兼田 充 （東京大学 素粒子物理国際研究センター） 2006年夏の学校 08/AUG/2006

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1 兼田 充 （東京大学 素粒子物理国際研究センター） 2006年夏の学校 08/AUG/2006
LHC・ATLAS実験における物理解析 兼田　充 （東京大学　素粒子物理国際研究センター） 2006年夏の学校 08/AUG/2006 08/AUG/2006 M. Kaneda

2 Outline LHC・ATLAS実験で期待される物理 Higgs粒子の探索、詳細測定 Black Holeの探索
VBF H->WW->lvjjチャンネル 発見とＣＰの測定 Black Holeの探索 階層性問題 Black Holeの生成、崩壊 発見方法 08/AUG/2006 M. Kaneda

3 LHC・ATLAS実験 LHC：2007年開始予定??? 重心系エネルギー 14 TeV 陽子-陽子衝突型加速器 ATLAS検出器
　　　陽子-陽子衝突型加速器 ATLAS検出器 08/AUG/2006 M. Kaneda

4 理論が予測する全領域で(標準理論)Higgs粒子の発見
LHC・ATLAS実験で期待される物理 理論が予測する全領域で(標準理論)Higgs粒子の発見 質量の起源の解明、20世紀の宿題 超対称性粒子の発見 力の大統一 Black Holeの発見 余剰次元の存在、階層性問題の解決 など。 08/AUG/2006 M. Kaneda

5 Higgs 08/AUG/2006 M. Kaneda

6 Higgs粒子の生成過程:VBF process
gluon fusion の次に大きなcross sectionを持つ W,Zの重たい粒子を交換するので前方に High Pt の forward jets が２本存在し、それらの間には大きな rapidity gapがある Decay productsがこのrapidity gap内にある 散乱粒子間にカラーの交換が無いためこのrapidity gap内（検出器中央）にはjetが少ない qq->qqH f forward jets h Decay products Higgs粒子の生成断面積 forward jets q H W/Z q VBF process 08/AUG/2006 M. Kaneda

7 Higgs粒子の崩壊過程:H->WW->lvjj
q(forward jet) WW q e, m n W W/Z H q q(central jet) W q(central jet) q(forward jet) MH(GeV) ヒッグスの崩壊率 ヒッグスの質量が140GeV以上でWWへの崩壊が非常に大きい。 この崩壊過程ではneutrinoが一つしか存在しないので値を解くことが出来る。従って事象を完全に再構成できるので、H->ZZ->4l、H->gg、H->tt、と並ぶ重要なチャンネルである。 Higgsの性質を決定するのに重要 08/AUG/2006 M. Kaneda

8 各生成崩壊過程のSignal Significance
08/AUG/2006 M. Kaneda

9 CP properties of Higgs couplings
今発表ではHVV coupling: Spin 0のHiggs場と二つのVector Bosonsのcouplingを考える SM at tree level (CP Even): gauge invariant dimension における higher order : 5次までは無し 6次:: CP Even: CP Odd: -> q1、q2をvector bosonsの運動量とするとHVV vertexは次の様に書ける SM at tree level CP Even CP Odd 08/AUG/2006 M. Kaneda

10 MC Samples Signal:VBF H -> WW -> lvjj( l = e,m) (MH =110GeV-500GeV) SM(Pythia) SM(MadGraph) 　for cross check (pythiaと比較し、同じ分布を得た) CP Even(MadGraph) CP Odd(MadGraph) (これら、anomalous couplingsのsignalの 　　total cross sectionsはSMのものと同じに 　　なる様に補正した) Background: W+4jets(Alpgen + Pythia) ttbar (Pythia) . q q(forward jet) q(central jet) e, m n H W W/Z change these couplings 08/AUG/2006 M. Kaneda

