Untersuchung des Entdeckungspotentials für ein leichtes Higgs Boson im. Detektor am LHC

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1 Bad Honnef, Untersuchung des Entdeckungspotentials für ein leichtes Higgs Boson im CPX Szenario des MSSM mit dem ATLAS Detektor am LHC (Universität Bonn)

2 Inhalt Theorie: Supersymmetrie und MSSM Suche: LEP-Ergebnisse und ATLAS-Studien Signalprozess und Untergrund Ereignisselektion und Rekonstruktion Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick

3 MSSM Theorie: Minimales Supersymmetrisches Standardmodell Erweiterung des Standardmodells Benötigt 2 Higgs Dubletts H1 und H2 2 Dubletts 8 Freiheitsgrade 3 (Masse von W±,Z) + 5 (Higgs Bosonen) 2 geladen: 3 ungeladen: H± H0,h0 (CP=1), A0 (CP= 1) Auf Born Niveau: Higgs Sektor vollständig festgelegt durch 2 Parameter: v2 mit H 1 = v1, H 2 = 0 tan = v2 v1 0 Eine Masse, Standardwahl: m A 0

4 CPV MSSM Theorie: MSSM Higgs Sektor CP erhaltend auf Born Niveau Berücksichtigung von CP Verletzung in MSSM mӧglich durch Schleifenkorrekturen! Einführung analog zu CKM Mechanismus in SM über nicht wegzudefinierende Phasen CP Eigenzustände h0, H0 und A0 keine Masseneigenzustände mehr! u11 u12 u13 H1 h0 H 2 = u 21 u 22 u 23 H 0 u 31 u32 u 33 H3 A0 h0, H0 und A0 mischen zu Massen eigenzuständen H1, H2 und H3 mit m H m H m H 1 2 3

5 CPX-Szenario Theorie: Nicht wegdefinierbare Phasen für: At, Ab und Mischung von CP geraden und ungeraden Higgs CP Verletzung u11 u12 u13 H1 h0 H 2 = u 21 u 22 u 23 H 0 u 31 u 32 u 33 H3 A0 ~ sin( CP) At /msusy mit CP arg(at ) CP Verletzung groß, falls sin( CP) At /msusy groß CPX Szenario: Parameter s.d. CP Verletzung maximal, insbesondere CP = 90º Variation von tan( ) und mh+ ma0 nicht mehr definiert!

6 Theorie: Warum CPV? i.a. Parameter im MSSM komplex CPV Phasen Baryogenese: Sacharow Bedingungen Nichterhaltung der Baryonenzahl Kein Thermodynamisches Gleichgewicht Verletzung der CP Symmetrie SM: CP Verletzung nur durch CKM Matrix CP Verletzung nicht groß genug CPX MSSM: Neue Quellen von CPV CP Verletzung groß genug

7 LEP-Ergebnisse Suche: Keine untere Massengrenze für H1 durch LEP bei tan( ) 5!!!! MSSM CPX mt = 174,3 GeV Ausgeschlossen mit 99,7% Vertrauensniveau Ausgeschlossen mit 95,0% Vertrauensniveau nicht sensitiv Theoretisch nicht möglich!

8 Bisheriges Entdeckungspotential bei ATLAS Suche: Integrierte Luminosität = 300 fb 1 m H 70 GeV, 105 GeV m H 120 GeV, 140 GeV m H 180 GeV Beachte: mh+ < mt

9 Produktionsprozesse Signalprozess: mh + < mt mh < 70 GeV 1 Zudem: gh1tt klein gh VV klein 1 Übliche Kanäle am LHC spielen keine Rolle

10 Zusammenfassung Signalprozess: In CPX MSSM gilt: gh2ivv + gh2 ih+w = 1 d.h. für gh1vv klein gh1h+w groß Zusammenfassung: Keine untere Massengrenze für H1 von LEP Übliche Kanäle am LHC spielen keine Rolle Starke Kopplung von H+ an H1 über W Masse von H+ kleiner als mt

11 Signatur Signalprozess: pp t t X mh + < m t BR 1% gh2 1H+W groß b H+ b W H1 W+ bb l d.h. pp (bbbb)(l )(jj)x jj BR 91% miss p 4 b Jets, 2 leichte Jets, hartes Lepton, T Lepton notwendig für Trigger In betrachtetem Parameterbereich dominierender Prozess für Entdeckung von H1 und H+

