Recherche du boson de Higgs dans le canal ZHbb dans l’expérience DØ auprès du TeVatron Christophe Ochando Soutenance de Thèse – Université Paris-Sud XI 29 Septembre 2008

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

Motivations Théoriques 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

… et de leurs interactions, 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)CSU(2)LU(1)Y  Bosons de jauge de masse nulle Incompatibilité ! Or, l’interaction faible est de courte portée : W et Z sont massifs: MW = 80.4 GeV/c2 MZ = 91.2 GeV/c2 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

… seul le boson de Higgs n’a pas encore été observé. Mécanisme de Higgs Solution imaginée dans les années 60, indépendamment par Peter Higgs (1964), Englert & Brout (1964), Guralnik, Hagen & Kibble (1965) : Ajout d’un doublet complexe de champs scalaires . Champ de Higgs plongé dans un potentiel en forme de “chapeau mexicain” : Infinité de minima stables ne respectant pas la symétrie du Lagrangien. BRISURE SPONTANEE DE LA SYMETRIE SU(2)LU(1)Y 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. Le Modèle Standard (MS) est en parfait accord avec les données expérimentales… … seul le boson de Higgs n’a pas encore été observé. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

Dispositif Expérimental 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Vaste programme de physique : le Tevatron Tevatron (Fermilab): collisionneur proton-antiproton Chicago Vaste programme de physique : Physique des quarks b et top, Physique électrofaible, QCD, Higgs, Nouvelle Physique. proton anti-proton 1.96 TeV au Centre de Masse 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 ? CDF DØ Tevatron 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Luminosité et Performances Performances actuelles excellentes. 5 fb-1 délivrés. Record de luminosité instantanée : 315x1030cm-2s-1 Environ 8 fb-1 attendus en 2010. Run IIb : > 3 fb-1 Expérience DØ : 90% d’efficacité de prise de données. ~50 pb-1 enregistrés par semaine. Plus de 4 fb-1 enregistrés au total. Run IIa : ~1 fb-1 Luminosité intégrée (pb-1) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Calorimètre à échantillonnage: 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) Calorimètre à échantillonnage: milieu actif : LAr. absorbeur : Uranium. y Repère (r,,)  Angle polaire =0 (le long de l’axe z) Protons Anti-protons pT=impulsion dans le plan transverse (x,y) z Spectromètre à muons : Chambres à dérives Scintillateurs Toroïdes en fer (1.8 T) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

(région moins instrumentée) 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) Central (CC) ICR (région moins instrumentée) Composition : 4 couches électromagnétiques 3 couches hadroniques fines 1 couche hadronique grossière ~50 000 cellules regroupées en tours pseudo- projectives (x=0.1x0.1) Bouchons (EC) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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

