つかったヒッグス粒子の多くの割合がスピン0・パリティ偶であるのは 疑いがない。 • しかし、パリティ奇の成分も含まれ、パリティの混合状態である可能性は ある。 • ILCが出来るまでは、測定できるのは完全に再構成できる4レプトンチャ ンネルのみであろう。 パリティ偶 パリティ偶 パリティ奇 g₃=0と仮定

37/38

まとめ

• 1 TeV以下のSM‐like Higgs bosonはm

_H

~125 GeVの

粒子だけ。

• 質量

• ATLAS

: 

124.3

_..

stat

_..

syst GeV

• CMS

: 

125.6

0.4 stat

0.2 syst GeV

• Signal strength

• ATLAS

: 

1.43

_..

• CMS

: 

0.93

_..

stat

_..

syst

• スピン・パリティJ

P

₌₀

+

をとても強く支持。

• SM‐like Higgs boson

• 今後はパリティ混合の測定が面白いのではないか。

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/HiggsPublicResults https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/PhysicsResultsHIG

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予備スライド

Search of invisible decay modes of a Higgs Boson 

Produced in Association with a Z Boson

In the Higgs‐portal dark matter scenario  (arXiv:hep‐ph/0605188), in which the Higgs  boson acts as the mediator particle between DM  and SM particles, the limit can be interpreted in  terms of a limit on the DM‐nucleon scattering  cross section. (arXiv:1109.4398). • ATLAS arXiv:1402.3244 • Signatures: Z and missing E_T • In SM: BR(Hinv.)=1.2x10‐3 _by HZZ(*)4 • BR(Hinv.)<75% at 95% C.L. for m_H=125.5 GeV

40/38

ZH, Z‐>ll, H‐>invisible 

CMS‐PAS‐HIG‐13‐018

2HDM

CMS‐PAS‐FTR‐13‐024

43/38

CMS arXiv:1304.0213

CMS‐PAS‐FTR‐13‐003