Issuu on Google+

Otkriće Higgs bozona IPPOG Masterclasses program u Srbiji Fizički fakultet u Beogradu Predrag Milenović Institut fiziku visokih energija i astrofiziku, Univerzitet u Floridi * takođe u CMS Beogradskoj grupi,za Univerzitet u Beogradu Institut za nuklearne nauke “Vinča”, Beograd


Standardni Model i Veliki Hadronski Sudarač •

Fizika elemetarnih čestica danas provereno, izvanredna preciznost značajan razvoj poslednjih godina obavijeno misterijom... do sada...

Testiranje Standardnog modela i otvorena fundamentalna pitanja Prioritet: Narušenje elektroslabe simetrije i Higgs-ov mehanizam

Large Hadron Collider, proton-proton sudari na energijama od 7/8 TeV

Predrag Milenović

2

Beograd, Srbija, Mart 2013


ATLAS i ... Jul 2007.

Predrag Milenović

3

Beograd, Srbija, Mart 2013


... CMS u punom sjaju ... Decembar 2007.

Predrag Milenović

4

Beograd, Srbija, Mart 2013


Testiranje teorije elektroslabih interakcija [pb]

CMS

W

Production Cross Section, σtot

5

CMS 95%CL limit

Z

10

CMS measurement (stat ⊕syst)

≥1j

theory prediction

4

10

3

10

≥1j ≥2j ≥2j

≥3j

≥3j

102

≥4j

WW WZ

≥4j

ZZ H(127) → ZZ

10 jet

ET > 30 GeV

1 10-1

jet

| < 2.4

γ

ET > 10 GeV Δ R(γ ,l) > 0.7

36 pb-1

36 pb-1

1.1 fb-1

4.7 fb-1

JHEP10(2011)132 CMS-PAS-EWK-10-012

PLB701(2011)535

CMS-PAS-EWK-11-010

CMS-PAS-HIG-11-025

Neverovatan uspeh Standardnog modela!!! (posledica investiranog ogromnog teorijskog i eksperimentalnog rada) Predrag Milenović

5

Beograd, Srbija, Mart 2013


Produkcija Higgs bozona i načini raspada Produkcija

Načini raspada i njihove verovatnoće

Glavni kandidati sa detekciju Higgs-a: Male mase: H→γγ, H→ZZ Srednje i visoke mase: H→WW, H→ZZ Predrag Milenović

6

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → ZZ → 4l

Predrag Milenović

7

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → ZZ → 4l •

Zlatan kanal - lako prepoznatljiv zapis u detektoru •

profitira zbog izvanredne rezolucije detektora proces H → ZZ → 4l

‘‘nerazlučivi’’ procesi

‘‘razlučivi’’ procesi (instrumentalni šum) •

Bitni aspekti analize •

Precizna rekonstrukcija leptona

Prezicna procena šuma

Optimalno iskorišćenje kinematičke informacije

Predrag Milenović

8

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → ZZ → 4l Zlatan kanal - lako prepoznatljiv zapis u detektoru •

profitira zbog izvanredne rezolucije detektora Uska rezonanca u spektru mase 4 leptona Events / 3 GeV

proces H → ZZ → 4l

20

ZZ

18 16 14 12 10 8

Bitni aspekti analize

6

Precizna rekonstrukcija leptona

4

Prezicna procena šuma

2

Optimalno iskorišćenje kinematičke informacije

Predrag Milenović

0

9

s = 8 TeV, L = 12.21 fb -1

CMS Preliminary

LEP excluded (95% CL)

80

100

Z+X mH=126

120

140

160 m4l [GeV]

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → ZZ → 4l Zlatan kanal - lako prepoznatljiv zapis u detektoru •

profitira zbog izvanredne rezolucije detektora Uska rezonanca u spektru mase 4 leptona Events / 3 GeV

proces H → ZZ → 4l

20

ZZ

18 16 14 12 10 8

Bitni aspekti analize

6

Precizna rekonstrukcija leptona

4

Prezicna procena šuma

2

Optimalno iskorišćenje kinematičke informacije

Predrag Milenović

0

10

s = 8 TeV, L = 12.21 fb -1

CMS Preliminary

LEP excluded (95% CL)

80

100

Z+X mH=126

120

140

160 m4l [GeV]

