Możliwości odkrycia bozonu Higgsa w ramach Modelu

Możliwości odkrycia bozonu Higgsa w
ramach Modelu Standardowego w Tevatronie
Artur Kalinowski
5 grudnia 2003
Plan
1. Usprawnienia detektorów CDF i D0 oraz akceleratora dla RUN II
2. Elementy analiz fizycznych w wybranych kanałach
3. Analiza statystyczna wyników
4. Analiza wpływu niepewności systematycznych
5. Podsumowanie
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Usprawnienia akceleratora dla RUN IIa
podniesienie świetlności
z
do
(planowano
)
– nowy wstrzykiwacz
(“Main Injector”) cza̧stek
– zwiȩkszona liczba paczek
i
– mniejszy
odstȩp
czasowy
miȩdzy
zderzeniami
– Antiproton Recycler (jeszcze nie
używany)
podniesienie energii w środku masy
z 1.8 do 1.96 TeV
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Przewidywana świetlność zebrana w czasie RUN II do roku 2009
Planowana scałkowana
świetlność[
].
(stan na czerwiec 2003)
Base
Design
FY03
0.3
0.3
FY07
2.1
3.8
FY09
4.4
8.6
RUN IIa - zebranie
danych
RUN IIb - zbieranie danych po dalszym zwiȩkszeniu świetlności do
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Świetlność zebrana przez detektor D0
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Collider Detector at Fermilab
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Usprawnienia detektora CDF
nowy krzemowy detektor wierzchołka
"
!
dodatkowe
2
warstwy
krzemowego
detektora
śladowego
(ISL) pozwalaja̧ce na pomiar
śladów do
nowy centralny detektor śladowy
nowy kalorymetr w obszarze do
przodu (“plug and forward calorimeters”)
nowa elektronika odczytu dla systemu mionowego
nowa elektronika “front end”,
trygera i system akwizycji danych
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Detektor D0
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Usprawnienia detektora D0
#
nowy system detektorów
śladowych: krzemowy detektor wierzchołka + scintillating fiber tracking
# #
nowy “preshower”
)(
'
&
%$$
dodatkowe
detektory
mionowe, daja̧ce całkowite
pokrycie do
#
nowa elektronika “front
end”, trygera i system
akwizycji danych
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Produkcja Higgsa w ramach Modelu Standardowego
SM Higgs cross section (HIGLU, V2HV)
1.0
gg→H
WH
0.1
ZH
100
120
140
160
mH (GeV/c2)
200
180
+*
*
4
23
1
/0(
.
,
Przekrój czynny [pb] na produkcjȩ Higgsa w zderzeniach
Warszawa 05.12.03
, przy
A.Kalinowski
1
SM Higgs branching ratios (HDECAY)
_
bb
H
I
L
L
_
cc
10-2
γγ
10-3
100
120
Zγ
140
160
m (GeV/c2)
H
Warszawa 05.12.03
KJ
J
I
H
z
zakresu
najczȩstszym
kanałem rozpadu jest
.
Przy produkcji przez fuzjȩ
gluonowa̧,
, w stanie
końcowym
otrzymujemy
tylko dżety, co uniemożliwia
wyłuskanie sygnału spod tła
QCD.
W poła̧czeniu z procesem
produkcji przez Higgstrahlung
otrzymujemy wyraźne sygnatury sygnału.
ZZ
gg
mas
C
G
F
&
DE
&
C
B
Dla
WW
0.1 ττ
A
@
?
>
=
6
;
:
9
6
5
Lekki Higgs:
180
200
A.Kalinowski
?
9
Lekki Higgs:
Podstawowe kanały poszukiwań
`b a
`_ _
: dwa kwarki b,
energia,
leptony o
lm
Z
Warszawa 05.12.03
brakuja̧ca
dużym
^
Y
W
V
: dwa kwarki b, dwa leptony o dużym :
]
XX
W
NM V
ik
c
i
j
]
hk
g
f
[
\[ e
d
NN RTS RTS N Q Q
OU
O P
M
: dwa kwarki b,
brakuja̧ca energia
A.Kalinowski
u
tus
r
n
n
Analiza w kanale
(CDF)
+z €
+
y
xz *{
I
w
v
I
+
*
*
Sygnał:
Sygnatura: dwa dżety b, lepton o dużym
, brakuja̧ca energia.
~
4}
|3
Masa h [
+„
W + dżety
pojedyncze t
WZ
Warszawa 05.12.03
przekrój czynny BR [pb]
110
0.054
140
0.010
Główne źródła tła:
Kanał
Przekrój czynny [pb]
+~
+zz~ƒ+z+z+zz
Ivzvz +yx
ƒ‚vII
…
+„+z„v
‚I
vII
+I
*
+
*
*
*
I +*
*
+
*
*
Proces
]
10
7
3
3
A.Kalinowski
u
tus
r
n
n
Selekcja w kanale
(CDF)
Efektywność poszczególnych ciȩć[%].
Sygnał
Tło
~
4}
|3
Š‹
‰
*{
WZ
42
32
39
89
90
89
99
95
91
78
42
53
/‹
‰
*{
jeden lepton o
+„
//ˆ
.
†‡
Ciȩcie
84
46
79
2 dżety b
28
24
4
Całkowita akceptancja
6.6
1.26
0.58
2.86
46.7
5.9
~
43}
4 |1
|3 /‹
Š‹ &
‰ ’
‘
Ž{&
1
Œ
(lub izolowany ślad)
veto Z:
2 lub 3 dżety
brak dodatkowego izolowanego
śladu o
GeV/c
”•z
/“
Przypadków na
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Analiza tła W + dżet (CDF)
Próbki W + dżet były normalizowane do obserwowanej czȩstości przypadków.
Monte Carlo było używane do wyznaczania wkładu od ciȩżkich kwarków oraz
oszacowania efektywności znaczenia kwarków b.
Tło
˜
–3—
–
3
x
v
+~~
v
+zz
v
Ciȩcie
bd
bd
bd
2 dżety b
21
7
0.3
Całkowita akceptancja
bd
bd
bd
Przypadków na
108
3.5
3.8
”•z
/“
ciȩcia kinematyczne
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
u
tus
•
r ”z“
/‹
n
n
Analiza w kanale
(CDF)
Rozkłady dla
§¦ §¦
¥
¥
£¤£¤
™ ™
"
¢"
¢
¡ ¡
"
"
™ ™ ™

