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Christophe Ochando Recherche du boson de Higgs dans le canal ZH bb dans lexpérience DØ auprès du TeVatron Soutenance de Thèse – Université Paris-Sud XI.

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1 Christophe Ochando Recherche du boson de Higgs dans le canal ZH bb dans lexpérience DØ auprès du TeVatron Soutenance de Thèse – Université Paris-Sud XI 29 Septembre 2008

2 29 Sept. 2008Christophe 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

3 29 Sept. 2008Christophe Ochando 3 Motivations Théoriques

4 29 Sept. 2008Christophe Ochando 4 Le Modèle Standard Offre une description des constituants élémentaires de la matière : les fermions. … et de leurs interactions, via les bosons. LeptonsQuarks Théorique quantique des champs basée sur l'invariance de jauge : SU(3) C SU(2) L U(1) Y Or, linteraction faible est de courte portée : W et Z sont massifs: M W = 80.4 GeV/c 2 M Z = 91.2 GeV/c 2 Incompatibilité ! Bosons de jauge de masse nulle

5 29 Sept. 2008Christophe Ochando 5 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 dune nouvelle particule neutre : le Boson de Higgs. Mécanisme de Higgs BRISURE SPONTANEE DE LA SYMETRIE SU(2) L U(1) Y Ajout dun 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 na pas encore été observé.

6 29 Sept. 2008Christophe Ochando 6 Boson de Higgs : contraintes directes et indirectes Recherche directe (menée au LEP) : M Higgs >114.4 GeV à 95% C.L. En particulier, les mesures de M W et M top favorisent un Higgs « léger » La masse du boson de Higgs est un paramètre libre du MS. M Higgs intervient dans les corrections radiatives aux observables du MS. Mesures précises de la théorie électrofaible M Higgs < 154 GeV à 95% C.L Contraintes indirectes.

7 29 Sept. 2008Christophe Ochando 7 Dispositif Expérimental

8 29 Sept. 2008Christophe Ochando 8 le Tevatron Run I ( ) : découverte du quark top (95) Run II ( ?) : Amélioration des détecteurs et de la chaîne daccélération. Run IIa ( ) : - ~1 fb -1 de données collectées. -Bs Mixing, WZ, top célibataire. Run IIb (juin ?) - 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

9 29 Sept. 2008Christophe Ochando 9 Luminosité et Performances Run IIa : ~1 fb -1 Run IIb : > 3 fb -1 Luminosité intégrée (pb -1 ) Performances actuelles excellentes. 5 fb -1 délivrés. Record de luminosité instantanée : 315x10 30 cm -2 s -1 Environ 8 fb -1 attendus en Expérience DØ : 90% defficacité de prise de données. ~50 pb -1 enregistrés par semaine. Plus de 4 fb -1 enregistrés au total.

10 29 Sept. 2008Christophe Ochando 10 Calorimètre à échantillonnage: milieu actif : LAr. absorbeur : Uranium. Le détecteur DØ Composé 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 Angle polaire =0 (le long de laxe z) Repère (r,, ) p T =impulsion dans le plan transverse (x,y) y

11 29 Sept. 2008Christophe Ochando 11 Le calorimètre Rôle : Reconstruction des électrons, des photons et des jets. Détermination de lénergie 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 ~ cellules regroupées en tours pseudo- projectives ( x =0.1x0.1) Central (CC) Bouchons (EC) ICR (région moins instrumentée)

12 29 Sept. 2008Christophe Ochando 12 Stratégie de recherche du Higgs au Tevatron

13 29 Sept. 2008Christophe Ochando 13 Boson de Higgs : Modes de désintégration Exclu au LEP Pour M HIGGS < 135 GeV, Pour M HIGGS > 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.