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → ZZ → 4μ

Predrag Milenović

11

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → ZZ → 4μ

Predrag Milenović

12

Beograd, Srbija, Mart 2013


Rezultati - otkriće (jul 2012) Region niskih masa

Zatvoreni

12 10 8 6 4 2 0

-1

s = 7 TeV, L = 5.05 fb ; s = 8 TeV, L = 5.26 fb

80

100

120

-1

Data

Zatvoreni podatci

Izmereni podatci

Events / 3 GeV

CMS Preliminary

140

160

180

m4l [GeV]

Predrag Milenović

13

Beograd, Srbija, Mart 2013


Rezultati - otkriće (jul 2012) Region niskih masa

Zatvoreni Procenjeni pozadisnki događaji

-1

Data

12 10 8 6 4 2 0

-1

s = 7 TeV, L = 5.05 fb ; s = 8 TeV, L = 5.26 fb

Zatvoreni podatci

Izmereni podatci

Events / 3 GeV

CMS Preliminary

80

100

120

Z+X *

Z ,ZZ

140

160

180

m4l [GeV]

Predrag Milenović

14

Beograd, Srbija, Mart 2013


Rezultati - otkriće (jul 2012) Region niskih masa

• •

Izmereni podatci

Events / 3 GeV

CMS Preliminary

Otvoreni Procenjeni pozadisnki događaji

-1

s = 7 TeV, L = 5.05 fb ; s = 8 TeV, L = 5.26 fb

-1

Data

12

Z+X

10

*

Z ,ZZ

8 6 4 2 0

80

100

120

140

160

180

m4l [GeV]

Predrag Milenović

15

Beograd, Srbija, Mart 2013


Rezultati - otkriće (jul 2012) Region niskih masa

• • •

Izmereni podatci Otvoreni Procenjeni pozadisnki događaji

Events / 3 GeV

CMS Preliminary

Očekivan signal na mH = 126 GeV

-1

-1

s = 7 TeV, L = 5.05 fb ; s = 8 TeV, L = 5.26 fb

Data

12

Z+X

10

*

Z ,ZZ mH=126 GeV

8 6 4 2 0

80

100

120

140

160

180

m4l [GeV]

Predrag Milenović

16

Beograd, Srbija, Mart 2013


Rezultati - otkriće (jul 2012) Region niskih masa

• •

Otvoreni Procenjeni pozadisnki događaji

Events / 3 GeV

Izmereni podatci

CMS Preliminary

Očekivan signal na mH = 126 GeV

s = 7 TeV, L = 5.05 fb-1 ; s = 8 TeV, L = 5.26 fb-1

12

Data

7 TeV 4e, 4µ , 2e2µ 8 TeV 4e, 4µ , 2e2µ

Z+X

10

Z *,ZZ

8

mH=126 GeV

6

Preciznost merenja mase

4

s = 7 TeV, L = 5.0 fb-1

CMS Preliminary

m4l [GeV]

s = 8 TeV, L = 5.3 fb-1

16

4e (7 TeV) 4! (7 TeV) 2e2! (7 TeV) 4e (8 TeV) 4! (8 TeV) 2e2! (8 TeV)

14 12

2

2%

0

10

1%

8

m4l [GeV]

6 4 2 70

80 80 90 100

200

300

400

500

m4l [GeV]

Predrag Milenović

100

120

140

160

180

m4l [GeV]

600 700 800

17

Beograd, Srbija, Mart 2013


“Noć otvaranja” (jun 2012)

Predrag Milenović

18

Beograd, Srbija, Mart 2013


Maseni spektar (H → ZZ → 4μ) 35

CMS Preliminary

ATLAS -1

s = 7 TeV, L = 5.1 fb ; s = 8 TeV, L = 19.6 fb

-1

Events/2.5 GeV

Events / 3 GeV

CMS Data

30

Z+X *

Z ,ZZ

25

30

Data

ATLAS Preliminary (*)

Background ZZ 25

Background Z+jets, tt Signal (m =125 GeV)

20

Syst.Unc.

(*)

4l

H

mH=126 GeV

s = 7 TeV: Ldt = 4.6 fb-1 s = 8 TeV: Ldt = 20.7 fb-1

20 15

15 10

10

5

5

0

H ZZ

80

100

120

140

160

180

0 80

m4l [GeV]

100

120

140

160 m4l [GeV]

Registrovan višak događaja oko 125/126 GeV u skladu sa očekivanjima za Higgs boson Standardnog Modela!

