Vector Boson Fusion 過程を用いた ヒッグスのスピンと CP の測定

2005 9 14年 月 日 Spin and CP of the Higgs M.Kaneda

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Vector Boson FusionVector Boson Fusion 過程を用いた過程を用いたヒッグスのスピンとヒッグスのスピンと CPCP の測定の測定

東大素セ、東大素セ、 KEKKEKAA

兼田　充、小林　富雄、兼田　充、小林　富雄、神前　純一神前　純一 AA 、浅井祥仁、田中　純一、浅井祥仁、田中　純一

日本物理学会　日本物理学会　 20052005 年秋季大会年秋季大会

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OutlineOutline• Vector Boson Fusion Vector Boson Fusion 過程の過程の　　　　 H->WW->lvjjH->WW->lvjj• ヒッグスの崩壊におけるスピンとヒッグスの崩壊におけるスピンと CC

PP に関係するパラメーターに関係するパラメーター• MC Event GenerationMC Event Generation• イベントセレクションイベントセレクション• 結果結果• まとめまとめ

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IntroductionIntroduction• LHC-ATLAS 実験において、ヒッグス粒子が発見された後、

その粒子の性質について調べることが次の課題である。

• MH> ２ MW の時、 ヒッグスは主に、 W+W- または ZZ ペアに崩壊する。

この崩壊モードの場合、発見は容易である。　（ L=30fb-1 20 以上の significance ）

• ヒッグスのスピンや CP についての study としては、　 　 H->ZZ->4lH->ZZ->4l という崩壊過程におけるものがある。 C. P. Buszello C. P. Buszello et alet al., hep-ph/012396., hep-ph/012396

• 今回私達は H->WW->lvjjH->WW->lvjj という崩壊過程でのヒッグス　 粒子のスピン、 CP の測定について研究した。

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VBF H->WW->lvjjVBF H->WW->lvjj

• ヒッグスの質量が 140GeV 以上で WW への崩壊が非常に大きい。

• Vector Boson Fusion について

の今までの私達の研究を用いることが出来る。

• 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->H->ZZ->4lZZ->4l 、、 H->H-> 、、、、、、、、、、、、、、、、、、

　　　　　　 MH(GeV)

　　　ヒッグスの崩壊率

WW

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Parameters Sensitive to Spin- and CP-eigenvParameters Sensitive to Spin- and CP-eigenvalues of the Higgs Decayalues of the Higgs Decay

V(W)V(W)

f

f

f

f

The Higgs rest frame

Direction of motion of the child in the V rest frame

:: :: ヒッグス粒子の静止系において、二つのヒッグス粒子の静止系において、二つの WW 粒子から崩壊した粒子から崩壊した　　それぞれ　　それぞれ 22 つのフェルミオンが作る平面の間の角度。つのフェルミオンが作る平面の間の角度。

:: :: WW 粒子の静止系におけるフェルミオンの運動量の方向粒子の静止系におけるフェルミオンの運動量の方向と、と、 ヒッグス粒子の静止系におけるヒッグス粒子の静止系における WW 粒子の運動量の方向粒子の運動量の方向間の角度。間の角度。

これらの角度はヒッグスのスピンとＣＰに対して sensitiveである

The Higgs decay point

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The Decay Plane Correlation FunctionThe Decay Plane Correlation Function

F(F() = C(1 + ) = C(1 + coscoscos2cos2

Ref. Charles A. Nelson, Phys. Rev. D 37,1220(1998)

FF** = (F = (F + F ( + F ())/2 ))/2 C(1 C(1 cos2cos2従って、このモードではのみ測定することが出来る。

、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、

W+W- W+W-

Standard Model

Standard Model

しかし、 jet の電荷を知ることは出来ないので次のような関数になる

MH(GeV) MH(GeV)

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The Polar Angle The Polar Angle DistributionDistribution

• に関しては次のような関数でフィットすることができる :

G(G() = T) = T..(1 + cos(1 + cos22(()) + L)) + L..sinsin22(())

L ： W 粒子の振幅のたて成分 T ： W 粒子の振幅の横成分• 新たに R を :

R := (L – T ) / (L + T)R := (L – T ) / (L + T)

と定義。　 これはたて成分と横成分の割合を表す量である。

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MC GenerationsMC Generations• Signal:VBF H -> WW -> lvjj( l = e,)

– *Br(H->WW) = 842fb (MH = 160GeV) (Pythia)

– *Br(H->WW) = 836fb (MH = 170GeV) (Pythia)

• Background:

– ttbar = 488pb (Pythia)

– W+4jets

*Br(W->leptonic decay)= 134pb

(Alpgen + Pythia)

• この研究は Fast simulation を用いて行った。

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• Lepton, Missing ET

– 30GeV < PT(lep) < 100GeV– ||<2.5, Number of leptons = 1

– 30GeV < Missing ET < 100GeV• Jet Tagging

– 各半球で highest PT jet を forward jet と定義。– この forward jet に対し

• Pt > 40GeV , Mj1j2 > 1000GeV , | 1 - 2 | > 4 を要求。• W->jj(Central jets)

