CMS实验物理分析 qqH;H->rr 粒子天体中心 肖虹 导师：陈国明 2009.03.20

概述 1.LHC简介 2.工作目的和意义 3.工作内容： cut-based方法，多变量分析方法 4.工作计划

LHC简介 大型强子对撞机LHC是一个新的粒子加速器，它是质心能量为14TeV的质子－质子对撞机。它位于瑞士日内瓦的欧洲原子能中心（Center Européen Pour La Recherche Nucléaire,简称CERN）。LHC的周长为27km（千米）的、位于地下约100m的原LEP加速器隧道中心。LHC是目前已建的最大加速器，因为它的两个对撞质子束团的质心能量高达 　 。 LHC的主要物理目标是寻找Higgs和电弱模型的精确测量，其上面有4个探测器：ATLAS，CMS，ALICE和LHC-b。CMS和ATLAS是通用多目的谱仪，其3个主要物理主题包括通过探测一个或多个Higgs粒子来研究电弱对称性破缺（假如Higgs不存在，也可以研究电弱对称性破缺机制）、寻找超标准模型现象（例如超对称粒子）、更详细的研究高-Q2区域。ALICE是重离子对撞物理专用谱仪，LHC-b是B物理专用谱仪。

工作目的和意义 Higgs粒子的寻找是当今粒子物理研究中最重要的课题，是粒子物理标准模型预言的，至今尚未找到的重要粒子。几十年来，标准模型经受住了大量的实验检验，但是，其预言的最重要粒子-Higgs粒子，却一直没有在实验上发现。Higgs的寻找和性质的测量是近年高能物理实验的最前沿问题。LEP实验给出了标准模型电弱参数的精确测量，结合每个参数对标准模型Higgs质量的约束（包括有效弱混合角 和MW的测量对Higgs质量的限制），给出了Higgs质量的上限为207GeV。同时，LEP（Large Eletron Positron Colider，CERN）上通过对Higgs粒子的直接寻找，给出了Higgs粒子的质量下限114.4GeV。另外，由于理论上可微扰性和真空稳定边界的限制，使得Higgs的质量受到新物理能标Λe的影响。在Λe ～ T eV的量级上，50Gev ≤ MH ≤ 800GeV。如果标准模型一直能够适用到大统一能标Λ GUT，则Higgs质量允许的质量范围130Gev ≤ MH ≤ 180GeV。

工作目的和意义 续 通过H→γ γ来寻找SMHiggs粒子是比较重要的衰变道。虽然这一衰变道的分支比相对较低，但却有很强的不变质量峰。假设Higgs的质量较低时（例如120 GeV），可以利用这一衰变道精确测量Higgs的质量。 因此我们希望通过H→γ γ的研究掌握在LHC上寻找higgs的相关技术和经验，发掘cms探测器的潜力争取通过此道在cms上首先发现higgs粒子

介绍信号与本底 Higgs的产生过程： LHC上标准模型Higgs主要产生过程，可分为３个类４个产生道： 胶子熔合过程(gg fusion)(gg → H)。 矢量玻色子熔合过程(Vector Boson fusion，简称VBF )( gg → qqH)． 关联产生过程。包括矢量玻色子关联产生过程(qq →WH, qq →ZH)和重夸克对（主要是 ）关联产生过程（ ）（简写成 ）。 对应的费曼图如图所示

介绍信号与本底 续 H→γ γ的本底，由末态含有两个光子或者光子加jet或多个jets的过程组成。对末态含有jet的本底，因为jet中含大量的π0，而π0会误判成光子，所以成为H→γ γ的本底。末态还有两个真实光子的本底，虽然产生的光子的动力学与来自Higgs的光子分布不同，通过动力学选择可以减少这一类本底，但却是不可能完全去除的，我们称之为“不可去”本底。不可去本底包含初态两胶子通过“盒子”式费曼图产生两末态光子过程（ gg→γ γ ）和通过 初态夸克－反夸克湮灭产生两末态光子过程（ ）。末态含有至少1个造成假光子的jet的本底，我们称之为“可去”本底，主要过程包括末态为γ ＋jet以及末态为多个jets的过程（分别记为：pp → γ +jet，pp → jets）

工作内容 1.利用cut-based方法区分信号和本底 3.利用多变量分析的方法区分信号和本底

Cut-based method 根据generate level 的信息来分析信号和本底的不同之处，并从中找出较好的区分信号和本底的selection条件 然后脱离generate level对重建的信号和本底的进行区分 selection条件：光子的孤立性，事例形貌

Cut-based method中的主要选择条件（光子的孤立性） 选择两个pt最大的光子，pt分别大于40GeV和25GeV 在电磁量能器中，在光子候选者周围ΔR<0.3之中没有pt>1.5GeV的径迹 在电磁量能器中，在光子候选者周围0.06<ΔR<0.3的basic cluster之中沉积的横能量之和在桶部和端盖分别大于1.2和1.6 GeV 在电磁量能器中，在光子候选者周围0.06<ΔR<0.3的basic cluster之中沉积的横能量之和与pt最大的supercluster的横能量的比例小于0.01 在强子量能器中在光子候选者周围ΔR<0.3的super cluster之中的沉积能量和在电磁量能器中光子在supercluster之中的沉积能量的比例小于0.1

