ILC 実験でのヒッグス粒子 精密測定精度評価 第 67 回日本物理学会春季大会 2012 年 3 月 25 日 関西学院大学 日本歯科大学新潟 小野裕明 高エ研 宮本彰也 他 ILC 物理解析グループ 2012 年 3 月 25 日第 67 回 日本物理学会 1.

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1 ILC 実験でのヒッグス粒子 精密測定精度評価 第 67 回日本物理学会春季大会 2012 年 3 月 25 日 関西学院大学 日本歯科大学新潟 小野裕明 高エ研 宮本彰也 他 ILC 物理解析グループ 2012 年 3 月 25 日第 67 回 日本物理学会 1

2 国際リニアコライダー計画 (ILC) 2012 年 3 月 25 日第 67 回 日本物理学会 2 電子陽電子リニアコライダー (31 km) ILD 検出器 重心系エネルギー 500 GeV 1 TeV へのアップグレードを計画 LHC 実験のヒッグス粒子探索結果を受けて 250 GeV 程度からの開始も視野に  ヒッグスファクトリーの可能性 2 種類の検出器 (ILD, SiD) 日本グループは 主に ILD 検出器グループに参加 エネルギー分解能 ~27%/√E 細分割カロリメータ, 磁場 3.5 T PFA 粒子再構成に特化

3 ILC でのヒッグス粒子物理 2012 年 3 月 25 日第 67 回 日本物理学会 3 1. ヒッグス崩壊分岐比 ( 本講演 ) ZZH 結合定数, ffH 結合定数と関連 2. ヒッグス自己結合 (2 番目講演 ) HHH 結合定数 3. トップ湯川結合 (3 番目講演 ) ttH 結合定数 1. ヒッグス崩壊分岐比 ( 本講演 ) ZZH 結合定数, ffH 結合定数と関連 2. ヒッグス自己結合 (2 番目講演 ) HHH 結合定数 3. トップ湯川結合 (3 番目講演 ) ttH 結合定数 ヒッグス粒子 ( スピン 0 のゲージボソン ) 質量 : LHC 実験結果は軽い可能性を示 115< M h < 131 GeV (125 GeV 近辺 ?)  反跳質量解析により精度良く測定 スピンやパリティの測定  ヒッグスと 同定 湯川結合測定 : 質量生成機構の解明 120 GeV 130 GeV 140 GeV 反跳質量分布 ZH  X 反跳質量分布 ZH  X L=500fb -1 Mh=120 GeV RDR 2008 湯川結合 ZZ ZH

4 350 250 ffH all ZH ヒッグスの生成，崩壊分岐比 Nov. 05. 2011 本研究では以下を仮定してシミュレーション 重心系エネルギー Ecm=250 GeV ヒッグス質量 M H =120 GeV ビーム偏極 P(e+,e-)=(+30%, -80%) ルミノシティ L=250fb -1 ヒッグス粒子崩壊分岐比の測定精度評価を行う 本研究では以下を仮定してシミュレーション 重心系エネルギー Ecm=250 GeV ヒッグス質量 M H =120 GeV ビーム偏極 P(e+,e-)=(+30%, -80%) ルミノシティ L=250fb -1 ヒッグス粒子崩壊分岐比の測定精度評価を行う 生成断面積 崩壊分岐比 ( 標準模型 ) ILC physics WG general meeting4 Mh>140 GeV: WW に主に崩壊 Mh<140 GeV: bb に主に崩壊 H  ff 崩壊も精度良く測定可能  ffH 結合 Mh>140 GeV: WW に主に崩壊 Mh<140 GeV: bb に主に崩壊 H  ff 崩壊も精度良く測定可能  ffH 結合 Z 随伴生成 (ee  ZH) W/Z 対消滅 (ee  vv/eeH) ZZH 結合 WW/ZZH 結合

5 H  ハドロン崩壊 (2 ジェット ) 解析 2012 年 3 月 25 日第 67 回 日本物理学会 5 H H qqH llH 2 ジェット ４ジェット 2 レプトン +2 ジェット ジェットクラスタリング後バックグラウンド除去 Z の崩壊チャンネル毎に解析を分類, H  ハドロン崩壊 (2 ジェット ) フレバータグ情報を用いてテンプレートを作成 テンプレートフィッティングを用いて崩壊分岐比の測定精度を評価 Z H Z H Z H バックグラウンド WW/ZZ+qq バックグラウンド WW/ZZ+qq