14 29 Sept. 2008Christophe Ochando 14 Exlcu au LEP Le Higgs au Tevatron : Modes de production & Canaux « Higgstrahlung » WW* l l l = leptons = électrons, muons, taus, =neutrinos Canal étudié lors de ma thèse : m H <135 GeV : H bb 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 m H >135 GeV : H W + W - Fusion de gluons ? Oui, avec désintégrations leptoniques des W l, ll, bb Fusion de gluons

15 29 Sept. 2008Christophe Ochando 15 La topologie Jets et Energie transverse manquante Une calibration précise de lénergie 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 laide de techniques avancées. Topologie très délicate auprès des collisionneurs hadroniques 1 ère partie 2 ème partie 3 ème partie Les analyses possédant un tel état final nécessitent : Canal: 2 jets + énergie manquante. jet

16 29 Sept. 2008Christophe Ochando 16 Corrections des jets simulés

17 29 Sept. 2008Christophe Ochando 17 Jets et énergie transverse manquante Jet de partons (partons issus de linteraction dure) Jet de particules (particules issues de lhadronisation des partons) Jet calorimétrique (reconstruction des gerbes initiées par linteraction des particules dans le calorimètre) Jet: Reconstruit à laide dun algorithme de cône de rayon Energie Transverse Manquante (MET) : Due aux particules ninteragissant pas ou peu avec le calorimètre (neutrinos, muons)

18 29 Sept. 2008Christophe Ochando 18 hadrons Calorimètre parton fragmentation Echelle dénergie absolue des jets dans DØ (JES) But: Ramener lénergie mesurée des jets calorimétriques au niveau des jets de particules (i.e., avant linteraction avec le détecteur) Offset : Energie non-associée au processus dur : - Bruits (Uranium, électronique) - Empilement - Interactions multiples Réponse : 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 lextérieur) du cône de reconstruction du jet peut déposer de l'énergie en dehors (resp. à lintérieur) du cône lors du développement de la gerbe.

19 29 Sept. 2008Christophe Ochando 19 Corrections des jets simulés : Motivations Une bonne compréhension de la masse invariante di-jet est cruciale pour la recherche dun 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 données simulation Résolution des jets - léchelle dénergie des jets, - la résolution en énergie des jets, - lefficacité de reconstruction et didentification des jets

20 29 Sept. 2008Christophe Ochando 20 Sélection Les jets sont corrigés de JES. Léchelle dénergie électromagnétique est connue précisément : Calibration à partir dévénements Z ee. Différence déchelle dénergie électrons/photons estimée à partir de la simulation. Jet Z ou tester léquilibre 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 dévénements /Z( ee) + 1 jet dos-à-dos en.

21 29 Sept. 2008Christophe Ochando 21 La Méthode S.S.R. Les distributions de S sont décrites par une fonction F : F = Gaussienne*Turn-on afin de modéliser linefficacité de reconstruction des jets de bas pT. F = Gaussienne en pratique, lorsque le turn-on nest plus nécessaire. Valeur moyenne des gaussiennes Largeur des gaussiennes Turn-on Echelle dénergie des jets Résolution en énergie des jets Efficacité de reconstruction des jets Événements photon/Z+jet dont le jet n'a pas été reconstruit 50

22 29 Sept. 2008Christophe Ochando 22 Exemple : Différences déchelle dénergie (data) - (MC) données MC gauss Importantes différences à bas pT entre les données et la simulation. La différence de entre les données et la simulation donne accès à léchelle relative dénergie des jets (rJES) Jets Centraux

23 29 Sept. 2008Christophe Ochando 23 Jet pT [GeV] Corrections de la simulation La résolution des jets simulés est dégradée afin de correspondre à celle des jets dans les données. Léchelle relative dénergie 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. donnésMC Z pT [GeV]

24 29 Sept. 2008Christophe Ochando 24 Comparaisons Données/MC DONNEES MC Comparaison du spectre en pT des jets (pour pT( )>50 GeV), avant (à gauche) et après (à droite) les corrections. Laccord données/MC est grandement amélioré après les corrections. La méthode S.S.R. fait partie de la chaîne standard danalyse de DØ.

25 29 Sept. 2008Christophe Ochando 25 pT (GeV) gauss Vers une correction des jets de quarks et de gluons… (1) Différences entre jets de quarks et jets de gluons : Ya-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+quark Z+jets Z+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.