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

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

Corrections des jets simulés 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Jets et énergie transverse manquante Jet: Reconstruit à l’aide d’un algorithme de cône de rayon Jet calorimétrique (reconstruction des gerbes initiées par l’interaction des particules dans le calorimètre) Jet de particules (particules issues de l’hadronisation des partons) Jet de partons (partons issus de l’interaction dure) Energie Transverse Manquante (MET) : Due aux particules n’interagissant pas ou peu avec le calorimètre (neutrinos, muons) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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) 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) hadrons Calorimètre parton fragmentation « 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. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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 : données simulation l’échelle d’énergie des jets, la résolution en énergie des jets, l’efficacité de reconstruction et d’identification des jets Résolution des jets Toutes ces caractéristiques sont corrélées et doivent être corrigées de façon cohérente But de la méthode S.S.R (pour “Smearing, Shifting and Removing”) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Sélection Sélection d’événements /Z(ee) + 1 jet dos-à-dos en . Jet Les jets sont corrigés de JES. L’échelle d’énergie électromagnétique est connue précisément : Calibration à partir d’événements Zee. Différence d’échelle d’énergie électrons/photons estimée à partir de la simulation. Z ou  Utilisation de la variable S : 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. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Différences données/MC  facteurs de correction de la simulation 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. 18<pT<23 GeV 50<pT<60 GeV Événements photon/Z+jet dont le jet n'a pas été reconstruit Valeur moyenne des gaussiennes Largeur des gaussiennes Turn-on Echelle d’énergie des jets Résolution en énergie des jets Efficacité de reconstruction des jets Différences données/MC  facteurs de correction de la simulation 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Exemple : Différences d’échelle d’énergie Importantes différences à bas pT entre les données et la simulation. <Sgauss>(data) - <Sgauss>(MC) Jets Centraux données MC <S>gauss La différence de <S> entre les données et la simulation donne accès à l’échelle relative d’énergie des jets (rJES) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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. Z pT [GeV] Z pT [GeV] donnés MC 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. Jet pT [GeV] 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Comparaisons Données/MC Comparaison du spectre en pT des jets (pour pT()>50 GeV), avant (à gauche) et après (à droite) les corrections.   DONNEES MC 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. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Vers une correction des jets de quarks et de gluons… (1) JES/SSR : correction moyenne, quelque soit la nature du jet. pT (GeV) 100 200 20 Différences entre jets de quarks et jets de gluons : Jets de gluons : multiplicité de particules plus grande, particules de plus basse énergie. Réponse (gluon) < Réponse (quark) MC 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) ? <S>gauss Dans la simulation, accès à toutes les informations… S(gluon) < S(quark) Z+quark Z+jets Z+gluon … mais comment faire dans les données ? 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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. Fraction de gluons Possibilité d’écrire le système suivant : Z+jet Photon+jet S(data) et SZ(data) : mesurées dans les données. Fractions  extraites à partir de la simulation Sdatagluon/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. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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. QCD Nécessité de filtrer les événements en ligne Higgs Près de 11 ordres de grandeur ! s (TeV) Système de déclenchement à 3 niveaux enchaînés : Quantité et complexité des informations disponibles Temps de calcul Augmentent de niveau en niveau Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 50-150 Hz 0.8 kHz 1.6 kHz 1.7 MHz Étape cruciale : tout événement non enregistré est perdu à jamais ! 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

Conditions de déclenchement Jets+MET au Run IIb 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 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). J’étais en charge de l’optimisation du Niveau 3 pour ces conditions. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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 avec : 25 GeV (= MET calculée avec les jets) Signal ZH (mH=115 GeV) 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) (normalisation aribitraire) 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. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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

Mesure de l’efficacité de déclenchement 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” pT du Jet hors-ligne Avant Après le terme de Niveau 1 Turn-on d’Efficacité 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Tests de cohérence DONNEES 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) DONNEES Après la paramétrisation du Niveau 1 Après la vraie décision du Niveau 1. HT MHT 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Recherche du boson de Higgs 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

Bruits de fond (1) Deux types de bruits de fond pour cette analyse : Bruit de fond instrumental, dit “QCD” Bruits de fond physiques Bruit de fond QCD 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 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Bruits de fond (2) Bruits de fond physiques   b q Production de bosons W/Z + jets : En particulier : Z + jets (irréductible) W(l) + jets b  Z  q q W b l = électrons, muons ou taus Production de quarks top (par paire ou célibataire) Production de paires de bosons vecteurs : WW, WZ, ZZ Processus simulés à l’aide de : ALPGEN interfacé avec PYTHIA (W/Z/tt) COMPHEP (top célibataire) PYTHIA (dibosons) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

