1/42 Recherche du boson de Higgs du modèle standard dans les canaux pp  WH et pp  H  WW dans l'expérience DØ du Tevatron Stéphanie Beauceron Thèse au.

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1 1/42 Recherche du boson de Higgs du modèle standard dans les canaux pp  WH et pp  H  WW dans l'expérience DØ du Tevatron Stéphanie Beauceron Thèse au LPNHE actuellement au DAPNIA/SPP séminaire à Grenoble du jeudi 27 janvier 2005

2 2/42 Plan Le Tevatron et le détecteur DØ Introduction sur le boson de Higgs du modèle standard Identification des objets Recherche du boson de Higgs à petite masse Propriétés des événements W+  2 jets Limite sur la section efficace de production WH Limite sur la section efficace de production Wbb Recherche du boson de Higgs à grande masse Limite sur la section efficace de production H(  WW) Comparaison à l’étude de prospective du Tevatron Conclusion

3 3/42 Fermilab Injecteur principal & Recycleur Tevatron Chicago  Source p Booster pp p CDF DØ collisions pp E cdm = 1.96 TeV espacement des paquets de 396 ns Run II pic de luminosité  actuel : 10  10 31 cm -2 s -1  but : 20  10 31 cm -2 s -1 collisions pp E cdm = 1.96 TeV espacement des paquets de 396 ns Run II pic de luminosité  actuel : 10  10 31 cm -2 s -1  but : 20  10 31 cm -2 s -1

4 4/42 Luminosité design: challenging base: conservative Début de l’année fiscale Integrated Luminosity (fb -1 ) Utilisée pour ces analyses

5 5/42 Le détecteur DØ

6 6/42 Ancienne contrainte : m top = 174.3 ± 5.1 GeV log (m H ) = 1.98 -0.22 +0.21 m H = 96 –38 +60 GeV ou m H < 219 GeV (95% CL) Nouvelle combinaison de la masse du Top en utilisant la nouvelle mesure DØ run I ( +léger ajustement de la masse du W ) : m top = 178 ± 4.3 GeV m H = 114 +69 -45 GeV ou m H < 260 GeV (95% CL) Nouvelle contrainte électrofaible Contrainte sur m H dans le modèle standard Recherches directes à LEP2 : m H >114.4 GeV @95%CL avec un léger excès d’événements à 115 GeV  2

7 7/42 LEP Exclusion Production du Higgs au Tevatron Section efficace totale du Higgs : ~1 pb  ~ 170 événements Production associée WH, ZH : ~0.2 pb  ~ 34 événements La désintégration leptonique du W/Z aide pour la sélection des événements

8 8/42 Exclu au LEP Désintégration du Higgs m H <130-140 GeV : H  bb dominée par le bruit de fond QCD -ZH  llbb bruit de fond : Zbb, ZZ, tt -WH  l bb bruit de fond : Wbb, tt, t -ZH  bb bruit de fond : QCD, Zbb, ZZ, tt m H >130-140 GeV : -gg  H  W*W* bruit de fond : Drell-Yan -WH  WW*W* bruit de fond : WW, WZ, tt,   Nécessité de comprendre les différents bruit de fond  surtout Wbb : un bruit de fond irréductible pour la recherche en WH que nous allons effectuer.  WW est un bruit de fond irreductible de la recherche du Higgs.

9 9/42 Identification des électrons Fraction électromagnétique : proportion d’énergie déposée dans les couches électromagnétiques Isolation : proportion d’énergie déposée à l’extérieur du cône de reconstruction Forme de la gerbe déposée (HM8 et HM7) Recherche d’une trace associée Critère strict : Calcul d’un maximum de vraisemblance établit sur 7 variables  Ces critères forment la sélection initiale Reconstruction avec un cône de R=  2 +  2 = 0.2

10 10/42 Identification des muons A B C C B A toroïde Medium Muon: doit avoir un nombre donne de hits dans les différentes couches Association avec une trace centrale Coupure de “Timing” pour rejeter les muons cosmiques  Ceci définissent la selection initiale Critere strict: isolation des traces des muons: Σp T Traces (dans un cone 0.5) - p T TraceMuon

