H -> ZZ ( combined ) spin/CP 測定

1. H ->ZZ (combined) spin/CP測定 織田 勧 (九州大学大学院理学研究院) 2014-03-25, 東京大学 テラスケール研究会

2. SM-like Higgsの生成と崩壊 主にgluon fusion過程で生成される。 ZZへの崩壊分岐比は 高質量では30%程度、 低質量では数%。 フェルミオンによる生成 ボソンによる生成

3. Zの崩壊 • フェルミオンの電荷と弱アイソスピン、ワインバーグ角でほぼ決まっている。

4. 崩壊チャンネル • llqq • 大きな崩壊分岐比 • ジェット対の質量がZの質量に近いことを要求する。 • Zの横運動量が大きく、ブーストされると、1つのジェットに見えてしまう。 • llnn • 大きな崩壊分岐比 • 2つのニュートリノがあるので、完全に再構成はできない。 • 4l • 完全に再構成できる。 • 低質量で有効 • 小さな崩壊分岐比

5. 解析で使うオブジェクト • 孤立(=isolate)しているレプトン • 電子 (e) • ミューオン (m) • タウ (t) • タウニュートリノを含む終状態に崩壊してしまう。 • 大変な割に、ゲインが少ない。 • ATLASは使わず。 • CMSは4lの以前の結果では使っていたが、最新の結果では使わず。 • ジェット • クォーク、グルーオン • 4lのVBFのforward jetsのタグ • 4lのVHののタグ • bタグして、bジェットを選べば、QCDによるグルーオンジェットのバックグラウンドを低減できる。 • 消失横エネルギー • ニュートリノ

6. 信号事象・背景事象 4l llnn llqq ZZ (qqZZ) ttbar Z+jets 断面積はそれなりに大きい ZZ (ggZZ) bジェットとからのレプトンが 孤立していないと間違えると 4lの背景事象になる。 ジェットをレプトンと間違えると 4lの背景事象になる。 断面積は小さい 始状態も終状態も同じなので、信号事象と干渉する

7. Signal strength m=s/sSM • 観測された断面積を標準模型のヒッグス粒子の場合に予測される断面積で割った量。 • m=1なら、標準模型のヒッグス粒子と一致する量の信号があるということ。 • m=0なら、背景事象しかないということ。 • 既にmH~125 GeVのSM-likeなヒッグス粒子が見つかっている。 • 1 TeV以下の高質量の新粒子を探す時に、SM-likeなヒッグス粒子を考えるのはベンチマーク的な意味。 • ~125GeVHiggs+EW singlet, 2HDM, … • 断面積×崩壊分岐比(s x BR) (の上限値)で結果を出す方がよりふさわしい。

8. Complex Pole Scheme • SM-like Higgsの全崩壊幅GHはMH>400 GeVで非常に大きくなる。 • Breit-Wignerだとoff-shellの成分を考慮していないし、gauge invarianceを破ってしまう。 • この問題を解決するのがComplex Pole Scheme(arXiv:1112.5517)。 • ggZZとの干渉も正しく取り扱える。 arXiv:1112.5517 赤がComplex Pole Scheme MH=800 GeV arXiv:1305.2092

9. High mass CMS arXiv:1312.5353(7 TeV+8 TeV) Complex Pole Scheme ATLAS-CONF-2013-013 (7 TeV+8 TeV) Complex Pole Scheme 4つのレプトンの 不変質量 m4l でピークを探す。 ggFで200<mH≲600 GeV, VBF+VHで200<mH≲300 GeV のSM-like Higgs bosonを棄却した。 114.5<mH<119.0 GeV、 129.5<mH<832.0 GeVを棄却した。

10. High mass ATLASarXiv:1205.6744(7 TeV) Relativistic Breit-Wigner 横質量mTや消失横エネルギーの分布で、 超過事象を探す。 CMS-PAS-HIG-13-014(7 TeV+8 TeV) Relativistic Breit-Wigner 319<mH<558 GeVを棄却 248<mH<930 GeVを棄却

11. High mass 2つのレプトンと2つのジェットの 不変質量 mlljjでピークを探す。 CMS-PAS-HIG-12-024(7 TeV+8 TeV) Complex Pole Scheme ATLASarXiv:1206.2443(7 TeV) Relativistic Breit-Wigner ジェットをbタグしない場合 ジェットをbタグした場合 2つのジェットの 不変質量 mjj ジェットをbタグした場合 275<mH<600 GeV を棄却 300<mH<322 GeV, 353<mH<410 GeVを棄却

