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

1/38

SM-like Higgs の生成と崩壊

フェルミオンによる生成 ボソンによる生成

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 % 。

𝑡 𝑡

2/38

Z の崩壊

Coupling (left)

Coupling (right)

Relative factor for decay

BF with Measured BF value

ne, nm, nt

6.8% 6.7%

e, m, t 3.4% 3.4%u, c 11.8% 11.6%

d, s, b 15.2% 15.6%

𝑠2=sin2θw

• 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。

3/38

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

4/38

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

5/38

信号事象・背景事象4l llnn llqq

ZZ (qqZZ) Z+jetsttbar

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

ZZ (ggZZ)

ジェットをレプトンと間違えると4l の背景事象になる。

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。

断面積はそれなりに大きい

6/38

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=0 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=1 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。• ~125 GeV Higgs+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。

7/38

• 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) 。• ggZZ との干渉も正しく取り扱える。

arXiv:1112.5517赤が Complex Pole Scheme

Complex Pole Scheme

arXiv:1305.2092

MH=800 GeV

8/38

High mass ATLAS-CONF-2013-013 (7 TeV+8 TeV)Complex Pole Scheme

CMS arXiv:1312.5353 (7 TeV+8 TeV)Complex Pole Scheme

114.5<mH<119.0 GeV 、129.5<mH<832.0 GeV を棄却した。

ggF で 200<mH 600 GeV, VBF+VH≲ で 200<mH 300 GeV≲の SM-like Higgs boson を棄却した。

4 つのレプトンの不変質量 m4l

でピークを探す。

9/38

High mass ATLAS arXiv:1205.6744 (7 TeV)Relativistic Breit-Wigner

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

横質量 mT や消失横エネルギーの分布で、超過事象を探す。

𝑚𝑇2 =[√𝑚𝑍

2 +|�⃗�𝑇ℓℓ|2+√𝑚𝑍

2 +|⃗𝑝𝑇miss|2 ]2−|�⃗�𝑇

ℓℓ+ �⃗�𝑇miss|2

10/38

High mass

ATLAS arXiv:1206.2443 (7 TeV)Relativistic Breit-Wigner

300<mH<322 GeV,353<mH<410 GeV を棄却

CMS-PAS-HIG-12-024 (7 TeV+8 TeV)Complex Pole Scheme

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

ジェットを b タグした場合

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。

2 つのジェットの不変質量 mjj

275<mH<600 GeVを棄却

11/38

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。

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/Hig12024TWiki https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2012-27/

ATLAS arXiv:1207.7214 (7 TeV+8 TeV の一部 )

CMS-PAS-HIG-12-024 (7 TeV+8 TeV)

12/38

Low mass ATLAS-CONF-2012-163 (7 TeV)

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 60< mjj <115 GeV で、 on-shell Z であることを要求。

2 つのレプトンと 2 つのジェットの不変質量 mlljj

断面積の上限mH=145 GeV で SM の 3.5 倍mH=125 GeV で SM の 23 倍

膨大な Z+jets バックグラウンドのため、辛い解析

13/38

Low mass • 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。

On-shell ZZ1, m12=mZ1

Off-shell ZZ2, 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*

FF1

ATLAS arXiv:1307.1427, arXiv:1307.1432 (7 TeV+8 TeV)

CMS arXiv:1312.5353 (7 TeV+8 TeV)

14/38

事象選別 (1)

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)

ほぼ同じだが、 CMS の方が凝ったことをしている。

ATLAS もやろうとしています。

ATLAS もやろうとしています。

15/38

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-kT DR=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-kT DR=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

16/38

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。

17/38

• 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。

背景事象 (1)18/38

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 。Dkin

bkg

Higgs->ZZの信号事象っぽい

qq->ZZ, gg->ZZの背景事象っぽい

ATLAS もやろうとしています。

19/38

不変質量分布ATLAS CMS

m4l

125 GeV付近に鋭いピー

ク

m34 vs m12

20/38

事象数ATLAS 120 < m4l < 130 GeV 4e 2e2m/

2m2e4m Total

ZZ* 1.2 +/- 0.1 3.5 +/- 0.1 2.8 +/- 0.1 7.5Z+jets, ttbar 1.1 +/- 0.3 2.1 +/- 0.4 0.6 +/- 0.2 3.8Total background 2.3 +/- 0.3 5.6 +/- 0.4 3.4 +/- 0.2 11.3Signal mH=125 GeV 2.6 +/- 0.4 7.0 +/- 0.9 6.3 +/- 0.8 15.9Data 6 13 13 32

CMS 121.5 < m4l < 130.5 GeV 4e 2e2m/2m2e

4m Total

ZZ* 1.1 +/- 0.1 3.2 +/- 0.2 2.5 +/- 0.2 6.8Z+X 0.8 +/- 0.2 1.3 +/- 0.3 0.4 +/- 0.2 2.6Total background 1.9 +/- 0.2 4.6 +/- 0.4 2.9 +/- 0.2 9.4Signal mH=125 GeV 3.0 +/- 0.4 7.9 +/- 1.0 6.4 +/- 0.7 17.3Data 4 13 8 25