11 Determination of Higgs property
Rとbという量を用いる.(decay productsの角度分布に関する量) ->next slides Coupling がSMのものと仮定しCP Even, CP Oddがleading orderになるようなcouplingのexcludeの可能性を見る。 まず、SMのsignalを二つに分け、片方を用いて、R,bの量を測るときのselectionによる効果等を補正するためのcollection functionを作る。 そのcollection functionを用いて高統計のCP Even, CP Oddのsamplesも補正してのpredictされた値を求める。 最後にSMのsignalの30fb-1で得られる値をsimulationし、anomalous couplingsのexcludeの可能性を見る。 08/AUG/2006 M. Kaneda

12 Parameters Sensitive to the Higgs property
Direction of motion of the child in the V rest frame f f q1 f V(W) V(W) q2 f f The Higgs decay point The Higgs rest frame f:: ヒッグス粒子の静止系において、二つのW粒子から崩壊した 　　それぞれ2つのフェルミオンが作る平面の間の角度。 q:: W粒子の静止系におけるフェルミオンの運動量の方向と、 ヒッグス粒子の静止系におけるW粒子の運動量の方向間の角度。 08/AUG/2006 M. Kaneda

13 Predicted value of b and R (by MadGraph)
G(q) = T.(1 + cos2(q)) + L.sin2(q) F (f) = C(1 + bcos2f) R := (L – T ) / (L + T) b R MH(GeV) MH(GeV) 08/AUG/2006 M. Kaneda

14 Event Selection (Trigger Cut)
Only one lepton is required lepton’s efficiency:90% electron:PT > 25GeV,,|h|<2.5, muon:PT> 20GeV, |h|<2.5 Number of leptons = 1 Forward jets and Central jets PT >20GeV, |h|<5.0 Number of b-jets = 0 Choose four highest PT jets Forward jets Two outer jets in pseudo rapidity. Pt > 40GeV Mj1j2 > 1200GeV, | h1 - h2 | >5 Central jets Two remaining jets Central Jet Veto : PT > 20GeV, hfj1 < h < hfj2 q q(forward jet) q(central jet) e, m n H W W/Z 08/AUG/2006 M. Kaneda

15 PT Cut of Lepton, Neutrino and Central jets
Decay Particles from W(->lv) mH <160GeV 160<=mH <200GeV mH >=200GeV PT (PTl and ET) > mH/8 + 5GeV > mH/ GeV Higher PT Cut > mH/4 + 10GeV > mH/ GeV Decay Particles from W(->jj) PT(cj1,cj2) > 20GeV >mH/ GeV MH=400GeV MH=170GeV Higher PT(lv) (GeV) Higher PT(lv) (GeV) 08/AUG/2006 M. Kaneda

16 Isolation of Lepton and Central jets from Forward jets
hfj1 < hlepton < hfj2 DR (lepton – fj1,fj2) > 2 Central Jet DR (cj1,cj2 - fj1,fj2) > 1.5 MH=170GeV DR (l ,fj) MH=170GeV DR (cj,,fj) 08/AUG/2006 M. Kaneda

17 Mjj (Mass of W->jj) Cut
mH <160GeV mH >=160GeV 60 – (160 - mH)GeV < Mjj < 90GeV 60GeV < Mjj < 90GeV MH=140GeV MH=170GeV Mjj(GeV) Mjj(GeV) 08/AUG/2006 M. Kaneda

18 Higgs Mass Constraint Missing ET n q(central jet) nの運動量のlongitudinal成分(Evz)を求めるためにHiggsの質量でconstraintする。 もし、解けないなら、そのeventは落とす。 q(central jet) Unknown Evz W(ln) W(jj) e,m H Higgs Mass (mH) Constraint MH(GeV) 140 170 250 400 Signal BG Before Higgs Mass Constraint (fb) 1.38 26.3 3.06 10.1 1.85 3.71 3.23 1.19 After Higgs Mass Constraint (fb) 0.95 0.43 2.17 0.42 1.20 0.62 1.92 0.67 08/AUG/2006 M. Kaneda

19 Mlv (Mass of W->jj) Cut
Reconstructed mass of W->lv should be Mlv < 110GeV MH=140GeV MH=170GeV Mlv Mlv MH=400GeV MH=250GeV Mlv Mlv 08/AUG/2006 M. Kaneda