Predrag Milenović

19

Beograd, Srbija, Mart 2013


Višak događaja (H → ZZ → 4μ) CMS - region niskih masa Local p

0

local p-value

1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16

ATLAS 105 103 10 10-1

5

10-3 Observed 7 TeV Observed 8 TeV

7

CMS Preliminary H ZZ 4l s = 7 TeV, L = 5.1 fb

ATLAS Preliminary (*)

H ZZ 4l s=7 TeV: Ldt =4.6 fb-1 s=8 TeV: Ldt =20.7 fb-1 1 2 3

10-5

4

10-7

5

10-9

6

Observed 7+8 TeV Expected

Obs 2012 Exp 2012 Obs 2011 Exp 2011 Obs Combination Exp Combination

-1

10-11

s = 8 TeV, L = 19.6 fb-1

7

-13

10

110 120 130 140 150 160 170 180

mH [GeV]

110 120 130 140 150 160 170 180 mH [GeV]

Očekivana statistička značajnost oko 124.3 GeV: ~7.1σ (~6.5σ) Izmerena statistička značajnost oko 125.8 GeV: ~6.5σ (~6.1σ)

Predrag Milenović

20

Beograd, Srbija, Mart 2013


Višak događaja (H → ZZ → 4μ) CMS - region visokih masa Local p

0

local p-value

1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 100

ATLAS 105 103 10

Obs 2012 Exp 2012 Obs 2011 Exp 2011 Obs Combination Exp Combination

ATLAS Preliminary (*)

H ZZ 4l s=7 TeV: Ldt =4.6 fb-1 s=8 TeV: Ldt =20.7 fb-1 1 2 3

10-1

5

10-3 Observed 7 TeV Observed 8 TeV

10-5

4

10-7

5

10-9

6

Observed 7+8 TeV Expected

7

CMS Preliminary H ZZ 4l s = 7 TeV, L = 5.1 fb

-1

10-11

s = 8 TeV, L = 19.6 fb-1

200

300 400

7

-13

10

1000

mH [GeV]

110 120 130 140 150 160 170 180 mH [GeV]

Očekivana statistička značajnost oko 124.3 GeV: ~7.1σ (~6.5σ) Izmerena statistička značajnost oko 125.8 GeV: ~6.5σ (~6.1σ) odbačena hipoteza o SM Higgs bozonu: [130, 827] GeV

Predrag Milenović

21

Beograd, Srbija, Mart 2013


Masa otkrivenog bozona (H → ZZ → 4μ) 10

CMS preliminary

ATLAS

s = 7 TeV, L = 5.1 fb-1 s = 8 TeV, L = 19.6 fb-1

20

m4l m4l, m m4l, m, KD

9 8

-2 ln

-2 ln L

CMS 18 16

7

14

6

12

5

10

4

8

3

6

2

4

1

2

0

122

124

126

128

0

130

ATLAS Preliminary

(*)

H

ZZ

4l

-1

s = 7 TeV: s = 8 TeV:

Ldt = 4.6 fb Ldt = 20.7 fb-1

all systematics without MSS(e) and MSS(µ) +0.6

mH = 124.3 -0.5 (stat)

123

124

+0.5 -0.3

(sys) GeV

125

126

mH (GeV)

127 mH [GeV]

Statistička ‘‘likelihood’’ analiza kompletnog seta podataka Najverovatnija vrednost mase novog bozona: CMS:

m4l = 125.8 ± 0.5stat ± 0.2syst GeV jačina signala u odnosu na SM: μ = 0.91 ± 0.30

ATLAS: Predrag Milenović

m4l = 124.3 ± 0.6stat ± 0.5syst GeV 22

Beograd, Srbija, Mart 2013


Spin otkrivenog bozona (H → ZZ → 4μ) •

Matrix Element Likelihood Analysis (MELA): •

Kinematika raspada opisana sa 5 uglova i 2 mase

Značajna diskriminacija izmađu signala različitog spina i-ili parnosti

Svi testirani alternativni modeli za spin i parnost novog bozona odbačeni sa statističkom značajnošću 95% CL

