Se tion e a e γγ +X dans les données de D0

FinFévrier2010 estparueune analysedupro essus

γγ

+Xparla ollaboration D0[132℄ave une lu-minositéintégréede4,2

f b−1

etuneénergiedansle entredemassede1,96TeV.Lesmesuresdesse tions e a es doublement diérentiellesontétéprésentées pour lapremièrefois.Lesdistributions desse tions e a es diérentielles mesurées sont montrées gure 3.9 pour les observables

q_T

,

M_γγ

,

∆φ

et

cos(θ^∗)

(

cos(θ∗)

estle osinus de l'angleentreladire tiondu diphotonetl'undesphotons, dansleréférentieldu diphoton). Les ritères de séle tion suivants ont été appliqués :sur les variables inématiques,

E_T^γ1> 21

GeV et

E_T^γ2> 20

,

|η| < 0.9

,

30 < M_γγ < 350

GeV,

q_T < M_γγ

,

∆R(γ₁, γ₂) > 0.4

,

∆φ > π/2

,etun ritère d'isolation

E_T,iso < 2.5

GeV dansun ne

∆R < 0.4

autourdesphotons.

Commeattendu, PYTHIAprédit systématiquement unese tion e a epluspetiteque ellemesurée danslesdonnées.Ladistributiondelamasseinvariante

M_γγ

montreunbona ordentrelesdonnéesetles prédi tions deDIPHOX etRESBOS surtoutela plagemesurée. Le spe tre

qT

montre un ex ès

d'évène-Fig. 3.8  Se tion e a es diérentielle

γγ

+X pour l'observable

q_T

, pour les données de CDF et les

prédi tions deSHERPA,DIPHOX etPYTHIA 3.8.

ments dans les données pour

qT > 30

GeV par rapport aux prédi tions. Les prédi tions de DIPHOX divergent quand

q_T → 0

et sont en désa ord ave les données pour

10 < q_T < 75

GeV. Il est à noter qu'au ontrairedesmesuresde CDF,Gamma2MCn'apasétéutilisépourlediagramme Boxquiestdon seulement in lu au LO. Les distributions angulaires montrent un ex ès d'évènements dans les données qui augmente à mesure que

∆φ

et

cos(θ^∗)

dé roîssent. Il faut aussi noter que les oupures

q_T < M_γγ

,

∆R(γ₁, γ₂) > 0.4

,

∆φ > π/2

orrespondent à larégion de l'espa e de phaseoù les prédi tionsde Resbos sont les plus ohérentes (régionsoù les ontributions duesà laresommation sont valides).

Lesse tionse a esdoublementdiérentiellespourlesobservables

q_T

,

∆φ

et

cos(θ∗)

ontétémesurées dans trois régions de masse invariante :

30 < Mγγ < 50

GeV,

50 < Mγγ < 80

GeV et

80 < Mγγ < 350

GeV.L'a ordestglobalementbonpourleshautesvaleursde

M_γγ

maissedégradelorsque

M_γγ

diminue. Onmontrerasimplementi i lesdistributionsde

q_T

pourlestroisrégionsde masseinvariante(voiregure 3.10). Laprédi tion d'unnombre tropfaible d'évènements àbasse masseinvariantepeut aussiêtre om-prise omme étant dûe àlanon prise en ompte de la omposante defragmentation double par lemême quark (pour lesquels lesdeux photonssont émis olinéairement).

La gure 3.11 montre la omparaison des prédi tions de SHERPA ave les données de D0 pour le anal

γγ

+X, ave les mêmes ritères de séle tion que pré édemment. L'a ord entre données et prédi -tions semblemeilleur ave SHERPA qu'ave les RESBOS ou DIPHOX (toutefois l'é art est exprimé en déviation

σ

plutt qu'en pour entage, e qui rend la omparaison di ile). L'a ord est très bon pour la distribution

∆φ

, e qui implique que les omposantes de fragmentation ont été prises adéquatement en ompte par SHERPA. Cela tend aussià signier que les orre tions virtuelles NLO ne semblent pas primordiales pour l'estimation du taux d'évènements

γγ

+X dans les ollisions

p¯p

, et qu'une appro he utilisant l'appariement ME-PSpourlesradiations réellessut danslalimitedesin ertitudesstatistiques et systématiques delamesure.

Fig. 3.9 Se tionse a es diérentielles

γγ

+X pour lesobservables

M_γγ

(a),

q_T

(b),

∆φ

( )et

cos(θ^∗)

(d), pour les données et les prédi tions de DIPHOX, RESBOS et PYTHIA. Le rapport des se tions

e a es diviséespar elles obtenuesave RESBOS estprésentéen-dessous de haque distribution.