+ Sélection La recherche a été effectuée avec 2.1 fb-1, Run IIa + Run IIb les données du Run IIb (1.1 fb-1) ont été enregistrées avec la condition DIJET optimisée. 2 ou 3 jets avec pT > 20 GeV |(jets)| < 2.5 MET > 50 GeV Veto sur leptons isolés : électrons muons (contre W/Z+jets) + Coupures topologiques contre le bruit de fond QCD 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Bruits de fond physiques : Contrôle 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. Lot de contrôle W()+jets W+jets W+saveurs lourdes Z+jets top 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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. MET Jet 1 Lot de signal (</2) Lot QCD (>/2) M_trkPt M_trkPt MET Jet 2 SIGNAL QCD (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. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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 l’aide d’un algorithme utilisant un réseau de neurones. Masse invariante Dijet Avant Après W+jets W+saveurs lourdes Z+jets Z+saveurs Top QCD Signal (x10) Une bonne description des données est obtenue, à la fois avant et après l’étiquetage des quarks b. Signal (x500) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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. 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) Sortie du AD : Exemple pour un signal Higgs avec mH=115 GeV, et pour le Run IIb Signal (x25) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Erreurs systématiques Contributions majeures (Run IIb) : 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% 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Résultats Bon accord données/bruit de fond. Pas de déviation observée. 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 Pour une masse de 115 GeV, la limite est un facteur 7.5 plus grande que la section efficace prédite par le Modèle Standard… Résultat le plus sensible pour un Higgs de basse masse à DØ 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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. Rapport R Pour mH=115 GeV, Rattendu (resp. Robservé) = 3.3 (resp. 3.7) Pour mH=160 GeV, Rattendu (resp. Robservé) = 1.6 (resp. 1.1) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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 ZHbb 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

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. Evidence à 3  Luminosité requise par expérience (fb-1) Eté 2008 3 fb-1 Exclusion à 95% C.L. 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) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

BACK UP SLIDES 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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 f 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Limites du Modèle Standard (2) Structure en famille non expliquée. 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) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

Le MSSM Extension supersymétrique minimale du modèle standard quarks squarks leptons sleptons Bosons de Higgs higgsinos (2 doublets de Higgs) charginos neutralinos Bosons de jauge jauginos 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) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Higgs & SUSY (1) MSSM : Deux doublets de Higgs (au moins) d’hypercharges opposées : H1(H01, 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 =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 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

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

TeVatron : historique & performances 6.7 2.5 Interactions/ crossing 396 3500 Bunch crossing (ns) 50 20 3  Ldt (pb-1/week) 2.5 1032 1x1032 1.6 1030 Typical L (cm-2s-1) 1.96 1.8 s (TeV) 36  36 6  6 Bunches in Turn Run IIb Run IIa Run I 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 59 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

JES : Mesure de la réponse MPF = Missing transverse energy Projection Fraction (après EM scale: REM=1, pour un photon et un jet dos-à-dos) (idéal) (réel) 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  29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Echelle d’énergie électromagnétique : électrons & photons Echelle d’énergie électromagnétique (EEE) Détermination absolue à partir de la résonnance Z e+e- E(reco) – E(généré) / E(généré) 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 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

JES : Corrections DONNES MC 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

JES : Erreurs DONNES MC 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

S.S.R.: lots utilisés 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  + 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 . Z(ee) + jet: Signal propre… … mais faible statistique. Utilisé pour déterminer les paramètres de SSR dans le CC 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

L’observable S Z ou  L’observable S : 0.5 cone size jet Balance entre le pT d’unjet corrigé de JES corrected jet pT (jet ramené au niveau particule) et le pT du Z/ (i.e., vrai pT de l’ensemble du système qui recule au Z) Z ou  Sensible à : la physique en dehors du cône Energie non-associée à des objets Dépend du processus ( vs Z+jet) et Générateur Monte-Carlo. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

S.S.R. : Pythia vs Alpgen This plot shows <S>, the arithmetic mean of S, as a function of the Z pT. There are large differences between Pythia and Alpgen for Z+jets 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 The relative data/MC JES will be different depending on the MC you are using… 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. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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, …) Uniform <S> QCD The results obtained with the two kinds of remapping are in fact very similar… 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Systematic uncertainties on the relative JES Systematic errors considered: EM energy scale for Z events: symmetric error: 0.2 % The influence of additional low pT jets: symmetric error: +/- 0.3% The influence of the variation of the  cut: asymmetric error: + 0.3/- 0.0% 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. Run IIa results: Below 2% CC ICR 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Back to basics… <S>gauss Sgauss widths Z+ CC jet data MC 2 3 1 (1): We observe data/MC discrepancies in the transverse energy imbalances as well as in the resolutions (2) (3): Even at high pT, a JES corrected jet fails to balance the Z pT… (2) Could be naïvely interpreted as a well known improper detector simulation… … but why (3) ? Is the JES wrong ? 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Back to basics: Wrong JES ? Not necessarily… Same effect is seen when looking at MC particle level… What is a “jet” ? For SSR For the JES Whole recoiling system to a /Z R= 0.5 Particle 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