• 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。

21/38

背景事象に対する超過の有意性

ATLAS CMS

• 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, pT

4l 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。

22/38

質量 測定ATLAS CMS

GeV (syst)(stat)3.124 5.03.0

6.05.0

Hm

GeV 0.2(syst)(stat)4.06.125 Hm

• 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。

23/38 次の田中さんのトークで説明・議論。

質量幅測定• 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 ggZZ 事象数が増加する。

• 角度分布を使って、 qqZZ と分離することにより、幅の上限値を間接的に測定。• GH<4.2xGH

SM=17.4 MeV (95% C.L.)CMS-PAS-HIG-14-002 (8 TeV)

ATLAS もやろうとしてい

ます。

24/38

次の田中さんのトークで説明・議論。

事象の分類

• 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。

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。

• pT>8 GeV のレプトンが少なくとも 1 つある。

はい

はいいいえ

VBF-like category

VH-like category

ggF-like category

前後方領域に複数のジェットがある。

W もしくは Z からのレプトンがある。それ以外

いいえ

CMSはい

Dijet category

0/1-jet category

いいえ• 少なくとも 2 つのジェットがある。

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

1事象

0事象31事象

5事象20事象

25/38

Djet の分布

VBF っぽいggF っぽい

ATLAS もやろうとしています。

26/38

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。• Hgg の方が良さそう。

ATLAS もやろうとしています。

27/38

Signal strength m=s/sSM (1)

ATLAS (mH=125.5 GeV) - -CMS (mH=125.6 GeV) -

1 .45− 0.62+ 0.89

0 .83−0.25+0.31

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。

28/38

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。

29/38

系統誤差 ATLAS

CMS

• 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。

30/38

• 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。

𝐴 (𝐻→𝑉𝑉 ) [𝑎1𝑀 𝐻2 𝑔𝜇𝜈+𝑎2 (𝑞1+𝑞2 )𝜇 (𝑞1+𝑞2 )𝜈+𝑎3𝜖𝜇𝜈𝛼𝛽𝑞1

𝛼𝑞2𝛽 ]𝜖1

∗𝜇𝜖2∗𝜈

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

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)

パリティ偶 パリティ偶 パリティ奇

arXiv:1001.3396

スピンとパリティの決定 31/38

JP=0+ と JP=0- の比較• 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

• 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。

ATLAS もやろうとしています。

32/38

他のスピン・パリティスピン 0

スピン 1

スピン 2

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

1-: b1 のみゼロでない、 1+: b2 のみゼロでない

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

arXiv:1208.4018

33/38

他のスピン・パリティの場合のCLsJP 0- 0+

h 1- 1- 1+ 1+ 2+m 2+

m 2+m 2+

b 2+h 2-

h

生成過程 any any any any gg any gg gg gg

ATLAS 2.2% - - 0.20% - 6.0% 16.9% 2.6% - - - -

CMS 0.09% 7.1% 0.001% 0.001% 0.03% 0.01% 1.9% 0.03% 1.4% 0.9% 3.1% 1.7%

• 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。

ATLAS

CMS

gg のみ のみ

34/38

WW や gg との combination

https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/CMSPublic/Hig13005TWiki

CMS-PAS-HIG-13-005

ATLAS arXiv:1307.1432

0- 1+ 1- 2+m(gg) 2+

m(qq)

ATLAS ZZ 2 2 3 5 4

WW - 3 2 3 2

gg - - - 1 5

CMS ZZ 1 1 1 2 1

WW 3 - - 4 3

gg - - - 6 6

99.958% の信頼度で 2+(gg) を棄却

CMS arXiv:1312.1129 (WW)CMS-PAS-HIG-13-016 (gg)

ZZ と WW 合わせて 99.4%の信頼度で 2+(gg) を棄却

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。

棄却の信頼度の高い順

35/38

今後の測定 質量、断面積• 質量

• Hgg 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。

• Hgg 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。。

36/38

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 パリティ偶 パリティ奇

g3=0 と仮定

37/38

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

38/38

予備スライド39/38

Search of invisible decay modes of a Higgs Boson Produced in Association with a Z Boson

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).

• ATLAS arXiv:1402.3244

• Signatures: Z and missing ET

• In SM: BR(Hinv.)=1.2x10-3 by HZZ(*)4n

• BR(Hinv.)<75% at 95% C.L. for mH=125.5 GeV

40/38

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

41/38

42/38

2HDM CMS-PAS-FTR-13-024

43/38

2HDM Neutral Higgs Future Analysis Studies

CMS arXiv:1304.021344/38

CMS-PAS-FTR-13-00345/38