11 11/42 Identification des jets 0.05<Fraction électromagnétique<0.95 Fraction dans la couche grossière < 0.4 Le rapport entre l’énergie vue dans le système de déclenchement de niveau 1 / énergie déposée dans le calorimètre > 0.4 pour |  | |  | > 0.2 pour 0.8 <|  |< 1.5 Reconstruction avec un cône de R=0.5

12 12/42 Identification des jets de quark b en utilisant les propriétés des hadrons B : temps de vie d’environ 1.6 ps  une désintégration en vol après 3mm (pour une impulsion de 40 GeV).  extrapolation des traces provenant de la désintégration d’un hadron B à vertex secondaire. Le paramètre d’impact = distance minimale entre la trace et le vertex primaire. Les traces provenant de hadron B ont en moyenne un paramètre d’impact de 400 μm. Longueur de désintégration ~ qques mm Collision Paramètre d’impact Vertex secondaire Produits de la désintégration d’un B Identification des jets de b

13 13/42 JLIP est un algorithme pour étiqueter les jets provenant de quark b. Combine les paramètres d’impact de chaque traces associées au jet en une probabilité de temps de vie du jet (Jet LIfetime Probability). Cette probabilité traduit le fait que toutes les traces sont issus du point d’interaction  les jets de quark b ont une faible probabilité. Coupure à 0.7% sur la probabilité  efficacité d’étiquetage :48±3% Algorithme JLIP

14 14/42 Recherche du Higgs à petite masse Échantillon des données Sélection des événements Échantillon simulés Propriétés cinématique W+  2 Jets W + 2 b-jets Limite σ(WH) Limite σ(Wbb)

15 15/42 Sélection des runs : Les mauvais runs provenant des détecteurs CAL, SMT, CFT, ainsi que ceux de l’étude Jet/Met sont rejetés. Rejet des événements n’ayant pas d’information valide de luminosité. Données prises entre Avril 2002 et Septembre 2003 Luminosité : 174 pb -1 Sélection des événements : Au moins un électron dans le calorimètre central |  | 20 GeV Energie transverse manquante > 25 GeV Veto sur un muon isole ou sur un second electron avec p T >20 GeV Au moins deux jets p T > 20 GeV avec |  | < 2.5 L’échantillon de données WH Recherche dans le canal WH  e bb

16 16/42 Sélection des événements Critères de déclenchement Déclenchement indifféremment sur un ensemble de critère demandant la présence d’au moins une particule électromagnétique dans l’événement Critère sur le vertexPosition en z du vertex < 60 cm Critères sur l’électronFraction électromagnétique > 0.90 Isolation < 0.10 Estimateur HM8 < 75 et Estimateur HM7 < 30 Association d’un trace en  R < 0.4 |  |<1.1 p T > 20 GeV Critère strictMaximum de vraisemblance d’identité de l’électron > 0.75 Energie transverse manquante > 25 GeV Jets0.05 < Fraction électromagnétique < 0.95 Fraction du “coarse hadronique” < 0.4 Confirmation par le déclenchement (L1Set >0.4 pour |  | 1.5 ou L1Set >0.2 pour 0.8<|  |<1.5) |  |<2.5 p T > 20 GeV Etiquetagejets étiquetés par JLIP avec une probabilité < 0.7%

17 17/42 ProcessusGénérateurs Nombre d’événements dans ~170 pb -1 W  e Pythia471750 ZeeZee Pythia43350 Z  Pythia43350 W  Pythia471750 WZ  e bb Pythia663 Wbb  e bb Alpgen+Pythia570 tt  e+jets m t =175 GeV Alpgen+Pythia173 Wjj  e jj Alpgen+Pythia48790 Wjjj  e jjj Alpgen+Pythia6970 SingleTop  e bb CompHep63 WH  e bb m H =115 GeV Pythia3 Echantillon de simulation

18 18/42 Détermination du bruit de fond QCD (1) Estimation faite à partir des données par un système linéaire de 2 équations, 2 inconnues. On appelle “QCD” les événements multijets dans lesquels un jet est identifié comme électron. On considère : un échantillon initial (N initial ) = l’objet électromagnétique passe les critères de la sélection initiale un échantillon final (N final ) = échantillon initial + critère strict sur le candidat électron  Calcule de l’efficacité du critère strict (=critère sur le maximum de vraisemblance)  Détermination de la quantité d’événements ayant un jet identifie comme un électron (par les critères de la sélection initiale) qui subsiste lorsque l’on demande le critere strict (ƒ Misid ).