12 Wirkungsquerschnitt Signalprozess: mh (Signal) theoretisch ausgeschlossen 1 theoretisch ausgeschlossen z.b.: mh+ = 135 GeV mh = 54 GeV = 1,3 pb N = für 30 fb 1 1

13 Signatur Signalprozess: b Jets müssen als solche erkannt werden b tagging B Effizienz für Id. von b Jet = 50% Zusätzliche leichte Jets Welche Jets gehören zu welchem Teilchen? ptmiss= pt p z nicht messbar

14 ttjj, ttbb Untergrund: tt + Jets: Leichte Flavours dominieren Irreduzibel Reduzibel b tagging 490 pb ttbb (EW): 4,2 pb d.h. gg Z/ /W ttbb Rekonstruktion der Top Massen notwendig Irreduzibel 0,6 pb

15 Vorselektion Rekonstruktion: Schnitte: Entweder 1 Elektron oder 1 Myon l pt 20 GeV Trigger miss Neutrino pt 20 GeV mindestens 4 b tagged Jets mit pt 20 GeV mindestens 2 non b tagged Jets mit pt 20 GeV Ereignisse kompatibel mit Topologie von Signal

16 Strategie Rekonstruktion: Im Untergrund: Zwei b tagged Jets nicht aus Top Unterdrückung des Untergrundes durch Rekonstruktion der Top Massen Schnitt: m t m bjj 25 GeV und m t m bbbl 25 GeV Zuweisung der Jets/Lepton notwendig!! p z nicht messbar!

17 Neutrino-Impuls Rekonstruktion: miss 1.) pt = pt 2.) Berechnung von p z über! pl p 2 = E E l 2 ptmiss ptl 2 p z plz 2 =m W2 Forderung: > 0 Lösungen für p z Praktisch immer 2 Lsg.

18 Rekonstruktion von W jj Rekonstruktion: Erstelle Liste von non b tagged Jetpaaren mit mjj mw < 25 GeV Forderung: > 0 Paare

19 Top-Quarks Rekonstruktion: Vorhanden: 4 b tagged Jets 1 jj Paare 2 Lgs. für p z 1 Elektron oder 1 Myon Finde Kombination für: a.) t1 b l und t2 b bb jj W b.) H1 W H+ t1 b jj und t2 b bb l welche = (mt mt1)2 + (mt mt2)2 minimiert!

20 Top-Quarks Rekonstruktion: Aber: t2 b b b jj Zuordnung der b tagged Jets nicht eindeutig! 3 Möglichkeiten! t2 b b b H1 jj t2 b b b jj H1 t2 b b b jj H1 Ergeben alle dieselbe Top Masse

21 Kombinatorik Rekonstruktion: Finde Kombination für: a.) t1 b l und t2 b bb jj W b.) n Kombi =23 H1 W H+ t1 b jj und t2 b bb l Im Mittel insgesamt 46 mögliche Kombinationen! Dreifache Mehrdeutigkeit bleibt!

22 Rekonstruktion: Rekonstruierte Massen t H + b t W b Signal: Schnitt auf Massen! + t H b t W b ttbb:

23 Higgs-Massen (Vor Schnitt) Rekonstruktion: 3 Einträge pro Ereignis mh = 54 GeV 1 3 Einträge pro Ereignis mh+ = 135 GeV Signal: ttbb:

24 -1 Ergebnisse für 30fb Rekonstruktion: 3 Einträge pro Ereignis ttjj B S Signal ttbb , nach Vorselektion nach Top Schnitt ,6 vor Schnitten mh+ = 135 GeV mh = 54 GeV = 1,3 pb 3 Einträge pro Ereignis 1

25 -1 Ergebnisse für 30fb Rekonstruktion: 3 Einträge pro Ereignis 3 Einträge pro Ereignis S Signifikanz: =11 B mh+ = 135 GeV mh = 54 GeV = 1,3 pb Rekonstruktion für ganze Parameterebene Entdeckungspotential für Higgs Bosonen 1 Dreifache Mehrdeutigkeit in Higgs Masse