20 Expected cross sections after selections
MH(GeV) Signal(fb) W+4jets(fb) ttbar(fb) 140 0.86 0.35 0.04 170 1.95 0.03 250 0.88 0.29 400 1.11 0.12 08/AUG/2006 M. Kaneda

21 Discovery Significance
Max Significance (Poisson ) MH(GeV) 08/AUG/2006 M. Kaneda

22 Correction functions for MH=170GeV
No cut and no smearing After smearing and all selections f f Correction function for f cosq cosq Correction function for cosq 08/AUG/2006 M. Kaneda

23 Applying correction function (MH=170GeV,30fb-1)
SM SM CP Even CP Even CP Odd CP Odd cosq f 08/AUG/2006 M. Kaneda

24 Result of R with 30fb-1 08/AUG/2006 M. Kaneda

25 Result of b with 30fb-1 08/AUG/2006 M. Kaneda

26 Summary for Higgs LHC・ATLAS実験において、VBF H->WW->lvjj過程は発見チャンネルとしても非常に有望である。 質量140GeV以上のHiggsに対して広い領域で10fb-1だけでもsignificance 5s 以上持つ。 この過程では事象を完全に再現できるため、Higgsからの崩壊粒子の角度分布を用いて性質を測定することが可能である。 特にHiggsの質量が大きい部分(MH>200GeV)では30fb-1のデータでHVV couplingのリーディング項を決めることが出来る。 さらに高いluminosityを用いればこの解析はMH＜200GeVの場合でもHiggsのcouplingに関してsensitiveなものになる。 08/AUG/2006 M. Kaneda

27 Black Hole 08/AUG/2006 M. Kaneda

28 階層性問題 階層性問題(The hierarchy problem) 16桁も違う！
electroweak symmetry breaking scale MEW ~1TeV the Plank scale MPl =1/sqrt(GN) ~ 1.22x1016TeV (GN is Newton’s coupling constant) これらを合わせるためには(MEW/MPl)2~10-32の”fine tuning”が必要 よくある例え:ペンをその先の一点で立てるようなこと 余剰次元があれば…Gauss’s lowより MPl2 = 8pMPn+2 Rn (MP is the fundamental (4+n)-dimentional Plank scale, R is size of compactified dimensions ) つまり実際はMP~1TeV程度のPlank scaleが余剰次元のせいで大きく見える（力が小さく見える）と考えることが出来る。 MP~1TeVではn=1でR~1013cm(太陽系の大きさ程度)<-この様なscaleでは観測事実としてない n=2でR~1mm, n=3でR~1nm <-この程度のscaleでは重力を十分に観測出来ていないので、否定されていない！ 16桁も違う！ 08/AUG/2006 M. Kaneda

29 Black Holeの生成 = MBHの粒子の衝突を考える。
impact parameter (d)がSchwarzschild半径(RS)より小さい場合、BHは生成される d: impact parameter RS: Schwarzschild radius MP: (4+n)-dim. Plank scale n: extra dimensions LHCでは… a and b are partons in protons and fi(x) are the parton distribution function (PDFs) 08/AUG/2006 M. Kaneda

30 Black Holeの生成(2) 各parametersにおける生成断面積 Mass distribution
Both graphs are made with original Black Hole Generator of Tokyo Group 08/AUG/2006 M. Kaneda

31 Black Holeの崩壊 崩壊は主に３段階に分かれる
The balding phase: the “hair” (asymmetry and moments due to the violent production process) is lost. A Hawking evaporation phase: a brief spin-down phase during which angular momentum is shed from a Kerr Black Hole, then a longer Schwarzschild phase. A Planck phase: at the end of the decay when the mass and /or the Hawking temperature (TH) approach the Planck scale. ->Remnant?? 08/AUG/2006 M. Kaneda