12. High mass Higgs search combination • CMSはmH=1000 GeVまでSM-like Higgs bosonを棄却した。 • が最も厳しい制限を与えている。 • ZZに崩壊する未知粒子が存在したとしても、その生成断面積と、ZZへの崩壊分岐比の積(s x BR)は小さいということ。 • ATLASは8 TeVのデータをまだ全部解析していないし、最近combineしていないので、mH~600 GeVまで。 ATLAS arXiv:1207.7214 (7 TeV+8 TeVの一部) CMS-PAS-HIG-12-024(7 TeV+8 TeV) https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/Hig12024TWiki https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2012-27/

13. Low mass ATLAS-CONF-2012-163(7 TeV) ジェットをbタグした場合 ジェットをbタグしない場合 2つのジェットの不変質量 mjj 60<mjj<115 GeVで、on-shell Zであることを要求。 断面積の上限 mH=145 GeVでSMの3.5倍 mH=125 GeVでSMの23倍 2つのレプトンと2つのジェットの不変質量 mlljj 膨大なZ+jetsバックグラウンドのため、辛い解析

14. Low mass On-shell Z Z1, m12=mZ1 • 4つの終状態 • 4e, 2e2m, 2m2e, 4m • 2e2mと2m2eはon-shell Zからのレプトン対を前に書いて、区別する。 Off-shell Z Z2, m34=mZ2 • 終状態の粒子を全てとらえられるため、ヒッグス粒子を完全に再構成できる。 • とても良い質量分解能 • 高い信号・バックグラウンド比 • レプトンの角度分布からスピンとパリティを決定し得る。 • mH=125 GeVの標準模型ヒッグス粒子で崩壊分岐比は1.25x10-4と小さい。 cosq1 cosq2 cosq* F F1 ATLAS arXiv:1307.1427, arXiv:1307.1432 (7 TeV+8 TeV) CMS arXiv:1312.5353 (7 TeV+8 TeV)

15. 事象選別 (1) ほぼ同じだが、CMSの方が凝ったことをしている。 CMS • 電子 • pT>7 GeV • カロリメータのエネルギーと飛跡検出器の運動量のコンビネーション • |h|<2.5 • 多変量解析による識別 • ミューオン • pT>5 GeV • |h|<2.5 • Isolation cut • DR=0.4のコーン内の荷電トラックと中性粒子のpTの和がレプトンのpTの40%以下であること • Impact parameter cut • IP significance (3D) <4s ATLAS • 電子 • pT>7 GeV • カロリメータのエネルギー • |h|<2.47 • カットによる識別 • ミューオン • pT>6 GeV • |h|<2.7 • Isolation cut • Track isolation (DR=0.2)<15% • Calorimeter isolation (DR=0.2)<20% (30%) for e (m) • Impact parameter cut • IP significance (2D) <6.5s (3.5s) for e (m) ATLASもやろうとしています。 ATLASもやろうとしています。

16. 事象選別 (2) ATLAS • 4レプトンの候補 • pT>20, 15, 10, 7 GeV • 4番目のレプトンがミューオンならpT>6 GeV • 50 < m12 < 106 GeV • 12 < m34 < 115 GeV • ジェット • Anti-kTDR=0.4 • pT>25 GeV for |h|<2.5 • pT>30 GeV for 2.5<|h|<4.5 • 積分ルミノシティ • 4.6 fb-1 at Ös=7 TeV • 20.7 fb-1 at Ös=8 TeV • CMS • 4レプトンの候補 • pT>20, 10, 7, 7 GeV • 3, 4番目のレプトンが電子ならpT>5 GeV • 40 < m12 < 120 GeV • 12 < m34 < 120 GeV • ジェット • Anti-kTDR=0.5 • pT>30 GeV, |h|<4.7 • 積分ルミノシティ • 5.1 fb-1 at Ös=7 TeV • 19.7 fb-1 at Ös=8 TeV

17. シミュレーションでの不変質量分布(m4l) ATLAS(mH=125 GeV) CMS (mH=126 GeV) 4e 4m エネルギー分解能の良い電磁カロリメータ(鉛タングステンvs 液体アルゴン)、強いソレノイド磁場(3.8 T vs 2.0 T)、E-p combinationなどのために、ATLASよりCMSの方が質量分解が良い。

18. 背景事象 (1) • Z(*)Z*di-boson production: irreducible, 減らしにくい • シミュレーションを使った。 • PowHeg (qqbar->Z(*)Z*)とgg2ZZ (gg->Z(*)Z*) • 生成断面積はMCFMのNLOに基づく。 • Z+jets, ttbar:reducible, 減らしやすい • 低質量領域(m4l<2mZ)ではZ(*)Z*と同程度の量になる。 • 軽い方のレプトン対のフレーバーによって、成分が違うので、ll+eeとll+mmで別々に評価した。 • データを使って推定した。 • 軽い方のレプトン対に対するカットを緩めるか、反転させて、統計量を増やす。 • バックグラウンドの成分を求める。 • シミュレーションに基づいて、信号領域へ外挿する。 軽い方のレプトン対へのisolationとimpact parameter significanceを要求しない時の、 重い方のレプトン対の不変質量(m12)分布。 データと予測される背景事象は良く一致している。