œ
›
š
™
Ÿ Ÿ
ž ¨

œœ
›
›
š
š
Znaczoności dla
:
(w oknie masowym
(w oknie masowym
Warszawa 05.12.03
)
, z użyciem NN)
A.Kalinowski
+z
+
y
xz
uI
w
tuv
t
I
*
r +*
n
n
+zz
+
yy
I
w
…
I
+
*
*
Analiza w kanale
(D0)
(także wkład od
pozostanie niewykryty)
Sygnał:
, gdy lepton
Sygnatura: dwa dżety b, duża brakuja̧ca energia.
QCD
W/Z + dżety
WZ
ZZ
+„
pojedyncze t
Warszawa 05.12.03
przekrój czynny BR [pb]
115
0.016
130
0.0075
Główne źródła tła:
Kanał
Przekrój czynny [pb]
+zz +~ +~ +~
~
~
z
+
~
ƒ
ƒ
z
+
+~I‚+yzz++yzz++zzƒvzvz
+zz~ƒ ‚ƒIx yIxvI
+„+z„
I …} …I
… …I
…
+
…
v
*
I
v
*
*
+
*+*
+*I
IIII
+
+
*
*
*
*
+
*
*
*
*
Proces
]
€
~
4}
|3
Masa h [
normalizowane do danych
2.5+0.7
0.135
0.137
6.8
1.8
A.Kalinowski
u
tu
t
r
n
n
Selekcja w kanale
. Użycie sieci neuronowej.
+„
ˆ
ŠŠ
&
¬{
«/
1
«/
ª
Ciȩcia kinematyczne + selekcja przy użyciu sieci neuronowych.
Użyto sieci
. Sieć była trenowana na przypadkach tła i sygnału, w
których oznaczono dwa dżety b, oraz
GeV/c.
Ciȩcie na wyjściu sieci było wykonywane po wszystkich ciȩciach kinematycznych.
Akc.[%]
Zh
83.4
™™  ®¯
­
Proces
(
)
ZZ
Warszawa 05.12.03
15.0
63.2
73.1
A.Kalinowski
u
tu
t
r •
”
z
‹“
n /
n
Analiza w kanale
Rozkłady dla
™
Ÿ
¨