Fig. 3.10 Se tionse a esdiérentielles

γγ

+X pour l'observable

q_T

danslaplage demasseinvariante

30 < Mγγ < 50

GeV (à gau he),

50 < Mγγ < 80

GeV (au milieu) et

80 < Mγγ < 350

GeV (à droite), pour les données etles prédi tionsde DIPHOX, RESBOS etPYTHIA. Le rapport desse tions e a es divisées par ellesobtenues ave RESBOSest présentéen-dessous de haquedistribution.

Fig. 3.11 Se tion e a esdiérentielle

γγ

+Xdes observables

qT

(enhaut à gau he),

Mγγ

(enhaut à droite) et

∆φ

(enbas),pour lesdonnées de D0etlesprédi tions deSHERPA.

Ré upération des photons de

bremsstrahlung interne dans le anal

H → ZZ

^∗

→ 4l

Le phénomène de bremsstrahlung (émission d'un photon par une parti ule hargée) peutapparaître dèsqu'une parti ule hargéea élèreoudé élère. L'a éération/dé élération desparti ules hargées dans la matière est due aux déviations par rapport à la traje toire initiale en fon tion du hamp u tuant généré par les noyaux et éle trons. L'émission de photons par une parti ule hargée dans lamatière est appeléebremsstrahlungexterne.C'estunphénomènedominantdevantl'ionisationpourleséle tronsayant une énergiede l'ordreduGeV omme 'estle asauLHC,etquiestprisen ompte lorsdela re onstru -tion dessuper- lusters. Le phénomène de bremsstrahlung peut aussiapparaître dansle vide. Lorsqu'un éle tronouunmuonestproduitlorsd'uneintera tiondure,ilpeutémettreunphotonàl'étatnal(Final State Radiation,FSR) avant d'atteindre le déte teur: 'estlephènomène de bremsstrahlung interne.

Le pro essus

H → ZZ∗ → 4l

(

l = e, µ

) est un anal de re her he du boson de Higgs privilégié au LHC,danslamesureoùilpeutpermettreunedé ouvertepré o e dèsles premièresannéesd'exploitation du LHC à 10 ou 14 TeV (environ 5

f b⁻¹

pour un bosonde Higgs de masse180 GeV [88℄). La re her he dans e anal est omplémentaire à la re her he dans le anal

H → W W → 2l2ν

puisqu'il est le plus sensible des anaux pour laplage de masse

130 < mH < 150

GeV et

mH > 180

GeV (voir gure 2.17). Une telle sensibilité est due au fait que les leptons hargés

1

onstituent une signature laire, en raison d'unebonnerésolutionmesuréedansles hambresàmuonsetdansleECALetletraje tographepourles éle trons. Le al ulde lasigni an e pour le anal

H → ZZ∗→ 4l

,danssaversion laplus simple(et la plusrobuste)demandede ompterlenombred'évènementsdesignaletdebruitdefonddansune ertaine fenêtredemasseautourdelamasseattenduedubosondeHiggs.Au-delà delareje tiondubruitdefond, l'enjeu del'analysevaêtrede rassemblerleplusd'évènements designalpossibledansuneplagede masse invariante étroite autour du pi de résonan e du boson de Higgs an d'augmenter la signi an e d'une observation.La ré upérationdesphotonsde bremsstrahlung internes émispar leséle trons oules muons issus du boson de Higgs (voir s héma 4.1)peutaider à atteindre etobje tif en améliorant la résolution sur lamasseinvariante du bosonde Higgs.

Dansunpremiertemps,nousestimeronspar desétudesauniveaugénérateurletauxdephotonsFSR qui peuvent potentiellement être ré upérés, et nous verrons l'impa t de ette ré upération surle pi de masse.L'analysequivaêtredéveloppéedanslasuitede e hapitresefondesuruntravailantérieur[133 ℄, qui proposait une méthode de ré upérationd'unphoton FSRau maximum par évènement dansle anal

H → ZZ^∗→ 2e2µ

.Unenouvelle méthodemulti-brem de ré upérationd'unnombrevariabledephotons a été miseen oeuvre pour les trois anaux

H → ZZ^∗ → 4e

,

H → ZZ^∗ → 2e2µ

et

H → ZZ^∗→ 4µ

,qui permet d'obtenir une meilleure résolution sur la massedes bosons

Z

etdu bosonde Higgs.Ce travail a également été présenté dansles notes internes CMSAN 2008/050 [134℄ et CMS AN 2010/237 [135 ℄. La

1

Danstoutelasuitede e hapitre,lesleptonsdésignerontleséle tronsetlesmuons(le analdedésintégrationduboson deHiggsenleptonstausfaitl'objetd'uneanalysedédiéequineserapas ouvertedans etteprésenteétude).