19 19/42 Taux de mauvaise identification du critère strict : Echantillon de candidats electrons dos à dos avec un jet (  <0.2)  nombre candidat électron passant le critère strict / nombre initial de candidat électron. L’échantillon doit avoir moins de 10 GeV de ME T, le jet passe les critères d’identification des jets, dans |  |<1.1, loin interstices en  et avec une fraction électromagnétique<0.70. Pour le calcul du bruit de fond QCD, le taux de mauvaise identification est appliqué en fonction du p T de l’électron. L’efficacité du maximum de vraisemblance est déterminée sur des événements Z  ee. ME T (GeV) p T (GeV) Determination de ƒ misid

20 20/42 Détermination du bruit de fond QCD (2) Notre échantillon initial contenant N Initial événement est compose de N electrons événement contenant de “vrai” électron et de N QCD événements contenant des jets identifiés comme des électrons. A partir de l’efficacité du critère sur le maximum de vraisemblance (strict =  Strict ) et du taux de mauvaise identification d’un électron par ce critère (ƒ Misid ), le contenu de chaque échantillon s’écrit : N Initial = N electrons + N QCD N Final =  Strict.N electrons + ƒ Misid.N QCD Par inversion des équations, il est possible de déterminer le nombre d’événements de bruit de fond QCD (N QCD ) dans chaque échantillon ainsi que le nombre d’événements contenant de “vrai” électrons (N electrons ).

21 21/42 Les données sont sélectionnées indifféremment sur plusieurs critères de déclenchement La simulation est pondérée par les rapports d’efficacité données/simulation Les contributions des simulations sont normalisées à leur section efficace multipliée par la luminosité Le bruit de fond QCD est déterminé par le système linéaire avec une efficacité de critère strict de (  strict ) 92 ± 2 % et un taux de mauvaise identification de (ƒ misid ) 18 ± 2%, 12% pour p T e > 30 GeV Comparaison données-simulation

22 22/42 Le bruit de fond QCD est réduit de plus de 60% lorsque l’on demande le critère sur le maximum de vraisemblance. Les données et la simulation sont en accord dans l’échantillon initial et l’échantillon final. InitialFinal Energie de l’électron InitialFinal

23 23/42 La distribution est correctement décrite par l’ensemble des processus. InitialFinal InitialFinal Energie transverse manquante

24 24/42 Final La masse transverse et l’impulsion transverse du candidat boson W est reconstruite à partir des candidats électron et de l’énergie transverse manquante par : M W 2 =(E T el + ME T ) 2 -((p x el + ME x ) 2 + (p y el x ME y ) 2 ) P T W =(p T el + ME T ) Final Evénements W+  2 jets

25 25/42 Final Simulation générée par Alpgen Masse invariante des 2 jets Final Simulation générée par Pythia Final La forme de la distribution est décrite dans les 2 cas. Pythia est un générateur basé sur le “parton-shower”. Pythia réalise des approximations des éléments de matrice  limitation de la prédiction d’un taux définit de jets (2/3/4/5-jets).  un problème de normalisation. Alpgen qui est générateur d’élément de matrice, nous donne une bonne description de nos données.

26 26/42 Comparaison réalisée avec la simulation Alpgen  R: séparation spatiale dans le plan  x  des 2 jets de plus grande impulsion transverse. On observe un bon accord entre les données et la simulation. InitialFinal H T : somme des impulsions transverses des jets contenus dans l’événement. On observe une discrimination entre les événements Top et Wbb.  R des 2 jets et H T des événements InitialFinal

27 27/42 La recherche du boson de Higgs Proportion d’événements 1 jet reconstruit 2 jets reconstruits 3 jets reconstruits 4 jets reconstruits WH24 %62 %12 %2 % tt3 %18 %37 %33 % Wbb68 %28 %4 %0 % Top électrofaible 23 %61 %12 %1 % Exactement 2 jets  62% du signal WH, rejette 82% du tt 2 ou 3 jets  74% du signal WH, rejette 45% du tt  S/  B augmente de 47% si exactement 2 jets