6 テンプレートフィッティングでの 崩壊分岐比測定精度評価 Nov. 05. 2011ILC physics WG general meeting6 H  other SM BG H  bb H  cc H  gg b らしさ c らしさ テンプレートフィッティングを用いて崩壊分岐比の測定精度を評価する H  bb, cc, gg について 3 つのフレバーらしさ (b,c,bc) の 3 次元テンプレートを作成  *BR(H  s) 測定精度を r s をフィットパラメータとして評価 x 1,2 : 各ジェットフレバータグ出力 x らしさ = 3D テンプレートを 2D 表示 Data L=500fb -1

7 3 次元テンプレートフィッティング Nov. 05. 2011ILC physics WG general meeting7 フィットパラメータ r s :  *BR(H  s) と  SM *BR(H  s) SM の比 それぞれのビンについてポアソン統計を仮定して ToyMC を 行う 以下の Log likelihood 関数が最小になるようにフィッティングを行う  *BR(H  s) の標準理論からのばらつきを Toy MC で評価 1000 回の Toy MC を行い r s の測定精度を評価した s: bb, cc, gg, bkg bkg: SM BG+ その他

8 崩壊分岐比測定精度 評価結果 Nov. 05. 20118 vvHqqH  H eeHconbined r bb 1.00±0.01 6 1.00±0.01 5 1.00±0.03 1.00±0.01 r cc 1.00±0.12 1.01±0.240.98±0.281.00±0.08 r gg 0.99±0.141.00±0.131.00±0.210.99±0.351.00±0.09  BR(bb)/  SM 65.7±1.1%65.7±1.0%65.7±2.2% 65.7±2.6%65.7±0.7%  BR(cc) /  SM 3.59±0.43%3.61±0.44%3.63±0.85% 3.53±1.03 % 3.60±0.28 %  BR(gg) /  SM 5.46±0.76%5.48±0.76%5.49±1.14% 5.45±1.14 % 5.47±0.47 %  BR/  BR(bb) 3.0%2.9%4.2% 4.7%2.7%  BR/  BR(cc) 12.2%12.3%23.6% 29.3%8.1%  BR/  BR(gg) 14.2%14.1%20.9% 21.1%9.0% BR(bb)=65.7%, BR(cc)=3.6%, BR(gg)=5.5% (Pythia) ILC physics WG general meeting  BR/  BR(s) は 2.5% の  ZH 測定誤差を含む ( 反跳質量解析から )

9 H, H  WW* チャンネル解析 Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting9 1.4 ジェットクラスタリング 2.2 ジェット不変質量が W 質量 M W (On-shell W) 4 ジェット不変質量がヒッグス質量 M H になる組み合わせを選ぶ  2 が最小になる組み合わせを使用 H  WW*  4 ジェット 重心系エネルギー 250 GeV, Mh=120 GeV ルミノシティ L=250 fb -1, ビーム偏極 (e+, e-)=(-0.3, +0.8) 電子右巻き偏極を使用して e + e -  W + W - バックグラウンドを抑 制 H  WW*  4 ジェット 重心系エネルギー 250 GeV, Mh=120 GeV ルミノシティ L=250 fb -1, ビーム偏極 (e+, e-)=(-0.3, +0.8) 電子右巻き偏極を使用して e + e -  W + W - バックグラウンドを抑 制 Z W1W1 W2W2 ヒッグス質量 Mh=120 GeV の場合 片方の W は Off-shell になる 4 ジェット 終状態 H

10 W 1 b らしさ W 2 b らしさ H  WW* H  All w/o WW* H  WW*  4 ジェット イベント選択 Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting10 W  lv を含む W  4j H  WW* エネルギー分布 W 1, W 2 ジェットの b らしさ H  bb H  WW* b タグ情報を使用して H  bb イベント除去 b タグ情報を使用して H  bb イベント除去 x 1,2 : フレバータグの出力 2 ジェットイベントでの b らしさ (b タギング ) x らしさ =

11 H  WW* イベント再構成 Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting11 1.Evis < 120 GeV 2.110< ヒッグス質量 <130 3.70 < 質量欠損 < 140 GeV 4.W Y カット値 > 0.0005 5.|cos  h |<0.95 6. トラック最大エネルギー E trk < 30 GeV 7.W 1/2 b らしさ < 0.2 (H  bb 抑制 ) 8.2 ジェット b らしさ < 0.2 (H  bb 抑 制 ) 9.likelihood > 0.7 1. 質量欠損 2.cos  h 3.W ジェットクラスタリング Y カット値 4.On-shell W の b らしさ 5. 荷電トラック数 Likelihood 入力変数 カット条件 likelihood 出力 信号優位度が最大になる位置でカット  BR/BR(H  WW  4j)=13% H  WW*  4j H  All 再構成されたヒッグス質量分布