32 Black Holeの崩壊(2) 崩壊物が量子量を保存する様に崩壊させる。
余剰次元(bulk)に崩壊する（gravitonが行ってしまう）ことも考えられるが、ほとんどが4次元(brane)にSM粒子として崩壊する。(q/g:l:n:g/Z/W:H(light)~75:10:5:5:1) decay spectrum Time evolution of Black Hole MBH~MPでは理論的不定性が大きい MBH>>MPの場合だけ取り扱い、MBH~MPまで崩壊させたら、単に二体に崩壊させるなどする。 s: spin of polarization l, m: angular momentum quantum numbers -/+1: -1 for bosons, and +1 for fermions G: grey-factor (modify the spectrum) 08/AUG/2006 M. Kaneda

33 Black Hole Event High-multiplicity
easy to trigger and make possible to select pure samples *)It takes 50min/event for full simulation of Black Hole. 08/AUG/2006 M. Kaneda

34 Samples Signal Backgrounds Generated with Charybdis with Jimmy
Simulated with ATHENA ATLFAST MP=1TeV, Total N of dimensions = 6 5TeV<MBH<14TeV (1TeV<MBH<10TeV) Backgrounds Generated with ALPGEN 1.33 and processed with PYTHIA 6.2 For ME-parton shower matching, MLM method is used. Simulated with ATHENA ATLFAST 9.04 Multi jets(>=4) Z(->ll,nn) + jets W(->ln) + jets tt + jets 08/AUG/2006 M. Kaneda

35 Selection Criteria At least 4 particles should have E > 300GeV
at least 1 particle should be either e or g Event shape parameter R2 < 0.8 (R2 -> 0:Spherical event) For a precise calculation of MBH missing ET < 100GeV For reconstructing MBH, following qualities are required PT > 30GeV for e, m PT > 50GeV for g, jet 08/AUG/2006 M. Kaneda

36 Trigger of Black Hole Higher level trigger menu of low luminosity for e, g, m ,and jets Trigger menu Electron e25i,2e15i Photon g60,2g20i Muon m20i,2m10 Jets j400,3j165,4j110 ratio ratio ratio Electron Photon Muon Number of e Number of g Number of m 50.8% of events pass at least of one of e, g and m trigger menus. 08/AUG/2006 M. Kaneda

37 Jet Trigger of Black Hole
ratio ratio 400GeV GeV Number of jets PT distribution of highest PT jet in BH (MBH>5TeV) events Number of jets which have lager PT than each threshold 99.9% of events pass if we use jet trigger menu jet trigger is important for Black Hole. 08/AUG/2006 M. Kaneda

38 Number of remaining events after selections with 1fb-1
results with Charybdis and ALPGEN BH(1TeV <MBH <10TeV) 2.76*105 BH(5TeV <MBH <14TeV) 2.63*103 Backgrounds MBH > 1TeV MBH > 5TeV 4jets 1.45*102 Z+jets 1.68*102 2.26 W+jets 3.41*102 4.79 tt+jets 1.20*102 0.62 gq to do Black Hole was estimated with Charybdis (MP = 1TeV, Total N of dimensions = 6) Backgrounds were estimated with ALPGEN 08/AUG/2006 M. Kaneda

39 Distribution of Reconstructed MBH with 1fb-1
Black Hole Signal (5TeV < MBH < 14TeV) Sum of Backgrounds GeV Contribution of backgrounds to the signal region (MBH>5TeV) is very small. 08/AUG/2006 M. Kaneda

40 Summary for Black Hole 左のグラフは以前東京Groupが出した結果 (Original Generator使用 )
100pb-1は~1dayのデータ量相当 ->HiggsやSUSYに先駆けて、最も早い Discoveryものである！ 08/AUG/2006 M. Kaneda

41 I am also working on invisible particle (from positronium) search.
最近やっていること working on LHC ATLAS Study of Black Hole Backgrounds Measurement of MBH, TH, n Study of High Pt Muon Study of High Pt Jet (calibration) I am also working on invisible particle (from positronium) search. 08/AUG/2006 M. Kaneda

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