26 Likelihood-Selektion Rekonstruktion: Zuordnung der b tagged Jets nicht eindeutig! 3 Möglichkeiten! t2 b b b H1 jj t2 b b b H1 jj t2 b b b H1 jj Eine ist richtig Zwei sind falsch Voraussetzung: Die drei b tagged Jets stammen aus dem Top Quark (74%)

27 Rekonstruktion: Likelihood-Selektion Falsch Richtig Suche trennkräftige Variablen z.b.: pt von b tagged Jet der nicht dem H1 zugeordnet wird

28 Rekonstruktion: Likelihood-Selektion Suche viele solcher Variablen Kombiniere Information aller Variablen in Likelihood L L ist Maß für Richtigkeit einer Kombination Falsch Richtig

29 Likelihood-Selektion Rekonstruktion: Jede Kombination ergibt einen Wert für L t2 b b b H1 jj L1 t2 b b b H1 jj L2 t2 b b b H1 jj L3 Wähle Kombination mit maximaler Likelihood LMAX z.b. L3 L3 besitzt größte Wahrscheinlichkeit richtig zu sein!

30 Likelihood-Selektion Rekonstruktion: Ergebnis: Sind beide b Jets aus H1 unter den b Jets in t2 b b b qq dann werden sie in 68% der Fälle auch dem H1 zugewiesen Für zufällige Wahl der Kombination geschieht dies nur in 33% der Fälle!

31 -1 Likelihood-Selektion bei 30fb Rekonstruktion: 3 Einträge pro Ereignis Nach Likelihood Selektion (LMAX) 3 Einträge pro Ereignis Nach Likelihood Selektion (LMAX) mh+ = 135 GeV mh = 54 GeV = 1,3 pb 1

32 Likelihood-Selektion Rekonstruktion: 106 Ereignisse vor Schnitten 106 Ereignisse vor Schnitten Nur Signal Nur Signal : Summe über drei Kombinationen L(MAX): Nur Kombination mit maximalem L B.R.: (b Jets richtig) Nur Ereignisse mit richtig zugewiesenen b Jets A.R.: (Alles richtig) Nur Ereignisse mit richtig zugewiesenen b Jets, leichten Jets und Neutrino Lösungen

33 -1 Likelihood-Selektion bei 100fb Rekonstruktion: Nutze Likelihood zur Unterdrückung des Untergrundes: LCUT Schnitt auf LMAX bei LCUT Optimaler Wert bei LCUT=0,6

34 Ergebnisse: Parameterebene Erinnerung: Vorgehensweise: Wende Rekonstruktion auf möglichst viele Punkte in Parameterebene an Bestimme Signifikanz in Abhängkeit von tan und mh + Bisher durchgeführt für 30fb 1 mit und ohne Schnitt auf LMAX, in beiden Fällen kein Schnitt auf Higgs Massen

35 -1 Entdeckungspotential für 30fb Ergebnisse: Rekonstruktion an 150 Punkten 300 fb 1 theoretisch ausgeschlossen Kein Schnitt auf LMAX!

36 -1 Entdeckungspotential für 30fb Ergebnisse: Rekonstruktion an 150 Punkten theoretisch ausgeschlossen Kein Schnitt auf LMAX! 300 fb 1 S 5 B Mit Schnitt auf LMAX > LCUT = 0,6 Keine Verbesserung

37 Ausblick Studie für verschiedene Effizienzen der Identifikation von b Jets Schnitt auf Higgs Massen: Erste Ergebnisse: Keine Verbesserung der Signifikanz Abschätzung des Untergrundes aus Daten möglich? Genauer Vergleich mit Loch

38 Zusammenfassung CPV MSSM: Neue Quellen von CP Verletzung für Baryogenese LEP: Keine untere Grenze für m(h1) LHC: Bisher keine Studien für m(h1) < 70 GeV, Standardkanäle insensitiv Untersuchter Prozess: pp ttx (bw)(bh±)x (bl )(bh1w)x (bl )(bbb)(jj)x Selektion: b tagging gegen ttjj Rekonstruktion der Top Massen gegen ttbb H1 >bb Ambiguität Likelihood Selektion Studie schließt Loch im LHC Entdeckungspotential

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