Predrag Milenović

23

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → γγ

Predrag Milenović

24

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → γγ •

Veoma mala verovatnoća za raspad H → γγ, ali ipak jedan od najosetljivijih kanala u regionu niskih masa proces H → γγ

pozadinski procesi (šum)

Vrlo jednostavan “zapis” u detektoru: – dva izolovana fotona sa velikim trans. impulsom – rezonanca u masenom spektru dva fotona

Potencijal za detekciju direktno zavisi od rezolucije: Krucijalna uloga elektromagnetskih kalorimetara

Predrag Milenović

25

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → γγ

Predrag Milenović

26

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → γγ

Predrag Milenović

27

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → γγ •

Rezolucija mase Mγγ direktno zavisna od rekonstrukcije verteksa sudara

Događaji su analizirani po odgovarajućim kategorijama Mγγ je fitovana istovremeno u svim kategorijama (polinom nth reda za šum) 2000 1800 1600

CMS Preliminary s = 7 TeV, L = 5.1 fb-1 s = 8 TeV, L = 5.3 fb-1

ATLAS S/B Weighted Data S+B Fit Bkg Fit Component ±1 σ ±2 σ

weights / GeV

Weighted Events / (1.67 GeV)

CMS 160 140

ATLAS Preliminary Data S/B Weighted

120

Sig+Bkg Fit (m =126.8 GeV) H

100

Bkg (4th order polynomial)

80

1200

60

1000

40

s=7 TeV, Ldt=4.8 fb-1

800

20

s=8 TeV, Ldt=20.7 fb-1

600 400 200 0

120

140

weights - Bkg

1400

Predrag Milenović

12 8 4 0 -4 100

mγ γ (GeV)

28

H

110

120

130

140

150 160 m [GeV]

Beograd, Srbija, Mart 2013


Višak događaja (H → γγ) ATLAS Local p

0

CMS - region niskih masa 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 -9 10-10 10 10-11 10-12 10-13 10-14110

Expected p0 Observed p0

ATLAS Preliminary H 1 2 3 4 Data 2011 s = 7 TeV

Obs. 2011 Exp. 2011 Obs. 2012 Exp. 2012

115

120

5

-1

Ldt = 4.8 fb

6

Data 2012 s = 8 TeV -1

7

Ldt = 20.7 fb

125

130

135

140

145

150

mH [GeV]

Očekivana statistička značajnost oko 125 GeV: ~4σ (~4σ) Izmerena statistička značajnost oko 126 GeV: ~4σ (~7σ)

Predrag Milenović

29

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → WW → lvlv

Predrag Milenović

30

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → WW → lvlv •

Kanal sa odličnim performansama u širokom spektru mogućih masa bozona proces H → WW → lvlv

‘‘nerazlučivi’’ procesi

‘‘razlučivi’’ procesi (instrumentalni šum)

parovi W bozona iz raspada Higgs bozona imaju drugačije kinematičke osobine:

Korelacija između spina dva W bozona uzrokuje mali ugao između dva finalna leptona! Predrag Milenović

31

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → WW → lvlv

Predrag Milenović

32

Beograd, Srbija, Mart 2013


H → WW → lvlv Lako prepoznatljiv “zapis” u detektoru: –  2 izolovana leptona sa velikim trans. impulsom i malim uglom između njih –  velik “nedostajući” impuls u transverzalnoj ravni

Nema uske rezonance u masenom spektru ekstrakcija signala na osnovu odbroja događaja 250

200 250 150 200 100

data H125 VV Z/ * stat. syst.

mH=125 GeV W+jets Top WW

data H125 VV Z/ * stat. syst.

mH=125 GeV W+jets Top WW

CMS Preliminary

CMS

ATLAS

s = 8 TeV, L = 19.5 fb -1 s = 7 TeV, L = 4.9 fb -1

Events / 10 GeV

events / 10 GeV/c events2 / 10 GeV/c2

0-jet eµ

CMS Preliminary s = 8 TeV, L = 19.5 fb -1 s = 7 TeV, L = 4.9 fb -1 0-jet eµ

data / MC

data / MC

150 50

100 0 0 2.5 50 2 1.5 1 0.50 00 2.5 0 2 1.5 1 0.5 0 0

300 250

ATLAS Preliminary s = 8 TeV, Ldt = 20.7 fb-1 H WW

(*)