26 29 Sept. 2008Christophe Ochando 26 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. Possibilité décrire le système suivant : S (data) et S Z (data) : mesurées dans les données. Fractions extraites à partir de la simulation S data 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+jet Photon+jet

27 29 Sept. 2008Christophe Ochando 27 Conditions de déclenchement : Optimisation & Simulation

28 29 Sept. 2008Christophe Ochando 28 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 dailleurs 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 1Niveau 2Niveau Hz 0.8 kHz 1.6 kHz 1.7 MHz Augmentent de niveau en niveau Higgs QCD Près de 11 ordres de grandeur ! s (TeV)

29 29 Sept. 2008Christophe Ochando 29 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 : 300 E 30 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 lalgorithme de fenêtre glissante. Possibilité de : définir des objets tels que des électrons/photons, jets ou taus. utiliser des variables topologiques.

30 29 Sept. 2008Christophe 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 ZH bb ou stops, sbottoms, … venant de SUSY. Multijet: pour les gluinos (SUSY). Jétais en charge de loptimisation du Niveau 3 pour ces conditions. Conception des conditions de déclenchement : Compromis à trouver entre : efficacité du signal recherché et taux de sortie ( Hz au final) pour TOUT le programme de physique de DØ

31 29 Sept. 2008Christophe 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 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 (m H =115 GeV) Taux à 300 E 30 cm -2 s -1 : Réduction par environ 44% Efficacité de signal (par rapport à des coupures danalyse) : 88% 91% (+3%) Réduction des taux et augmentation de lefficacité de signal similaires obtenues avec les conditions monojet et multijet. Conditions en ligne depuis Octobre GeV avec : (normalisation aribitraire) (= MET calculée avec les jets)

32 29 Sept. 2008Christophe Ochando 32 Modélisation de lefficacité de déclenchement La simulation du système de déclenchement nest pas incluse dans la chaîne de simulation complète du détecteur. Nécessité de modéliser lefficacité de déclenchement pour les données simulées. Des paramétrisations existaient pour le Run IIa. Nouveau Niveau 1 du Run IIb : nouvelle paramétrisation nécessaire. Jai conçu et implémenté une méthode, basée sur les données, pour émuler la réponse de ce système. Elle a été déterminée à laide dévénements Z + - +jets : du point de vue calorimétrique, même topologie que le signal (les muons ne déposent leur énergie quau minimum dionisation) + - jet

33 29 Sept. 2008Christophe Ochando 33 Ce quil faut modéliser… pT du premier jet DONNEES Z (déclenchement sur muons) Avant Après le Niveau 1 MHT Effet très important à modéliser…

34 29 Sept. 2008Christophe Ochando 34 Mesure de lefficacité de déclenchement pT du Jet hors-ligne Avant Après le terme de Niveau 1 Turn-on dEfficacité Au Niveau 1 : termes de jets et MET. Jai mesuré lefficacité 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 E T >30 GeV et | |<3.2

35 29 Sept. 2008Christophe Ochando 35 Tests de cohérence Toutes les efficacités individuelles des termes ont été combinées afin de calculer la probabilité totale pour quun 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 1 Après la vraie décision du Niveau 1. HT

36 29 Sept. 2008Christophe Ochando 36 Recherche du boson de Higgs

37 29 Sept. 2008Christophe Ochando 37 Le canal ZH bb Signature Expérimentale : Deux jets de grand pT, issus de quarks b Energie Transverse Manquante (MET), Pas de lepton isolé La réaction pp HZ avec H bb et Z est parmi les plus prometteuses pour la découverte dun boson de Higgs de basse masse au TeVatron. Cette recherche est également sensible au canal W( l )H( bb) où le lepton nest pas identifié ou reconstruit. + ZH bb WH l bb ZH l + l - bb BR(Z l+l-) 3% BR(Z ) 20% (3 saveurs de neutrinos)

38 29 Sept. 2008Christophe Ochando 38 Bruits de fond (1) Production de jets par interaction forte. Énergie manquante factice due à la mauvaise mesure de lénergie 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

39 29 Sept. 2008Christophe 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 laide de : ALPGEN interfacé avec PYTHIA (W/Z/tt) COMPHEP (top célibataire) PYTHIA (dibosons) q q Z b b