12 H  WW* を加えた崩壊分岐比精度評価 Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting12 質量 120 GeV130 GeV140 GeV 断面積  =354.3 fb  =279.9 fb  =203.1 fb 崩壊過程 BR  xBR  BR/BR BR  xBR  BR/BR BR  xBR  BR/BR ILD+SiDScaled H  bb66.5%235.63.8%51.2%143.333.0% 67.17.0% H  cc2.9%10.48.3%2.3%6.31.5%3.012.5% H  gg8.2%29.210.6%7.5%21.05.7%11.516.8% H  WW*13.6%48.313.4%29.4%82.47%49.2%99.810.9%  ZH はそれぞれ ILD (2.5%), SiD (4.7%) 重心系エネルギー Ecm=250 GeV ルミノシティ L=250fb -1 ビーム偏極 P(e+,e-)=(+0.3, -0.8), H  WW* では P(-0.3, +0.8) 重心系エネルギー Ecm=250 GeV ルミノシティ L=250fb -1 ビーム偏極 P(e+,e-)=(+0.3, -0.8), H  WW* では P(-0.3, +0.8)

13 軽いヒッグス質量領域における 崩壊分岐比測定精度 重心系エネルギー 250 GeV, L=250 fb -1 偏極ビーム (e +,e - )=(+30%, -80%), (-30%, +80%) (H  WW*) 重心系エネルギー 250 GeV, L=250 fb -1 偏極ビーム (e +,e - )=(+30%, -80%), (-30%, +80%) (H  WW*) Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting13 標準理論からのずれ を精密に測定すること で 標準理論を越える物理 に 対する知見を与える Mh=120GeV の結果を σxBR を考慮してスケール 質量毎の検出効率の 違いは考慮していない 115< Mh < 140 GeV 領域 H  WW, ff などで 高い測定精度

14 まとめと今後 2012 年 3 月 25 日第 67 回 日本物理学会 14 ヒッグス粒子崩壊分岐比測定精度について評価を行った。 H  bb (3%), H  cc (8%), H  gg (9%), H  WW* (13%) ヒッグス粒子崩壊分岐比測定精度について評価を行った。 H  bb (3%), H  cc (8%), H  gg (9%), H  WW* (13%) H  WW*  lvqq, H   析を  加 崩壊分岐比の小さなチャンネルについて解析を行う H  , Z , ZZ LHC で発見が期待されているヒッグス質量について フルシミュレーションでの評価を行う ILC の 1 TeV における詳細ベースライン設計書 (DBD) の ベンチマーク物理解析 (vvH @1 TeV) を完了させる 今後の解析

15 Backup Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting15

16 llH レプトン同定 Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting16 電子 / ミュー粒子同定 1. ジェットらしくない高エネルギーレプ トン 1.coneE < 20 GeV (10 o ) 2.10<E PFO <90GeV (160 @350GeV) 2. カロリメータのエネルギー情報 レプトン候補が 2 つ以上の場合 2 レプトン不変質量が Z 質量に近い候補を選 ぶ  -ID 10 160 350 GeV e-ID 90 E PFO 250 GeV 効率電子 μ 粒子 250 GeV 93.3%95.7% 350 GeV 93.1%96.7% eeH カロリメータエネルギー 10

17 2 レプトン不変質量分布 Require MuID >= 2 2 レプトン不変質量 (Mz) 2 レプトン不変質量 v.s. 反跳質量 ZZ BG Mh=120~140 GeV llqq Low E muon 80 < M ll < 100 GeV M ll (GeV)

18 ヒッグス粒子不変質量分布 Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting18  h @250 GeV, L=250fb -1 ビーム偏極 (e+,e-)=(+30%, -80%) Mh=120, 130, 140 GeV  h @250 GeV, L=250fb -1 ビーム偏極 (e+,e-)=(+30%, -80%) Mh=120, 130, 140 GeV 1.2 ミュー粒子同定 1.CAL 内一定エネルギー損失 2. 孤立高エネルギーレプトン 2.80 < M ll < 100 GeV (2 レプトン不変質量 ) Mh=120, 130, 140 GeV フルシミュレーション (ILD_00) BG: vlqq, llqq 120 GeV 130 GeV 140 GeV