19. 背景事象 (2) • CMSはさらに質量分布と角度分布を使って、信号事象と背景事象を区別するための変数Dkinbkgを構築。 • MadGraphのLOのmatrix elementを使ったlikelihood。 ATLASもやろうとしています。 Higgs->ZZ の信号事象っぽい qq->ZZ, gg->ZZ の背景事象っぽい Dkinbkg

20. 不変質量分布 CMS ATLAS m4l 125 GeV付近に鋭いピーク m34 vs m12

21. 事象数 • ATLASとCMSは似たような信号事象数(15.9と17.3)と背景事象数(11.3と9.4)を期待していた。(S/N比は1を超えている。) • ATLASの方がCMSに比べやや多い事象数(32と25)を観測した。

22. 背景事象に対する超過の有意性 • ATLAS: m4lに対する1次元フィット • mH=124.3 GeVで、6.6sを観測した。(期待は4.4s) • CMS: m4l, Dkinbkg, pT4lまたはDjetに対する3次元フィット • mH=125.7 GeVで、6.8sを観測した。(期待は6.7s) • m4lに対する1次元フィットだと5.0sを観測した。(期待は5.6s) • CMSの3次元フィットは統計的有意性を大幅に向上させている。 ATLASもやろうとしています。 ATLAS CMS

23. 次の田中さんのトークで説明・議論。 ATLAS CMS • ATLAS: m4lに対する1次元フィット • CMS: m4l, 事象ごとの質量の不定性(Dm), Dkinbkgに対する3次元フィット • 系統誤差のほとんどはレプトンのエネルギー・運動量スケールの系統誤差で占められている。 • , , を使って改善され続けている。 ATLASもやろうとしています。

24. 質量幅測定 ATLASもやろうとしています。 • CMSのみが結果を公表している。 • 先ほどの3次元フィットで、幅の上限値も同時に直接測定。 • GH<3.4 GeV (95% C.L.) • 幅が広いと、高質量(mZZ)のggZZ事象数が増加する。 • 角度分布を使って、qqZZと分離することにより、幅の上限値を間接的に測定。 • GH<4.2xGHSM=17.4 MeV(95% C.L.) 次の田中さんのトークで説明・議論。 CMS-PAS-HIG-14-002 (8 TeV)

25. 事象の分類 ATLAS • 少なくとも2つのジェットがある。 • 1番目と2番目にpTの大きなジェットが擬ラピディティhで3以上離れていて、その対の質量が350 GeV以上。 はい VBF-like category 前後方領域に複数のジェットがある。 • 0/1-jet categoryでは, ggFからVBFとVHを区別するのにpT4lを使う。 • Dijet categoryでは, VBFに感度のあるpTの大きな2つのジェットの擬ラピディティの差|Dhjj|とその対の質量mjjを用いて構築したDjetという変数が使われる。 1事象 いいえ はい • pT>8 GeVのレプトンが少なくとも1つある。 VH-like category いいえ WもしくはZからのレプトンがある。 0事象 31事象 ggF-like category それ以外 CMS はい • 少なくとも2つのジェットがある。 Dijet category いいえ 約20%の信号事象がVBFによるもの 約5%の信号事象がVBFによるもの 5事象 0/1-jet category 20事象

26. Djetの分布 ATLASもやろうとしています。 ggFっぽい VBFっぽい

27. 横運動量分布 • CMSのみが結果を公表している。 • 信号事象っぽさで重みづけをしている。 • 事象数が少なく、定量的に何か言うのは難しい。 • 小さい崩壊分岐比のせい。 • Hggの方が良さそう。 ATLASもやろうとしています。

28. Signal strength m=s/sSM(1) ATLAS CMS • 標準模型の場合に期待される1と無矛盾。 • まだ統計誤差が系統誤差の2倍程度。統計量が4倍になると同程度になる。 • 8 TeVから13 TeVで生成断面積は約2.3倍になる。 • 13-14 TeVのRUN2では、積分ルミノシティは7 TeV+8 TeVのRUN1の3-4倍の75-100 fb-1が目標。 • だからRUN2では約7倍から10倍の統計量になるので、今のままではだめ。

29. Signal strength m=s/sSM(2) ATLAS CMS 標準模型ヒッグス粒子の場合に期待される値と無矛盾。

30. 系統誤差 ATLAS • 実験で大きいのは電子の再構成・識別効率。 • 理論で大きいのはPDFやQCDスケール。 • 各カテゴリーでの各生成過程、背景事象の量も問題。 CMS