40 29 Sept. 2008Christophe 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

41 29 Sept. 2008Christophe 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 denrichir le lot en événements W( ). Si limpulsion du muon nest 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+jets W+saveurs lourdes Z+jets top

42 29 Sept. 2008Christophe 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. Lot QCD (> /2) Lot de signal (< /2) (M_TrkPt, MET)< /2 définit le lot de signal, dans lequel lanalyse 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 2 MET M_trkPt

43 29 Sept. 2008Christophe Ochando 43 Lot de signal pT du Jet 1 R(jet 1, jet 2 ) W+jets W+saveurs lourdes Z+jets Z+saveurs lourdes Top QCD pT du Jet 2 Signal (x500) QCD Z+jets W+jets La combinaison du fond QCD et des fonds physiques fournit une bonne description des données.

44 29 Sept. 2008Christophe Ochando 44 Étiquetage des saveurs lourdes Augmentation de la sensibilité : tirer parti du rapport de branchement H bb Étiquetage des quarks b appliqué au deux jets de plus grand pT, à laide dun algorithme utilisant un réseau de neurones. Une bonne description des données est obtenue, à la fois avant et après létiquetage des quarks b. Avant Après Masse invariante Dijet Signal (x10) W+jets W+saveurs lourdes Z+jets Z+saveurs lourdes Top QCD Signal (x500)

45 29 Sept. 2008Christophe Ochando 45 Analyse Discriminante La séparation finale entre le signal et les bruits de fond restants est obtenue à laide dune technique dArbre 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 m H =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)

46 29 Sept. 2008Christophe 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) :

47 29 Sept. 2008Christophe 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 lAD. Méthode statistique : CLs (fréquentiste modifiée) Limites exprimées suivant le rapport : Prédiction du Modèle Standard Résultat le plus sensible pour un Higgs de basse masse à DØ

48 29 Sept. 2008Christophe 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 m H =115 GeV, R attendu (resp. R observé ) = 3.3 (resp. 3.7) Pour m H =160 GeV, R attendu (resp. R observé ) = 1.6 (resp. 1.1) Rapport R

49 29 Sept. 2008Christophe 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 dun boson de Higgs avec m H =170 GeV Premiere fois depuis le LEP qu'un accélérateur apporte une information directe sur la masse du boson de Higgs

50 29 Sept. 2008Christophe Ochando 50 Conclusion Une méthode a été développée pour corriger de façon cohérente les différences entre les données et la simulation pour : Léchelle dénergie des jets, La résolution en énergie des jets, Lefficacité de reconstruction des jets. Elle est utilisée de manière standard dans la chaîne danalyse 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 lefficacité de signal, Tout en réduisant les taux dun facteur 2. Un outil a été développé pour simuler la réponse du système de déclenchement. Recherche du boson de Higgs dans le canal ZH bb avec 2.1 fb -1 Pas de déviation par rapport aux prédictions du Modèle Standard. Limites : pour m H =115 GeV, R(exclu/SM) = 7.5. Limite combinée : R(exclu/SM) =3.7

51 29 Sept. 2008Christophe Ochando 51 Le Higgs au TeVatron : Prospectives Des prospectives ont été réalisées en 2007 : Projection des résultats dalors 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 nest signal nest 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 fb -1

52 29 Sept. 2008Christophe Ochando 52 BACK UP SLIDES

53 29 Sept. 2008Christophe 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 Λ p (~10 19 GeV) Problème de hiérarchie et de naturalité : - 17 ordres de grandeurs entre M w et Λ P - corrections radiatives ajustement fin ordre par ordre H H f f

54 29 Sept. 2008Christophe 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 dexplication de lénergie noire (composante majeure de la densité dénergie de lUnviers) Structure en famille non expliquée.