Back to basics: What SSR really does 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… 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… It should work reasonably well for jets in Z(W)+jet events, generated with ALPGEN. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

rJES : Erreurs EC VEC ICR 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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

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

Optimisation du L3 : Résultats 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Trigger: Simulation des jets L2 et L3 Simulation des jets L2 et L3: Construite à partir des données (skim NP) jet pT L2, CC 1) On part des bons Jets offline, corrigés de JES, séparés en 3 regions en . 2) Calcul du ratio jets offline/jets offline matchés en R(<0.5) à jets online. => turnons. 3) Calcul et ajustement du ratio pT(offline)/pT(online) en différents bins de pT et . Application au MC: CC: L2 (offline)/L2 (online) Application du turnon pour déterminer la probabilité qu’un jet ait été reconstruit au L2/L3. 60 < pT < 100 Corrige l’énergie des jets offline par le ratio (3) pour reproduire celle online. Utilisation de ces jets simulés pour calculer les quantités de trigger (HT, MHT,…) 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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 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. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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. Combinaisons de différents algorithme au sein d’un Réseau de Neurones : Vertex secondaire, paramètre d’impacts, Grande efficacité et pureté Loose ~ 70% eff, 4.5% mistag Tight ~ 50% eff, 0.5% mistag 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

Analyse Run IIa : chiffres 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Analyse Run IIb : chiffres 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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

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

CLs On définit aussi le <CLs> attendu en l'absence de signal CLb : probabilité que les données vérifient l'hypothèse bruit de fond CLs+b : probabilité que les données vérifient l'hypothèse bruit de fond plus signal CLs = CLs+b/CLb 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 <CLs> attendu en l'absence de signal Cls 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). 1-CLs : peut être directement interprété comme le niveau d’exclusion de la recherche. 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

LLR 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Limites : 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

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

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

Résultats : comparaisons Analyse Lum (fb-1) Limite Attendue Limite Observée CDF NN 2.7 5.8 5.0 CDF ME+BDT 5.6 5.7 DØ NN 1.7 8.5 9.3 Analyse WHlbb Analyse Lum (fb-1) Limite Attendue Limite Observée CDF NN 2.1 6.3 7.9 DØ BDT 8.4 7.5 Analyse ZHbb 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 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Analyse ZH de CDF Analysis NeuralNet QCD-rejection NeuralNet 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 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 WHbb Split single/double tag Analysis Lum (fb-1) Higgs Events Exp. Limit Obs. Limit CDF NN 2.1 7.3 6.3 7.9 Analysis NeuralNet Results at mH = 115GeV: 95%CL Limits/SM QCD-rejection NeuralNet 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

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

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 = 115 GeV: Limite attendue : 4.6 x SM Limite obervée : 5.3 x SM A mH = 160 GeV: Limite attendue : 2.1 x SM Limite observée : 3.0 x SM 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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 mH = 115 GeV: Limite attendue : 3.5 x SM Limite obervée : 4.2 x SM A mH = 160 GeV: Limite attendue : 1.7 x SM Limite observée : 1.5 x SM 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Exclusion du Higgs à 170 GeV Excluded mH = 170 GeV @ 95% CL 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. 101 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

Sections efficaces au Tevatron 1 Higgs ggH 0.03-0.3 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

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

LHC : Statistical combination ATLAS preliminary 5σ 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 ATLAS preliminary Exclusion at 95% CL Ricardo Goncalo ICHEP08, Philadelphia 104 29 Sept. 2008 Christophe Ochando

LHC : Overall sensitivity Exclusion Discovery Ricardo Goncalo ICHEP08, Philadelphia 105 29 Sept. 2008 Christophe Ochando