SM (sys stat) WZ/ZZ/W Single Top W+jets

Data WW tt Z+jets

e µ /µ e + 0 jets

H [125 GeV]

200 150

50

100

150

200 ll-E

50 50

100 100

150 150

100

250

[G V/ 2]

200

ll-200 E

50 0

250 250 2

[G V/ 2]

ll-E mT T

50

100

150

200

250

[GeV/c ]

300

mT [GeV]

Posebna optimizacija za svaku vrednost potencijalne mase Higgs bozona m [GeV/c ]

Predrag Milenović

50

100

150

200

250

ll-ET T

2

33

Beograd, Srbija, Mart 2013


Kombinovani rezultati CMS - region niskih masa

ATLAS

s = 7 TeV, L ≤ 5.1 fb-1 s = 8 TeV, L ≤ 12.2 fb-1

CMS Preliminary

ATLAS Preliminary

mH = 125.8 GeV

W,Z H

mH = 125.5 GeV

bb

s = 7 TeV: Ldt = 4.7 fb-1 -1 s = 8 TeV: Ldt = 13 fb

H

H → bb

s = 7 TeV: Ldt = 4.6 fb-1 s = 8 TeV: Ldt = 13 fb -1

H

H → ττ

WW

(*)

l l

s = 7 TeV: Ldt = 4.6 fb-1 -1 s = 8 TeV: Ldt = 20.7 fb

H s = 7 TeV: Ldt = 4.8 fb-1 s = 8 TeV: Ldt = 20.7 fb-1

H → γγ

H

(*)

ZZ

4l

s = 7 TeV: Ldt = 4.6 fb-1 s = 8 TeV: Ldt = 20.7 fb-1

H → WW

Combined

s = 7 TeV: Ldt = 4.6 - 4.8 fb-1 s = 8 TeV: Ldt = 13 - 20.7 fb-1

H → ZZ 0

0.5

1

1.5

2

µ = 1.30 ± 0.20

-1

2.5

Best fit σ/σSM

0 +1 Signal strength (µ)

Registrovani signal u svim kanalima je u skladu sa predviđanjima SM (još uvek velika statistička neodređenost)

Predrag Milenović

CMS:

jačina signala = μ = 0.88 ± 0.21

ATLAS:

jačina signala = μ = 1.30 ± 0.19 34

Beograd, Srbija, Mart 2013


Zaključak

LHC eksperimenti su postigli impresivne rezultate u rekordno kratkom periodu! Analiza događaja u mnogim kanalima •

H → γγ,

H → WW → lvlv

Anatomija registrovanih događaja •

H → ZZ → 4l,

CMS preliminary

Events / 3 GeV

Data mH = 126 GeV Zγ *, ZZ Z+X

30

s = 7 TeV: L = 5.1 fb-1 s = 8 TeV: L = 19.6 fb-1

20

10

Statistički značajan višak događaja oko 125 GeV Dodatni signal odbačen u regionu 130 - 827 GeV

0

100

200

400

800

m4l [GeV]

Registrovani signal je u skladu sa predviđanjima SM •

Masa bosona: 125.8 ± 0.5 GeV (CMS) 125.5 ± 0.6 GeV (ATLAS)

Spin i parnost bosona: 0+

Uzbudljiva vremena su ispred nas (nova otkrića?) •

Studenti pridružite nam se!

Predrag Milenović

35

Beograd, Srbija, Mart 2013


Zaključak •

LHC eksperimenti su postigli impresivne rezultate u rekordno kratkom periodu!

Analiza događaja u mnogim kanalima •

H → ZZ → 4l,

H → γγ,

H → WW → lvlv

Anatomija registrovanih događaja •

Statistički značajan višak događaja oko 125 GeV

Dodatni signal odbačen u regionu 130 - 827 GeV

Registrovani signal je u skladu sa predviđanjima SM •

Masa bosona: 125.8 ± 0.5 GeV (CMS) 125.5 ± 0.6 GeV (ATLAS)

Spin i parnost bosona: 0+

Uzbudljiva vremena su ispred nas (nova otkrića?) •

Studenti pridružite nam se!

Predrag Milenović

36

Beograd, Srbija, Mart 2013


Higgs Discovery at LHC (IPPOG Masterclasses lecture)