28 28/42 Production W(  e )bb 76 donnees à comparer à 72.6±20.0 provenant de la simulation W + 2 jets avec au moins l’un des jets étiquetés comme provenant de quark b

29 29/42 Production W(  e ) H(  bb) 6 événements observés, 4.4 ± 1.2 attendus Fenêtre de masse [85-135] GeV : 0 données 1.07 ± 0.26 bruit de fond attendus 0.049 ± 0.012 WH Etudes systématiques: SourceErreur(%) Calib. énergie des jets4 (WH) 7 (Wbb) Identification des jets6 Etiquetage11 Déclenchement et id. el5 Calib. énergie électron5 Total15 (WH) 16(Wbb) Simulations18 Limite sur la production à 95% C.L. de  (WH)B(H  bb)<9.0 pb pour M H =115GeV

30 30/42 Production W(  e )bb A partir de W+2b-jets, on étudie Wbb 6 événements observés, 2.7  0.7 attendus (non Wbb) + 1.7  0.4 Wbb Limite à 95% C.L. :  (Wbb) 20 GeV et  R( partons )>0.75 Probabilité(Bruit)=0.04 ; Probabilité(Signal+Bruit)=0.23 Le modèle standard sans Wbb est défavorisé au niveau de 2   augmente le signal Wbb en demandant que chaque jet soit étiqueté par les 3 algo.  25 GeV < M W < 125 GeV  2 événements sont observés, Evts attendus: 0.3±0.1 (Bruit de fond) +0.6±0.2 Wbb (Signal)

31 31/42 Vue du vertex du 2 eme candidat 3 vues de l’événement de plus grande masse invariante (m jj =220 GeV) des candidats Wbb (WH) masse invariante (m jj = 48GeV) E T miss b-jet e

32 32/42 Recherche du boson de Higgs à haute masse Échantillon de données Sélection des événements Simulation Cinématique des événements WW Limite σ(H  WW)

33 33/42 Donnees prises entre Avril 2002 et Septembre 2003 Sélection des événements : e/  isolés p T (e 1 ) > 12 GeV, p T (e 2 ) > 8 GeV p T (e/  1 ) > 12 GeV, p T (e/  2 ) > 8 GeV p T (  1 ) > 20 GeV, p T (  2 ) > 10 GeV Energie transverse manquante > 20 GeV (e e,e  ); 30 GeV (   ) Veto sur la résonance Z et sur les jets énergétiques Echantillon des donnees WW Recherche dans les états finaux e e, e ,   Luminosité: 180 (e e ), 160 (e ) et 150 (  ) pb -1 Sélection des runs : Les mauvais runs provenant des détecteurs CAL, SMT, CFT, ainsi que ceux de l’étude Jet/Met sont rejetés. Rejet des événements n’ayant pas d’information valide de luminosité.

34 34/42 Sélection des événements DéclenchementDéclenchement sur au moins une particule électromagnétique ou sur un muon Critères sur les électrons Fraction électromagnétique > 0.90 Isolation < 0.15 Forme de la gerbe HM8 < 50 Association d’un trace avec  R < 0.4 |  |<2.5 p T (e 1 /  ) > 12 GeV, p T (e 2 /  ) > 8 GeV Critère strictMaximum de vraisemblance de l’electron > 0.3 2 LeptonsAvec des charges opposées (Veto sur la masse du Z) provenant du même vertex Energie transverse manquante > 20 GeV (ee, e  ); 30 GeV (  ) et p T e + p T e  + MET >100 GeV or p T e + p T  + MET >90 GeV Critères sur les muonsMedium Muon (Nb de Hits dans les chambres à muons ) Association avec une trace centrale Somme des p T des traces dans un cone R=0.5 <2.5GeV Coupure sur le Timing pour rejeter les cosmics |  |<2.0 p T (  1 ) > 20 GeV, p T (  2 ) > 10 GeV Critère strictIsolation < 2.5 GeV

35 35/42 ProcessusGénérateurs Nombre d’événements dans ~170 pb -1 WW  e e Pythia25 WW eWW e Pythia50 WW  Pythia25 ZeeZee Pythia44200 Z  Pythia44200 Z  Pythia44200 tt  ll+jets m t =175 GeV Pythia33 WZ  e ee Pythia2 WZ  e  Pythia2 WZ   ee Pythia2 H  WW  ll M H = 160 GeV Pythia1 Simulation

