Studie zum Entdeckungspotenzial eines Higgsbosons aus
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VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Studie zum Entdeckungspotenzial eines Higgsbosons aus Vektorbosonfusion mit leptonischem Zerfall für das ATLAS­Experiment am LHC Iris Rottländer Diplomkolloquium, 21.1.2005 Iris Rottländer -1- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Das Higgs­Boson W­ und Z­Bosonen und Fermionen sind massiv Massenterme in Lagrange­Dichte der elektroschwachen Wechelwirkung ­> Verletzung der lokalen Eichinvarianz Ausweg: Teilchen erhalten Masse durch Kopplung an ein skalares Hintergrundfeld (Higgs­Feld) Higgs­Boson ­> Anregung des Higgs­Feldes - Einziges unentdecktes Teilchen des Standardmodells - Spin 0, CP = 1, Q = 0 ­ Wechselwirkung durch Kopplung an die Eigenschaft Masse Iris Rottländer -2- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Kleine Higgs­Bosonmassen sind bevorzugt! Anpassung der schon gemessenen Parameter des Standardmodells an die Theorie: MHiggs = 114+69 ­45 GeV MHiggs < 260 GeV MSSM: MHiggs < 135 GeV Hier : MHiggs = 115, 120, 130 GeV Iris Rottländer -3- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Zerfallskanäle des Higgs­Bosons Hier : H ll + 4 Iris Rottländer -4- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Der Large Hadron Collider (LHC) Proton­Proton­Collider Schwerpunktsenergie 14 TeV Bau im früheren LEP­Tunnel am CERN in Genf (Umfang 27km) Geplante Inbetriebnahme in 2007 Niedrige Luminosität: 10 fb­1/Jahr Endluminosität: 100 fb­1/Jahr Hier: 30 fb­1 Iris Rottländer -5- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Higgs­Bosonproduktion am LHC Gluonfusion Hier: Vektorbosonfusion Iris Rottländer Vektorbosonfusion -6- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Signalprozess H + ­ l+ l ­ + 4 = ­ ln tan(/2) Wirkungsquerschnitt ~ 37 fb Ereignisse für 30 fb­1: ~ 1100 Tagging Jets nahe des Strahlrohrs Keine zusätzlichen Jets im Zentralbereich Zwei isolierte Leptonen (,e) in zentraler Detektorregion Fehlende Energie durch Neutrinos Iris Rottländer -7- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Der ATLAS­Detektor (A Toroidal LHC ApparatuS) Iris Rottländer -8- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Untergrundklassen q q q q Zjj (QCD) Z l+ l­ q Schnitte: PT jet1 > 10 GeV PT jet2 > 40 GeV q W l+ Schnitte: PT jets > 10 GeV 18pb ≙ 540k Er. 316pb ≙ 9,5M Er. q q – tt + jets q q q q Zjj (EW) WWjj Z l+l­ W l+ Schnitte: PT jets > 10 GeV Schnitte: PT jets > 10 GeV 1,5pb ≙ 45k Er. q q 6,9pb ≙ 210k Er. Signal: ~1100 Ereignisse Iris Rottländer -9- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Selektion I Identifikation der Leptonen Identifikation der Tagging Jets (unterdrückt Zjj (QCD), tt, WWjj) Iris Rottländer -10- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Selektion 2 Minijetveto (unterdrückt Zjj (QCD), tt, WWjj) Fehlende Energie (unterdrückt Z ­> ee/) Weitere Schnittgrößen: PT,Jet, PT,Lep, |Lep­Jet|, MJetJet, MLepLep .... Massenrekonstruktion (unterdrück Zjj) Iris Rottländer -11- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Rekonstruktion der Higgs­Bosonmasse I PT des Higgs Problem: Vier Neutrinos im Endzustand! Annahmen: MHiggs, PT,Higgs groß ⇒ Zerfallsprodukte des fast parallel zu