55 29 Sept. 2008Christophe Ochando 55 Solution au problème de naturalité : Unification des constantes de couplages Aucune sparticule na 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 La supersymétrie Nouvelle symétrie reliant les bosons et les fermions fermions bosons H H f ~ H H f f + = 0

56 29 Sept. 2008Christophe 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) charginos neutralinos

57 29 Sept. 2008Christophe Ochando 57 Higgs & SUSY (1) MSSM : Deux doublets de Higgs (au moins) dhypercharges opposées : H 1 (H 0 1, H 1 - ) et H 2 (H - 2, H1 - 2 ) Pourquoi deux ? Anomalies chirales : sannulent car la somme des hypercharges des fermions dune même famille est nulle. Chaque doublet de Higgs : fermion chiral (Higgsino) Ajout de paires de doublets de Higgs dhypecharges positives pour conserver cette annulation. MS : masse des fermions diospin opposé généré avec =i 2 *. 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 disospin, il faut introduire 2 doublets de Higgs. 5 bosons de Higgs : h, H, A et H +/- tan = v2/v1

58 29 Sept. 2008Christophe Ochando 58 Higgs & SUSY (2)

59 29 Sept. 2008Christophe Ochando 59 TeVatron : historique & performances 59 Current performance: Instantaneous luminosity: ~2.8x10 32 cm -2 s -1 Integrated luminosity: ~4.8 fb -1 Project ~ fb -1 by end of FY Interactions/ crossing Bunch crossing (ns) Ldt (pb -1 /week) x Typical L (cm -2 s -1 ) s (TeV) 36 6 Bunches in Turn Run IIbRun IIaRun I

60 29 Sept. 2008Christophe Ochando 60 JES : Mesure de la réponse (idéal) (réel) 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 dune région du détecteur par rapport à une autreuniformisation de la réponse en fonction de (après EM scale: R EM =1, pour un photon et un jet dos-à-dos)

61 29 Sept. 2008Christophe Ochando 61 Echelle dénergie électromagnétique : électrons & photons Détermination absolue à partir de la résonnance Z e + e - Echelle dénergie électromagnétique (EEE) Echelle dénergie des photons : Photons : pouvoir de pénétration plus grand que les électrons. Echelle dénergie des électrons : sur-corrige lénergie des photons. Correction à EEE estimée à partir de la simulation E (reco) – E (généré) / E (généré)

62 29 Sept. 2008Christophe 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 lénergie des critères de qualité du photon de la position en dans le calo

63 29 Sept. 2008Christophe Ochando 63 JES : Corrections DONNESMC

64 29 Sept. 2008Christophe Ochando 64 JES : Erreurs DONNESMC

65 29 Sept. 2008Christophe 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

66 29 Sept. 2008Christophe Ochando 66 Lobservable S Z ou 0.5 cone size jet Lobservable 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 dunjet corrigé de JES corrected jet pT (jet ramené au niveau particule) le pT du Z/ (i.e., vrai pT de lensemble du système qui recule au Z) et

67 29 Sept. 2008Christophe Ochando 67 S.S.R. : Photon vs Z (données) Photon+jet Z+jet gauss Pureté… … mais surtout différences quarks/gluons !

68 29 Sept. 2008Christophe 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, the arithmetic mean of S, as a function of the Z pT.

69 29 Sept. 2008Christophe Ochando 69 MC at the particle level See on MC what happens at particle level: Z Particle Level (Alpgen) Photon Particle Level (Pythia) There is also a deficit at high pT. This /Z difference is understood in terms of different quark-gluon compositions

70 29 Sept. 2008Christophe 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… Uniform QCD

71 29 Sept. 2008Christophe 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:

72 29 Sept. 2008Christophe Ochando 72 1 Back to basics… gauss Z+ CC jet (1): We observe data/MC discrepancies in the transverse energy imbalances as well as in the resolutions (2) data MC S gauss 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 ?

73 29 Sept. 2008Christophe Ochando 73 Back to basics: Wrong JES ? Not necessarily… Same effect is seen when looking at MC particle level… For the JES For 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.

74 29 Sept. 2008Christophe 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.

75 29 Sept. 2008Christophe Ochando 75 rJES : Erreurs ECVEC ICR

76 29 Sept. 2008Christophe Ochando 76 SSR quark/gluon : Mise en équation Pas de solution si det(F) = 0. Matrice de Fractions de Saveurs F Les solutions sont données par : where: Quand les fractions de quark (resp. gluon) sont les mêmes dans les deux lots.