Fig. 4.1Diagramme deFeynman pour ladésintégration

H → ZZ → 4l

,i ireprésentépour lemodede produ tion via fusionde gluons etave deux photonsFSRémis par lesleptonsdansl'état nal.

méthodeserad'aborddé ritedansledétail,puislesperforman es seront omparéesdans ha undestrois anaux etla signi an e pour les trois anaux ombinés sera estimée. Nous montrerons que laméthode multi-brem permet d'augmenter la signi an e moyenne d'environ 5% pour les masses du boson de Higgs

mH > 180

GeV.Deux analysesont étéfaites pour ontrler laméthode à partir desdonnées :les distributions desvariablespertinentespourlaré upérationdesFSRont été omparéesdanslasimulation etlesdonnéesdemuons osmiques,etuneméthoded'estimationdutauxdefauxFSRàpartirdesdonnées par une variante de late hnique des nes aléatoires aétémise aupoint.

4.1 Motivation

Lamasseinvariante dubosondeHiggssedésintégranten4leptons(dequadri-impulsions

p_1...4

)s'é rit

M2

H = |p1 + p₂+ p₃ + p₄|2

. Si un ou plusieurs leptons émettent des photons, la non-ré upération des photons de bremsstrahlung o asionne une sous-estimation de la masse invariante du boson de Higgs. L'idée de la ré upération desphotons de bremsstrahlung interne estde ramener es évènements dans le pi demasse -idéalement, ilserait né essairederé upérertous lesphotons émispar les leptons.

Les trois graphiques 4.2 montrent l'impa t au niveau parti ule de la ré upération des photons FSR ayant une énergie transverse

E_T > 5

GeV,dans le anal

H → ZZ∗ → 2e2µ

pour un boson de Higgs de masse nominale

m_H = 195

GeV dont l'é hantillon a été généré ave Pythia[26 ℄. L'émission desphotons FSR par Pythiaa été dé ritese tion 3.2.2.La résolution

σ

,lahauteur

h

et la valeur moyenne

m

du pi de masse invariante sont obtenus par un ajustement itératif ave une distribution gaussienne utilisant toute la statistique disponible (environ 4700 évènements). Une gure de mérite utilisée pour quantier l'eet de laré upérationqui serautiliséepar lasuite est lahauteurobtenue par l'ajustement diviséepar larésolution (

h/σ

).Le tableau 4.3résumel'amélioration sur

σ

et

h/σ

pour lepi demasseinvariantedu bosondeHiggs,du

Z → µ+µ−

etdu

Z → e+e−

.L'amélioration surlarésolution en masseestsupérieure à5%pourlesdeux

Z⁰

etapourrésultatd'améliorerde7,7%larésolutionsurlamassedubosondeHiggs. L'amélioration estlaplusvisibledansle anal

Z → e⁺e⁻

, araprèsséle tion leséle trons émettent deux fois plus de photons que les muons du fait de leur masse bien inférieure à elle desmuons. De plus, les graphiques 4.2montrent aussiune améliorationde lavaleur moyenne ajustéedu pi demasseinvariante, légèrement plus pro he de lamassenominale desbosons

Z

etdubosondeHiggs.

Les hirespré édentsmontrent qu'ilestimportantderé upérerlesphotonsFSRémisparlesleptons pourl'obtentiond'unpi demasseinvarianteplusramasséautourdelamassenominaledubosondeHiggs et des bosons

Z

.Toutefois es hiressont obtenus par uneanalyse au niveau parti ule où l'information surlaprovenan edesphotonsestdisponible.Auniveaure onstruit, l'enjeu estdeproposeruneméthode qui ré upérera le plus de photons FSR possibles sans être ontaminé par les photons ayant une autre origine. Une telleméthode estdé rite auparagraphe suivant.

Fig. 4.2 Masse invariante niveau parti ule:du boson deHiggs (enhaut), de

Z → µ⁺µ⁻

(à gau he) et de

Z → e+e−

(à droite), sans ré upération des photons FSR (ennoir) et ave ré upération de tous les photons FSRayant uneénergie transverse

ET > 5

GeV,dansun é hantillon

H → ZZ^∗ → 2e2µ

ave une masse dubosondeHiggs de 195 GeV.

Dans le document Observation des photons directs dans les premières données et préparation à la recherche du boson de Higgs dans l'expérience CMS au LHC (CERN) (Page 79-86)