ursprünglicher -Richtung (kollineare Näherung) PT,miss ausschließlich von Neutrinos aus den ­Zerfällen Winkel zwischen Tau und Lepton Massen der Leptonen vernachlässigbar Iris Rottländer -12- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Rekonstruktion der Higgs­Bosonmasse II ● ● ● ● Annahme: Richtung der 's ≙ Richtung der 's + − Brauche noch Energie der 's Angabe von E mit Hilfe von x = E/E + PT,miss Impulserhaltung: H ­ − Iris Rottländer -13- ­ Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Rekonstruktion der Higgs­Bosonmasse III ● ● ? + Funktioniert nur, wenn Flugbahnen nicht back­to­ back in transversaler Ebene − PT,miss + Kein Problem für parallele Leptonen M unbeeinflusst! H ­ − ­ Iris Rottländer -14- ? Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Vergleich schnelle/volle Detektorsimulation Schnelle Simulation (Atlfast) ● ● Nur grundsätzliche Detektoreigenschaften Gaußförmige Parametrisierungen für Impuls­ und Energie­ auflösungen Volle Simulation (Geant) ● ● ● Detaillierter, tatsächliche Detektorgeometrie Elektronisches Rauschen in den Kalorimetern sehr zeitaufwändig! (1 Ereignis ≈ 10 min) Erste Studie des Kanals mit voller Simulation! Iris Rottländer -15- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Massenpeak mit schneller Detektorsimulation Mit Atlfast Ohne Detektoreinfluss Natürliche Breite des Higgs­Bosons : ≈ 10 MeV Massenauflösung ohne Detektoreinfluß: 4,7 ± 0,03 GeV Massenauflösung mit Atlfast: 9,2 ± 0,2 GeV Iris Rottländer -16- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Massenpeak in voller Simulation Ohne elektronisches Rauschen Mit elektronischem Rauschen Mittelwert: 111,7 ± 0,7 / 109,3 ± 0,9[GeV] Massenauflösung: 8,8 ± 0,7 / 11,3 ± 0,9 [GeV] Fehlmessung der Masse um ca. 10 GeV Schlechtere Massenauflösung mit elektronischem Rauschen Iris Rottländer -17- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Fehlmessung der Masse I wahre Leptonimpulse, gemessenes |PT,miss| gemessene Leptonimpulse, wahrer fehlender Impuls Massenberechnung nur aus Leptonimpulsen und fehlender Energie Leptonen tragen kaum zur Fehlmessung bei Großteil der Fehlmessung aufgrund Fehlmessung von |PT,miss| Iris Rottländer -18- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Fehlmessung der Masse II x = E / E lep Winkel zwischen Leptonen Winkel zwischen P und Lepton T,miss Iris Rottländer -19- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC P T,miss ­Auflösung in voller Simulation Ohne Rauschen : Mittelwert ­6,8 ± 0,12 GeV, RMS 12,7 GeV Mit Rauschen: Mittelwert ­9,1 ± 0,21 GeV, RMS 14,8 GeV Iris Rottländer -20- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Fehlmessung des fehlenden Impulses Berechnung der fehlenden Energie: ­ vektorielle Addition der Energie über Kalorimeterzellen ­ Myonenkorrektur Impulse der Jets in manchen Kalorimeterbereichen unterschätzt. Weitere Gründe: ­ Hochenergetische Leptonen ­ Elektronisches Rauschen Iris Rottländer -21- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Kalibrationsprobleme Tagging Jets in 2,7< <3,7: Tagging Jets in 1,0< <2,0: Iris Rottländer Mittelwert: ­11,8 ± 1,0 GeV Mittelwert: ­5,5 ± 0,2 GeV Mittelwert: ­7,3 ± 0,8 GeV Mittelwert: 0,05 ±0,2 GeV -22- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Ergebnisse mit schneller