œ
›
š
Warszawa 05.12.03
§¦
¥
£¤
™
"
¢
¡
"
™
Znaczoność dla
:
(w oknie masowym
)
A.Kalinowski
1
A
@
?
>
=
6
5
:
9
6
;
:
Ciȩżki Higgs:
SM Higgs branching ratios (HDECAY)
_
bb
WW
Dla
z
zakresu
najczȩstrzym
kanałem
rozpadu
jest
. Leptony i neutrina z
rozpadu V pozwalaja̧ na użycie
dominuja̧cego kanału produkcji,
do poszukiwań Higgsa.
ZZ
gg
mas
C
B
F
&
DE
&
C
G
F
0.1 ττ
±
°
°
I
H
_
cc
H
I
L
L
10-2
γγ
10-3
100
120
Zγ
140
160
m (GeV/c2)
H
Warszawa 05.12.03
180
200
A.Kalinowski
?
9
Ciȩżki Higgs:
Podstawowe kanały poszukiwań
Ë
XË
ÆÇ ¿ À¿ ÆÇ
XY
Y
Å ÅÃ Ä
Á
Á
¯
Á Â
¯
¯
ÁÈ
W
¯
Ê
É
É
À¿
¿
¾X
XY
¸¹ · ¸ · ¹
Y
¯
µ
¶
¯
´
´
³
W
º¼»
½
½
²
²
:
brakuja̧ca energia, leptony o przeciwnych ładunkach
Warszawa 05.12.03
+ inne kombinacje rozpadów VVV:
brakuja̧ca energia, leptony o tych
samych ładunkach
A.Kalinowski
t
t
s
s
r
n
n
Kanał
+y
”y
Îxx
I
v
v
I
w
I
+
*
*
Sygnał:
Sygnatura: dwa leptony o przeciwnych ładunkach, duża brakuja̧ca energia.
przekrój czynny BR [fb]
140
3.9
190
2.5
Główne źródła tła:
Kanał
Przekrój czynny [fb]
+zz
+
y
”
x
+y
”
x +yy”Îx Îy
Îyx”Îx ÎyxIx
IIx x+zz
v …I
…v
v …vv
IIII
+
+
*
+
+
„
*
*
*
*
*
I
+
*
*
+„
Proces
]
€
~
4}
|3
Masa h [
WW
130
ZZ
2.4
WZ
2.4
Warszawa 05.12.03
13
A.Kalinowski
ÐÐ
s
s
Kanał
Ó

Ò
ÑÒ €
Ñ
xx
I
4
4
4
I
w
4

I ~}
4
+
*
3
*
|
Sygnał:
Sygnatura: dwa leptony o jednakowych znakach, dżety.
Masa h [
]
przekrój czynny BR [fb]
140
0.34
190
0.2
Ó+zz
Ó