31. スピンとパリティの決定 • Z粒子やレプトンの角度分布とZ粒子の質量分布はスピンとパリティに依存する。 • スピン0の時にパリティを調べるにはZ粒子の偏極(~レプトンの角度分布)の情報が必要。 • 4レプトンチャンネルの利点。 スピン0の場合に2つのスピン1のゲージボソンに崩壊する不変振幅 arXiv:1001.3396 パリティ偶 パリティ偶 パリティ奇 • qiはゲージボソンの4元運動量 • eiはゲージボソンの偏極ベクトル • emnabは完全反対称テンソル • 標準模型(JP=0+)では、a1=1, a2=0, a3=0 • a1=0, a2=0, a3≠0だとJP=0- • a1=0, a2≠0, a3=0だとJP=0+だが標準模型のヒッグスではない粒子(0+h)

32. JP=0+とJP=0-の比較 • JP=0-をATLAS (CMS)は97.8% (99.9%)の信頼度で棄却。 • CMSはパリティ奇の成分の割合fa3に対して制限を付けた。 • 多変量解析をすることで情報を最大限に引き出す。 ATLAS CMS fa3<0.51 @95%CL ATLASもやろうとしています。

33. 他のスピン・パリティ arXiv:1208.4018 スピン0 0+: a1のみゼロでない、0+h: a2のみゼロでない、0-: a3のみゼロでない スピン1 1-: b1のみゼロでない、1+: b2のみゼロでない スピン2 2+m: g1=g5のみゼロでない、2+b: g5のみゼロでない 2+h: g4のみゼロでない、2-h: g8のみゼロでない

34. 他のスピン・パリティの場合のCLs ATLAS • 1-CLsが棄却する信頼度。 • 多くの場合が99%以上で棄却された。 CMS ggのみ のみ

35. WWやggとのcombination 99.958%の信頼度 で2+(gg)を棄却 ATLAS arXiv:1307.1432 CMS-PAS-HIG-13-005 ZZとWW合わせて99.4% の信頼度で2+(gg)を棄却 CMSarXiv:1312.1129(WW) CMS-PAS-HIG-13-016(gg) 棄却の信頼度の高い順 これしかCMSのスピンのcombinationの結果は見当たりませんでした。 https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/Hig13005TWiki

36. 今後の測定 質量、断面積 • 質量 • Hggに劣るのは主に統計誤差のせい。 • RUN2でもまだ統計誤差が支配的になるはず。 • 4レプトンだとCMSの方が質量分解能が良い。 • 同じ統計量だと勝ち目はない。 • 重要なパラメータなのでもちろん測り続ける。 • 断面積 • 微分断面積を測ろうと思うと数がない。測るけど。 • Hggの方が良いのでは。 • 4レプトンで特徴的なのはHZZのカップリングが測れること。 • ZH生成でも測れるが、S/Nの良さから4レプトンの方が良いだろう。 • Signal strength mがどれだけ1に近いか? • ATLASではこのずれが本物なら。。 • CMSではだけど。。

37. 今後の測定 パリティ混合 ATL-PHYS-PUB-2013-013 • 見つかったヒッグス粒子の多くの割合がスピン0・パリティ偶であるのは疑いがない。 • しかし、パリティ奇の成分も含まれ、パリティの混合状態である可能性はある。 • ILCが出来るまでは、測定できるのは完全に再構成できる4レプトンチャンネルのみであろう。 パリティ偶 パリティ奇 パリティ偶 g3=0と仮定

38. まとめ • 1 TeV以下のSM-like Higgs bosonはmH~125 GeVの粒子だけ。 • 質量 • ATLAS: GeV • CMS: GeV • Signal strength • ATLAS: • CMS: • スピン・パリティJP=0+をとても強く支持。 • SM-like Higgs boson • 今後はパリティ混合の測定が面白いのではないか。 https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/HiggsPublicResults https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/PhysicsResultsHIG

39. 予備スライド

40. Search of invisible decay modes of a Higgs Boson Produced in Association with a Z Boson • ATLAS arXiv:1402.3244 • Signatures: Z and missing ET • In SM: BR(Hinv.)=1.2x10-3 by HZZ(*)4n • BR(Hinv.)<75% at 95% C.L. for mH=125.5 GeV In the Higgs-portal dark matter scenario (arXiv:hep-ph/0605188), in which the Higgs boson acts as the mediator particle between DM and SM particles, the limit can be interpreted in terms of a limit on the DM-nucleon scattering cross section. (arXiv:1109.4398).

41. ZH, Z->ll, H->invisible CMS-PAS-HIG-13-018

43. 2HDM CMS-PAS-FTR-13-024 2HDM Neutral Higgs Future Analysis Studies

44. CMS arXiv:1304.0213

45. CMS-PAS-FTR-13-003