– 残った jet の中から PT が大きいものから二つを central jet と定義。– 30GeV < PT < 100GeV,60GeV < Mjj < 100GeV– f1 < c1, c2,< f2

– ΔR between forward jet and central jet >0.7• top veto

– Number of b-jets = 0 （ B.G. で top を含むものを落とすために top から崩壊する bottom 粒子が無いことを要求）

• Mini jet veto– 二つの forward jet の間の領域に 20GeV 以上の jet が forward, central jet

以外に存在しないことを要求

Event Selection Event Selection q

q

q(forward jet)

q(forward jet)

q(central jet)

q(central jet)

e,

H

W

W

W/Z

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SelectionSelection(W->lv Reconstruction)(W->lv Reconstruction)

• neutrino の横方向の運動量は missing Et として計れるが、z 方向（ビーム軸方向）の運動量 Evz 直接は計れないので、観測量から決めてやらなければならない。

• Conventional な方法として Evz を missing Et と lepton の運動量を用いて、ニュートリノとレプトンからＷをリコンストラクションした際に Mw->lv = 80GeV となるように決めるものがある。

この方法は２次方程式を導くことになるので二つの解 Evz1,Evz2(|Evz1|>|Evz2|) が存在する。

　 Conventional な方法では Evz2 を選んでいる。

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SelectionSelection(W->lv Reconstruction)(W->lv Reconstruction)

Mlvjj の分布は高い方に tail があり , cos1 の分布は負の方向に偏ってしまっている。

この方法によって得られた Evz は実際の Evz と大きく違っていて角度分布に影響を及ぼしてしまっている。

Mlvjj and cosusing this mehod (signal only)

Mlvjj

using Evz of the generator

using Evz of this method

using Evz of this methodusing Evz of the generator

cos

Conventional Method.

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Lower solution

Evz1

Signal(MH=170GeV)

Evz2

我々が開発した新しい方法• ヒッグス発見後の測定モードとしてはヒッグスの質量の情報をインプットとして使える。つまりMH を fix して missing ET 、 lepton の運動量、二つの centralジェットの情報から Evz を得る。

• Conventional method同様 Evz1,Evz2(|Evvz1|>|Evz2|) の 二つの解があり Evz2 を選んだ。

• 二つの方法を比べた結果、 新しい方法の方がより正しい Evz

を得られるという結果が出た。

• また、ヒッグスの質量に 5GeV 程度の不定性があった場合でも、角度分布に対する大きな影響は出ないことを確認した。

SelectionSelection(W->l(W->lvv Reconstruction) Reconstruction)

Evz(generator) – Evz(reconstructed)

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• この方法により Evz が得られなかった場合（方程式が解けない場合）そのイベントは除く。

• 得られた Evz を用いて　 W を lepton と neutrino から　再構成し、その　質量に対して 60GeV < Mlv < 100GeV　のＣｕｔをかける。

SelectionSelection(W->l(W->lvv Reconstruction) Reconstruction)

Signal(MH=170GeV)

Mlv

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Event StatisticsEvent Statistics

MH=160GeV MH=170GeV

Signal 1.19fb 1.73fb

ttbar <0.01fb <0.06fb

W+4jets 0.49fb 1.1fb

Expected cross sections after selections.

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Results Results

Results of [30fb-1](signal only and error is statistical only )

MHFitting value at 30fb-1 SM Spin 1,CP +/-1 Spin 0,CP -1

160GeV 0.16+/-0.23 0.17 0 -0.25

170GeV 0.06+/-0.19 0.14 0 -0.25

Fitting function: FFitting function: F** = C(1 = C(1cos2cos2

MH=160GeV MH=170GeV

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Fitting function: GFitting function: GTT..(1 + cos(1 + cos22(()) + L)) + L..sinsin22(())

Results (cosResults (cos))

Result of R [30fbResult of R [30fb-1 -1 ](signal only and error is statistical only )

R = 0.70+/-0.32(MR = 0.70+/-0.32(MHH=160GeV)=160GeV)

R = 0.54+/-0.30(MR = 0.54+/-0.30(MHH=170GeV)=170GeV)

cos

MH=170GeV

cos

MH=160GeV

R R (L – T ) / (L + T)(L – T ) / (L + T)

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SummarySummary• Higgs Mass Constraint Method を考案し、 H->WW->lvjj にお

いて Conventional Method より正確な Evz を得ることが出来た。

• LHC-ATLAS 実験において、 ヒッグスがスピン 0 の場合、 H->WW->lvjj 過程を用いて、 CP が even か odd か識別可能。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　今後の課題– Selection についてはまだ改良の余地がある。

– tbj のような他の B.G. についても調べてみる必要がある。

– ヒッグスの質量が小さい領域でもこの方法でスピン、 CP が測定できる可能性があり、研究する必要がある。

– スピン１や CP odd のヒッグスについての研究。

– Forward jets の角度相関もヒッグスのスピン、 CP に対して sensitive な値で、これについても今後研究する。

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Back Up

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Signal(MH=160GeV) Signal(MH=170GeV)

ttbar W + 4jets

W->lv ReconstructionW->lv Reconstruction

Distributions of |Plz|