77 29 Sept. 2008Christophe Ochando 77 Photon : Fractions de Quark/Gluon dans les regions en CC ICR EC ALL CC ICR EC ALL

78 29 Sept. 2008Christophe Ochando 78 Z : Fractions de Quark/Gluon dans les regions en CC ICR EC ALL CC ICR EC ALL

79 29 Sept. 2008Christophe Ochando 79 Optimisation du L3 : Résultats

80 29 Sept. 2008Christophe 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 lénergie 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( turnons. Application du turnon pour déterminer la probabilité quun jet ait été reconstruit au L2/L3. Application au MC:

81 29 Sept. 2008Christophe Ochando 81 Ajout dun 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 lEC, 7% dans le CC. 1.4 < | | < 3.2

82 29 Sept. 2008Christophe Ochando 82 Combinaisons de différents algorithme au sein dun Réseau de Neurones : Vertex secondaire, paramètre dimpacts, Etiquetage des quarks b à laide dun 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

83 29 Sept. 2008Christophe 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 lefficacité de reconstruction des traces. Détermination de létiquetabilité dun jet dans les données (P1) dépend de la topologie, de PVz, de eta, de pT Probabilité détiqueter un jet mesurée dans les données (P2) B-tagging dans la simulation : pondération des événements par P1*P2.

84 29 Sept. 2008Christophe Ochando 84 Analyse Run IIa : chiffres

85 29 Sept. 2008Christophe Ochando 85 Analyse Run IIb : chiffres

86 29 Sept. 2008Christophe Ochando 86 Arbres de décision Motivations : La plupart des événements nont pas **toutes** les caractéristiques du signal ou des bruits de fonds. Etendre la sélection basée uniquement sur des coupures. Continuer danalyser les événements rejetés par un critère particulier Voir si dautres 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 lautre. Sélectionne la variable et sa valeur associée qui fournit la meilleure séparation. Production de deux branches. Algorithme répété sur chaque nouvelle branche. Sortie de larbre : Pureté de la feuille (S/S+B). Proche de 1 pour le signal, proche de 0 pour le bruit de fond.

87 29 Sept. 2008Christophe Ochando 87 RunIIa DT output DT discriminant output: Example for a Higgs signal with m H =115 GeV, for Run IIa Signal (x25)

88 29 Sept. 2008Christophe Ochando 88 Coupures topologiques contre le fond QCD QCD W+jets Z+jets Signal ZH (x100) -0.1 < (MET-MHT)/(MET+MHT) < 0.2 (jet 1, jet 2) < 165° MET > 80 – 40* min (jets, MET)

89 29 Sept. 2008Christophe Ochando 89 CLs CL b : probabilité que les données vérifient l'hypothèse bruit de fond CL s+b : probabilité que les données vérifient l'hypothèse bruit de fond plus signal CLs :probabilité que le signal soit présent dans les données analysées Il est calculé à partir de Ndata, Nbdf et Nsig Les corrélations des erreurs systématiques entre bdf et sig sont prises en compte Si CLs < 5% le signal considéré est exclu à 95% de niveau de confiance. On définit aussi le attendu en l'absence de signal Cls moyenné sur un grand nombre dexpériences de pensée où lon tire aléatoirement: N : nombre de bruit de fond attendu suivant une gaussienne : =Nbdf nombre « observé » (Poisson avec N comme valeur centrale). CL s = CL s+b /CL b 1-CLs : peut être directement interprété comme le niveau dexclusion de la recherche.

90 29 Sept. 2008Christophe Ochando 90 LLR

91 29 Sept. 2008Christophe Ochando 91 Limites : Run IIa & Run IIb Run IIaRun IIb Combinaison des deux analyses (Run IIa & Run IIb) : Systématiques corrélées à part les fractions de saveurs lourdes

92 29 Sept. 2008Christophe 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

93 29 Sept. 2008Christophe Ochando 93 Améliorations possibles de lanalyse 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 laide 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

94 29 Sept. 2008Christophe 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 AnalyseLum (fb - 1 ) Limite AttendueLimite Observée CDF NN CDF ME+BDT DØ NN AnalyseLum (fb - 1 ) Limite AttendueLimite Observée CDF NN DØ BDT Analyse WH l bb Analyse ZH bb