19 BR measurement in light mass region 2011. Dec. 21ILD Analysis Meeting19 Mh (GeV) 120130140 bb66.5%51.2%33.0% WW13.6%29.4%49.2% HPROD w/o pol. Higgs BR at low mass region Mh=120 GeV Mh=140 GeV Main decay channel: H  bb to H  WW LOI BG samples are re-usable at the Ecm of 250 GeV LOI BG samples are re-usable at the Ecm of 250 GeV Mh=130 GeV Production cross section HDECAY H  WW at Mh=120~140 GeV is also interesting in this situation

20 バックグラウンド除去結果 (Mh=120 GeV) Gen Rec Mh MissM Y- cos w- blike b- like(2j) Etrk LR vvww 4j678 611604603579564548536367 vvww14861408638632629604589573561372 vvbb7101 4628458540013816662300293128 ZH all10634103966255619454635219198815921553915 nlqq298103 3418616975 1413 2124101198611746111141060 nnqq63649 2382233418901712140013541290230 llqq33575633575355022611227891361257153568 nnll10807458504624955539080 700 qqqq378726 5291721701811992 llll75396475215716913683621594714474323630 SM all 193827 0 188689 06576134481 2071 9156031453514191133801361 Sig.0.49 2.283.003.734.014.394.364.397.70 Dec. 16. 2011ILC physics and software meeting20 Signal significance: 7.7 for H  WW*  4j

21 バックグラウンド除去結果 (Mh=130 GeV) Gen Rec Mh MissM Y- cos w- blike b- like(2j) Etrk LR vvww 4j1345 1219120312021146112411091085535 vvww291827671245123012281171114911341109537 vvbb4774 305630202597247452226725947 ZH all941391295175511145764360231920371985807 nlqq298103 3668315929 1301 411550111711093210272283 nnqq63649 153015091199110290887282649 llqq335756335753645728742473110474068864528 nnll1080745850457234772766968 590 qqqq378726 665197194261413123 llll75396475215720317793525386245905774763 SM all 193827 0 188689 07137633216 1949 414475134911315012291366 Sig.0.960.984.406.157.758.358.949.009.0815.62 Dec. 16. 2011ILC physics and software meeting21 Signal significance: 15.6 for H  WW*  4j Obtain more signal events compare to the Mh=120 GeV from the larger BR of H  WW*

22 H  WW* を加えた崩壊分岐比精度評価 Jan. 28. 2012ILC physics WG general meeting22 質量 120 GeV130 GeV140 GeV 断面積  =354.3 fb  =279.9 fb  =203.1 fb 崩壊過程 BR  xBR  BR/BR BR  xBR  BR/BR BR  xBR  BR/BR ILD+SiDScaled H  bb 66.5%235.63.8%51.2%143.333.0% 67.17.0% H  cc 2.9%10.48.3%2.3%6.31.5%3.012.5% H  gg 8.2%29.210.6%7.5%21.05.7%11.516.8% H  WW* 13.6%48.313.4%29.4%82.47%49.2%99.810.9% H   6.8%24.15.3%14.93.5%7.1 H  ZZ* 1.5%5.33.9%10.86.7%13.6 H   0.2%0.70.2%0.60.2%0.5 HZHZ 0.1%0.40.2%0.50.2%0.6  ZH uncertainty is also included for ILD (2.5%) and SiD (4.7%) Ecm=250 GeV and L=250fb -1, P(e+,e-)=(+0.3, -0.8) or (-0.3, +0.8) by HDECAY

23  粒  生成  ×BR 重心系エネルギー 250 GeV での質量毎の生成断面積 × 崩壊分岐比 ビーム偏極 : (e+,e-)=(+30%, -80%) 生成  (fb), whizard  xBR(H  xx) (fb) ヒッグス質量 120 GeV での測定精度を他の質量にスケー ル ビーム偏極 (e+,e-)=(+30%, -80%) 2011. Dec. 21ILD Analysis Meeting23 質量毎の検出効率の違いは 考慮に入れていない 崩壊分岐比は HDECAY で計算

24 2012 年 3 月 25 日第 67 回 日本物理学会 24 RDR や LOI での解析結果 しきい値測定 -  スピン 角分布測定  パリティ