Ò
Ó
Ò
Ò

ÑÒ+yx ÒҁÒ
Ñ
xxI
+z Ñx ÑÒx
I z Ñx Ñx
v
I
Ò
Òv 4I
4
+
4
I
„
…
v+„ 4I
*
+*
II
*+*
+*I
+
*
*
*
+
+
„
„
Proces
Główne źródła tła:
Kanał
WZjj
VVV
V
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Progi świetlności
†‡
ÔÕ
/
Pytanie: Ile trzeba zebrać danych by móc potwierdzić ze znaczonościa̧ S
(na poziomie ufności
) istnienie bozonu Higgsa o zadanej masie
?
Założenia:
ÜÛ
×Û
ÙÚ
×Ø
Ú
Ö
×
ß
׀
Û
ßÞ
ÛހØ
݀
.
# # # #Ù
znamy dobrze rokład tła:
znamy efektywność ciȩć na tło:
znamy efektywność ciȩć na sygnał:
szacujemy oczekiwana̧ liczbȩ przypadków sygnału i tła:
å
æ
Ú
å
äØ
áãâ
à
.
Õ
”ç‹
€/
Šˆ(
.
Õ
Prawdopodobieństwo przyjȩcia fałszywej hipotezy:
Dla S=5,
Warszawa 05.12.03
.
A.Kalinowski
Wyznaczanie progów świetlności. Prosty przykład
)
/)‹
.
äÚ
ß
ä€
Û
ßÜ
Üۀ
ۯ
èé
.
å
‹/
/‹‹ ‹(
..‹
ä
å
ß
æ
ä€ åØÚ
€Û ä
èéãë
.áàâê
ä
å
å•
.
n
n
∫P
0.006
S+B
(x)dx = 1 - α
∞
0.004
∫ P (x)dx = β
0.003
B
0.002
n
n1
0.001
0
900
950
1000
1050
™

ì
-∞
0.005
Interesuje nas odkrycie na
poziomie 99%, czyli chcemy, by
.
Wynik prawdziwego eksperymentu może zafluktuować do
wartości
daja̧c odkrycie na
ża̧danym poziomie.
1100
1150
# • L0/L
ï

ì
Ÿ

íî
í
Prawdopodobieństwo odkrycia na poziomie 99% = 0.018
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Wyznaczanie progów świetlności. Prosty przykład
)
/)‹
.
äÚ
ß
ä€
Û
ßÜ
Üۀ
ۯ
èé
.
å
‹/
/‹‹ ‹(
..‹
ä
å
ß
æ
ä€ åØÚ
€Û ä
èéãë
.áàâê
ä
å
å•
.
n
n
0.009
∫P
0.008
S+B
(x)dx = 1 - α
0.006
∞
∫ P (x)dx = β
0.005
B
0.004
0.003
n
n1
0.002
0.001
0
900
950
1000
1050
™

ì
-∞
0.007
Interesuje nas odkrycie na
poziomie 99%, czyli chcemy, by
.
Wynik prawdziwego eksperymentu może zafluktuować do
wartości
daja̧c odkrycie na
ża̧danym poziomie.
1100
1150
# • L0/L

ì
Ÿ

íî
í
Prawdopodobieństwo odkrycia na poziomie 99% = 0.36
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Wyznaczanie progów świetlności. Prosty przykład
)
/)‹
.
äÚ
ß
ä€
Û
ßÜ
Üۀ
ۯ
èé
.
å
‹/
/‹‹ ‹(
..‹
ä
å
ß
æ
ä€ åØÚ
€Û ä
èéãë
.áàâê
ä
å
å•
.
n
n
∫P
0.01
=1-α
∞
∫P (x)dx = β
0.006
B
n
0.004
n1
0.002
0
900
950
1000
1050
Interesuje nas odkrycie na
poziomie 99%, czyli chcemy, by
.
Wynik prawdziwego eksperymentu może zafluktuować do
wartości
daja̧c odkrycie na
ża̧danym poziomie.
™

ì
-∞
0.008
S+B(x)dx
1100
1150
# • L0/L

ì
Ÿ
ð

íî
í
Prawdopodobieństwo odkrycia na poziomie 99%= 0.5
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
ó
)
ñ
/)‹
ò
.
äÚ 
ß
ä€ ñ
Û
ßÜ
Üۀ
ۯ
èé
.
å
‹/
/‹‹ ‹(
..‹
ä
å
ß
æ
ä€åØÚ
€Û ä
èéãë
.áàâê
ä
å
å•
Wyznaczanie progów świetlności. Prosty przykład
.
∫P
0.01
-∞
0.008
S+B(x)dx
=1-α
B
n
0.004
n1
0.002
0
900
950
1000
1050
1100
1150
# • L0/L
ñó
ò
∫P (x)dx = β
0.006