Simulation Kombinierte Signifikanz: (H ee/e/) 4,4 Mit H +­ l + had + 3 5,9 Erwartete Ereignisanzahl 30 fb-1 /MHiggs=120 GeV Hll Zjj (QCD) Zjj (EW) tt + jets WWjj Vor allen Schnitten 1.100 9.500.000 45.000 540.000 210.000 Vor Massenfenster 24 124 16 12 5 Nach allen Schnitten 18,9 ± 0,23 9,0 ± 3,3 2,0 ± 0,30 2,0 ± 0,66 1,2 ± 0,82 Iris Rottländer -23- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Ergebnisse mit voller Simulation Untergrund: Z­Peak weniger verschoben Identifikationseffizienzen für Leptonen Fehlidentifikation von Tagging Jets Fehlender Impuls wird zu niedrig rekonstruiert Elektronisches Rauschen in Kalorimetern verschlechtert Massenauflösung Anzahl Signal: 6,9 ± 0,2 Anzahl Zjj (QCD): 8,4 ± 2,3 Signifikanz 2,2 +0,8 ­0,6 ! Iris Rottländer Die Arbeit an der ATLAS­ Software ist im Gange! -24- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Entdeckungspotenzial Iris Rottländer -25- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Zusammenfassung ● ● ● ● ● Selektion eines Higgsbosons aus Vektorbosonfusion mit Zerfall H ll + 4mittels einer Schnittanalyse ist erfolgt. Erwartete Signifikanz mit schneller Detektorsimulation: Die Massenauflösung beträgt etwa 9,2 GeV. Erste Untersuchung des Kanals mit voller Detektorsimulation. Sowohl Signal­ als auch der Hauptuntergrundprozess wurden betrachtet. Eine systematische Fehlmessung der Higgs­Bosonmasse von ca. 11 GeV ist auf eine Fehlmessung des fehlenden Impulses zurückzuführen. Die Massenauflösung beträgt etwa 11 GeV. Signifikanz mit voller Detektorsimulation: 2,2 . Verbesserungen an der ATLAS­Software ist notwendig, möglich und im Gange. Iris Rottländer -26- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC AB HIER VERWORFEN!! Iris Rottländer -27- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Ein paar Größen für Protonkollider PT/PT,miss Enthält nur die beiden Komponenten senkrecht zur Strahlrichtung ⇒ Komponente der Partonen entlang des Strahlrohrs unbekannt 'Pseudorapidität' Maß für Winkel eines Teilchen zum Strahlrohr ( = ­ ln tan(/2) ) Kleines ⇒ zentral im Detektor = 0 = ­1 = 1 = 2 = 3 Strahlrohr Winkel in der Ebene senkrecht zum Strahlrohr Iris Rottländer -28- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Experimentelle Probleme Rekonstruktion der Tagging Jets Minijetveto ­ Es kann zu weiteren Wechselwirkungen der Partonen aus den Protonen kommen ­ Anteile der das Minijetveto passierenden Ereignisse abhängig von genauer Parametrisierung im Monte­Carlo­Generator Rekonstruktion der Higgs­Bosonmasse ­ Wichtig für effiziente Abtrennung der Zjj­Untergrundprozesse Iris Rottländer -29- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Zjj (EW) ● ● ● ● Iris Rottländer -30- Prozess kinematisch dem Signalprozess sehr ähnlich! Schwierig abzutrennen Spin = 0, Spin = 1 Z Higgs Winkelverteilungen der gestreuten Quarks unter­ scheiden sich Invariante Masse des ­ Paares Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Signalprozess H + ­ l+ l ­ + 4 Wirkungsquerschnitt ~ 37 fb Ereignisse für 30 fb­1: ~ 1100 Wichtig für Entdeckung und Massenmessung eines Higgs­Bosons In der Arbeit ebenfalls betrachtet: H +­ (Einzige Möglichkeit, die Kopplung des Higgsbosons an die Fermionen der 2. Generation am LHC zu beobachten) Iris Rottländer -31- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Ausblick: Likelyhood­Analyse Mleplep Alternative zur Schnittanalyse Errechnet aus verschiedenen Größen 'so etwas wie' eine Wahrscheinlichkeit, dass ein Ereignis ein Signalprozess ist Higgs Zjj(QCD) Zjj(EW) tt+jets Betrachtet mehrere Größen gleichzeitig (Mehr Information als Schnittanalyse!) GeV PT,Jet1 Auch für Schnittanalyse nicht gut geeignete Größen können benutzt werden Higgs Zjj(QCD) Zjj(EW) tt+jets GeV Iris Rottländer -32- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Bisherige Untersuchungen ● ● ● ● H e Iris Rottländer -33- z.B. “A study of the weak + ­ boson fusion with H and e () e,() “ von M. Klute = 5.4 (M = 120 GeV) H Bisher: Schnelle Detektorsimulation (Atlfast) Mein Vorhaben: Massenmessung mit voller Simulation (Geant) Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Teilproblem: Muonkorrektur für P T,miss ● PT,miss = PT,Neutrinos ● Berechnung von PT,miss aus PKalo ● ● ● ● PKalo = PJets + PPhotonen + PElektronen + PMuonen,Kalo PMuonen = PMuonen,Kalo + PMuonen,Muonkammern + PMuonen,Totes Material Eine Korrektur von P um den Muonenimpuls ist notwendig T,miss Bisher (z.B. Athena 7.0.2) Der gesamte, 'wahre' Impuls von 'sichtbaren' Muonen wird für Korrektur verwendet Problem: Dennoch verlieren Muonen etwas Energie im Kalorimeter (einige GeV): bisherige Korrektur zu gross! Iris Rottländer -34- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Neue Muonenkorrektur für P T,miss Neue P ­Auflösung T H ● ● ● Erste Abhilfe: Korrigiere nur um Einträge der Muonen in Muonkammern (Jetzt auch in Athena) leichte Verbesserung Aber dennoch nicht perfekt! Muonen verlieren auch im toten Material des Detektors, z.B Kryostat, Energie Iris Rottländer -35- M , neu Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Weitere Probleme mit P T,miss ● ● ● Auflösung der fehlenden transversalen Energie auch für H ee + 4 schlecht P ­Auflösung T H ee + 4 Probleme mit Kalibration, Energieverlusten der Jets im Kryostaten, hierfür existieren neue Athena­Algorithmen Iris Rottländer -36- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Kurze Einfuehrung in Susy?? Anzahl Higgsbosonen, welche gibt es, eigenschaften 2 Dubletts tan beta und MA Different Scenarios Iris Rottländer -37- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Bedeutung des Prozesses für Susy ● rote Fläche: leichtes h0 ● grüne Fläche: schweres H 0 ● ● Parameterebene wird abgedeckt Auch im Falle einer supersymmetrischen Welt sind die Chancen gut, dass ein Higgs­Boson in diesem Prozess sichtbar ist! VBF : H l + X Iris Rottländer -38- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Untergrundprozesse II ● ● Schnittanalyse soll Signal von Untergrund trennen: Farbfluss zwischen Partonen ⇒ “Minijetveto” (QCD­Ereignisse) ● jetjet M ● PT,miss ● Abstand der Leptonen in / (R) ● ... Iris Rottländer -39- Diplomkolloquium, 21.1.2005 VBF: H ll + 4 Monte-Carlo-Studie für ATLAS am LHC Leptonischer ­Zerfall Verzweigungsverhältnisse des Tauleptons ● +2 sonstige e+2 e+2+ Iris Rottländer ● ● + + ● -40- Leptonisches Verzweigungs­ verhältnis (~ 2*18%) kleiner als Hadronisches Leptonen werden zum Triggern benötigt Identifikation von Leptonen recht leicht Recht gute Energie­ und Impulsauflösung für Leptonen Diplomkolloquium, 21.1.2005