95 29 Sept. 2008Christophe Ochando 95 Analyse ZH de CDF AnalysisLum (fb -1 ) Higgs Events Exp. Limit Obs. Limit CDF NN Results at mH = 115GeV: 95%CL Limits/SM Use of track missing p T 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 WH bb Split single/double tag ZH bb, WH l bb(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-rejection NeuralNet Analysis NeuralNet

96 29 Sept. 2008Christophe Ochando 96 Analyse WH : DØ & CDF (1) Loose double tagging Loose double tagging Lepton ID with isolated Lepton ID with isolated tracks/extended muons Include W+3 jet data Include W+3 jet data Include fwd electrons Include fwd electrons NN discriminator NN discriminator ME+BDT ME+BDT b b l W* H W 1 lepton+MET+ 2 b jets 1 lepton+MET+ 2 b jets About 3-4 evts / 1fb -1 About 3-4 evts / 1fb -1 Most sensitive channel Most sensitive channel - Highlights -

97 29 Sept. 2008Christophe Ochando 97 Analyse WH : DØ & CDF (2) ME discriminant ME+BDT ME approach good In capturing LO discrimination Add other kinematic event variables to ME in a BDT to capture higher order effects NN Inputs: signalbackground NN output signalbackground

98 29 Sept. 2008Christophe 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 danalyses 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 m H = 160 GeV: Limite attendue : 2.1 x SM Limite observée : 3.0 x SM A m H = 115 GeV: Limite attendue : 4.6 x SM Limite obervée : 5.3 x SM

99 29 Sept. 2008Christophe Ochando 99 Combinaison de CDF (1) Combinaison des 6 canaux majeurs : WH l bb VH MET+bb ZH llbb H H W + W - WH WW + W - Lumi : 1.9 – 3.0 fb -1 A m H = 115 GeV: Limite attendue : 3.5 x SM Limite obervée : 4.2 x SM A m H = 160 GeV: Limite attendue : 1.7 x SM Limite observée : 1.5 x SM

100 29 Sept. 2008Christophe Ochando 100 Combinaison de CDF (2) WH : canal le plus sensible à basse masse H WW : contribution à haute masse et aux masse intermédiaires Ligne : projection 1/sqrt(L) Jaune (haut) : Limites de 2007 divisées par 1.5 Jaune (bas) : Limites de 2007 divisée par 2.25

101 29 Sept. 2008Christophe Ochando 101 Exclusion du Higgs à 170 GeV 101 First direct exclusion since LEP II. Limits continued to scale ~linearly with luminosity between Moriond08 and ICHEP08. Expect to exclude wide mass range by Moriond09. Excluded m H = % CL

102 29 Sept. 2008Christophe Ochando 102 Sections efficaces au Tevatron 1 Higgs gg H

103 29 Sept. 2008Christophe Ochando 103 Higgs au LHC 103 Excluded by LEP Disfavoured by EW precision fits

104 29 Sept. 2008Christophe 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 m H =115 GeV/c 2 –10 fb -1 will allow 5σ discovery if m H is in range 127 – 440 GeV/c 2 –3.3 fb -1 : 5σ discovery for m H in 136 – 190 GeV/c 2 –Just under 2 fb -1 : 5σ discovery for m H = 160 GeV/c 2 Exclusion: –2.8 fb -1 will allow exclusion at 95% CL of m H = 115 GeV/c 2 (i.e. just above the LEP limit) –2 fb -1 : exclusion at 95% CL in m H range 121 – 460 GeV/c 2 –Less than 2 fb -1 should be enough to exclude region around m H 2m W The above luminosity numbers correspond to reasonably well understood data, but include realistic estimates of systematic effects and uncertainties Ricardo GoncaloICHEP08, Philadelphia104 ATLAS preliminary LHC : Statistical combination 5σ

105 29 Sept. 2008Christophe Ochando 105 LHC : Overall sensitivity Ricardo GoncaloICHEP08, Philadelphia105 Exclusion Discovery


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