õ
ô
™
∞
õ
ô
™
n
n

ì
Ÿ
ð

íî
í
Dla
otrzymujemy
ża̧dana̧ znaczoność.
to
prawdopodobieństwo odrzucenia prawdziwej hipotezy. Dla
rozkładu normalnego średnia, wyznacza medianȩ, wiȩc
. Oznacza to, że
przy świetlności
mamy
50% szans na odkrycie na
poziomie 99%.
Zwykle rozkłady nie sa̧ gaussowskie. Wtedy za n, bierzemy
medianȩ rozkładu S+B.
Prawdopodobieństwo odkrycia na poziomie 99% = 0.5
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Kombinacja wyników dla wszystkich kanałów
Progi świetlności wyznaczamy na podstawie nastȩpuja̧cej procedury:
è
ö
ß
1. Wyznaczamy kryterum “sukcesu”, np. wykluczenie na poziomie ufności
95%, odkrycie na poziomie 3 lub 5
(wykluczenie, lub odkrycie definiujemy używaja̧c metody
, lub Bayesa)
2. Wykonujemy seriȩ pseudoeksperymentów dla różnych świetlności i mas
Higgsa (dla przypadku wykluczenia symulujemy tylko tło)
~
4}
|3
//ˆ
.
†‡
3. Świetlność wymagana̧ np. do wykluczenia Higgsa o masie
wyznaczamy jako tȩ dla której 50%
pseudoeksperymentów da wynik pozytywny.
Innymi słowy jako próg świetlności przyjmujemy taka̧ ilość danych, przy jakiej
przyszły eksperyment ma 50% szans powodzenia ( w sensie z punktu 1).
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Wyniki dużej liczby pseudoeksperymentów
ù
ß÷ø ßÜ
- górna granica na przekrój czynny
na poziomie 95%
- przekrój czynny przewidywany
przez MS.
czarna linia - mediana,
zielony obszar = 68%, żółty = 95%
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
6
ú
:
9
6
6
:
Progi świetlności dla lekkiego Higgsa:
¨
"
ñ
"
Przewidywana świetlność w 2007 r.:
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
6
5
:
9
6
ú
:
Progi świetlności dla ciȩżkiego Higgsa:
”•
z
“
'ª(
&
è
&
ŠŠ(
Przewidywana świetlność w 2007 r.:
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
t
t
s
s
r
n
n
Analiza systematyki w kanale
ß
Scałkowana świetlność na jeden eksperyment wymagana do wykluczenia
istnienia bozonu Higgsa na poziomie 95% lub jego odkrycia na poziomie 3 .
“10% syst. error” odpowiada zwiȩkszeniu tła o 10%, oraz zmiejszeniu sygnału o
ten sam czynnik.
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Analiza systematyki dla skombinowanych wyników
§¦
¥
£¤
™™

­
û
Zmiana świetlności wymaganej do odkrycia Higgsa o
na
poziomie 3 przy zmianach przekroju czynnego na procesy sygnału i tła.
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski
Podsumowanie, czyli co z tego wszystkiego wynika.
”•
z
“
W chwili uruchomiena LHC (2007), Tevatron zbierze miȩdzy 2.1 a 3.8
danych.
Jeśli pokładać zaufanie w symulacjach Monte Carlo to:
~
43} ý
ý
‹|‹ ˆ‹
ˆ
üÔ/ &
/1‹
~
4}
|3
/'‹
&
#
z dużym pradopodobieństwem (
o masie
lub
Higgsa jest wiȩksza)
~
4}
|3
//ˆ
ü
Warszawa 05.12.03
ß
#
z małym prawdopodobieństwem (
masie
.
) wykluczy istnienie Higgsa
(pod warunkiem, że masa
) odkryje na poziomie 3
Higgsa o
A.Kalinowski
Warszawa 05.12.03
A.Kalinowski