36 36/42 H  WW ( * )  l + l - Bon accord entre les données et la simulation pour les différents états finaux et l’ensemble des variables étudiées. Dans le canal µ µ, la masse invariante (µ,µ) et l’énergie transverse manquante

37 37/42 La reconstruction de la masse du boson de Higgs n’est pas possible du fait de la présence des deux neutrinos. On utilise la corrélation de spin pour supprimer le bruit de fond.   (ll) variable est particulièrement utile Leptons du boson de Higgs ont tendance a être collinéaire H  WW ( * )  l + l - W+W+ e+e+ W-W- e-e- n Angle azimutal entre les leptons (après la présélection) Higgs de 160 GeV e µ µ e  ee <1.5  eµ <1.5  µµ <1.5

38 38/42 Nombre d’événement après sélections Dominant bruit de fond dans le canal e  H  WW ( * )  l + l - L’acceptance du signal est ~0.02–0.2 en fonction de la masse du boson de Higgs/état final WWW+jetsWZtt 2.51±0.050.34±0.020.11±0.010.13±0.01 e e   Observes225 Attendus2.7±0.43.1±0.35.3±0.6 Higgs de 160 GeV Section efficace x rapport de branchement exclu à 95% C.L.

39 39/42 Limites de DØ Les analyses WH et WW sont complementaires. L’analyse de CDF dans le canal WH a une meilleure limite parce qu’ils utilisent les 2 canaux (e et µ) DØ Preliminary

40 40/42 Comparaison avec l’etude de perspective du Tevatron Fenêtre de masse Analyse DØ WH  e bb [85,135] Etude de Perspective WH  e,  bb [100, 136] Analyse DØ H  WW M H =160 GeV Etude de Perspective H  WW M H =160 GeV Résolution sur la masse 14 +/- 1 %15% Signal (S)0.0490.130.270.25 Bruit de fond (B)1. 073.21. 070.66 Signal/  Bruit de fond 0.045 (0.064)0.0750.260.31 Signal/Bruit de fond0.0460.0410.250.38 L’analyse WH a un S/B comparable à l’étude de perspective. S/  B sont comparable à l’étude de perspective (si nous considérons le canal muon pour l’analyse WH). Dans l’analyse WH, il manque un facteur 2.6 dans le signal ou 1.6 dans la sensitivité  un facteur 2.6 dans la luminosité.

41 41/42 L’étude de perspective Statistical power only Systematics not included L’analyse WW est en accord avec l’étude de perspective. L’analyse WH manque un facteur ~2.6 que l’on peut réduire avec : Medium a loose étiquetage  1.5 (et plus avec une combinaison des algorithmes) Jet resolution  1.3 Phi-cracks  1.2 Il faut également considérer l’analyse en Muons, Taus Luminosité pour exclure le Higgs à 95% C.L. avec ces analyses Déjà un facteur 2.3 Nouvelle étude de CDF + DØ :

42 42/42 Conclusion Environs 170 pb -1 de données prises par DØ (2002-2003) ont été étudiées. La recherche du boson de Higgs a débute. Étiquetage des jets dans W+2-jets: 6 evts comparés à 4.4±1.2 Recherche du Higgs dans le canal WH :  Limite  (WH)B(H  bb) < 9.0 pb pour M H = 115 GeV à 95% C.L. (et entre 9.0 pb et 12 pb pour d’autres points de masse)  Limite sur  (Wbb) 20GeV et ΔR > 0.75)  Résultat est accepte pour la publication (hep-ex/0410062; Fermilab-Pub-04/288-E) Optimisation de la sélection Wbb  le modèle standard sans Wbb est défavorisé au niveau de 2  Recherche du Higgs dans le canal WW :  Limites  (H)B(H  WW) < 5.7 pb pour M H = 160 GeV à 95% C.L. (et entre 5.7 pb et 12 pb pour d’autres points de masse)  Résultat de la mesure de σ(WW) utilisant 250 pb -1 est soumis à la publication (hep-ex/0410066; Fermilab-Pub-04/293-E), l’analyse Higgs va attendre «l’update» 400pb -1 Ces résultats sont en accord avec l’étude de perspective du Tevatron. Luminosité pour Moriond est de 350-400 pb -1, des updates sont attendus.