Page 1

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)  

Short lecture on the Higgs Discovery at LHC given during the IPPOG Masterclass 2013 program in Serbia

Advertisement