Cut-based method中的主要选择条件（事例形貌） 选择pt最大的两个jet作为forward jet的候选者（由于higgs产生的两个孤立光子会重建成两个jet，因此挑选forward jet的候选者需要去掉两个光子jet） forward jet的候选者的pt大于20GeV, |η1-η2|>4.0, 两个jet的不变质量大于500GeV

多变量分析方法（光子的孤立性） 重建光子的R9值 重建光子与最近的pt>2Gev的重建径迹之间的夹角 重建光子的pt与包含这个光子的jet的比值 径迹室内，重建光子周围dr内所有重建径迹的pt之和。Dr分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5 Ecal中重建光子周围r_min<dr<r_max内所有基团的ET和。r_min=0.06 Hcal中重建光子周围dr内所有重建tower的Et之和。

利用上一小节中对光子的孤立性的分析结果，考虑横动量最高的两个光子的孤立性的TMA BDT输出结果，即标记为NNiso1和NNios2的两个变量。 四个变量，以及　　　　　　　　　　　　　　 以及PL 考虑实例的jets信息。由于在CMSSW软件内，重建时会把所有的光子作为一个jet的候选者。在考虑jet信息时，要把包含这两个作为Higgs衰变时的候选光子（事例中最高横动量的两个光子）的jet排除后，在考虑剩下的jet。所以选取剩下jet的横动量最高和次 高的jet的横动量，以及所有剩下jet的横动量之和作为输入量，即共三个变量 。

还有一个与jet相关联的量，就是这两个高横动量光子的ET之和 与包含这两个光子的 jet的PT之和的比值。对于信号事例，这应该是等于1的高斯分布。而对于本底事例，在小于1的方向上有很长的尾巴分布。 再考虑丢失横动量MET的信息。研究发现直接使用MET，并不是一个很好的区 分量。使用MET再加上量能器的ET是一个很好的区分量。即 。 最后考虑径迹 的信息。这里定义了一个量， ，即所有径迹在某一条径迹上动量投影的和与所有径迹动量的模之和的比值的最大值。

多变量分析方法（事例形貌） 两个forward jet的不变质量 两个forward jet Eta差的绝对值 除去forward jet后剩下所有jet的pt PTJetFraction：两个forward jet的pt比除去forward jet后剩下所有jet的pt EtaJ1 EtaJ2 靠得比较近的光子和jet的不变质量rj1_mass rj2_mass rrjj_mass

Π0 gamma分辨 光子候选者的PT与包含这光子的jet 的PT 光子转化对应的两个电子候选者径迹的PT的矢量和与光子候选者横能量ET的比值。若果只对应于一根径迹，把这个比值初始化为1。对于真实的单光子簇射，如果转化了的电子都能够很好的精确重建出来，在光子重建精确的情况下，这个比值应该等于1。 而对于来自π0簇射的重建出来的光子候选者，由于大部分只有一个光子转化，所以这个比值应该小于1。 光子转化对应的两个电子候选者组成的光子与重建的光子候选者（ η , φ ）的距离

Π0 gamma分辨 续 R19。即簇射中最大晶体能量与3×3晶体矩阵的能量的比值。 S1/S25。即簇射中最大晶体能量与5×5晶体矩阵的能量的比值。 S9/（S9－S1－M2）。S9为3×3晶体矩阵的能量，M2该矩阵中能量次大值。 S4/S25。 S4为能量最大2×2晶体矩阵的能量。 (S25-S1)/S25 (S25-S9)/S25

cEE：其中ηi为重建光子对应5×5晶体矩阵内第i根晶体的位置η值。该矩阵平均值η0为该5×5晶体矩阵的能量权重平均位置的η值。权重wi为该晶体的能量对数权重，求法与第3章中介绍求簇射重心使用的能量对数权重的求法一样的 cEP：其中φi为第i根晶体的位置φ值。平均值φ 0为该5×5晶体矩阵的能量权重平均位置的φ值。权重定义与上一个变量的定义一样。 cPP：各 参数与以上两个变量的定义一致

根据训练过后的输出值对信号和本底进行区分

tmva Nnout cut取0.8 Number of events at L=1 fb^{-1}: signal=1.48119 & bkg=346.593 Scl=0.329935 L=229.659 for 5sigma discovery L=82.6774 for 3sigma evidence

Tmva——conv Number of events at L=1 fb^{-1}: signal=1.15631 & bkg=189.363 Scl=0.583209 L=73.5006 for 5sigma discovery L=26.4602 for 3sigma evidence L=11.2944 for 95% exclusion

总体事例数（归一） VBF*100 rbox rborn rjet jets 总事例数（/fb） 1200 36000 45000 600000 4800000 Cut based 33.9791 8.07883 1.81698 7.11626 20.7689 Tmva——conv 115.6 4.32 1.413 38.82 190.56 tmva 148.042 6.51642 1.21132 89.2767 249.227

总体事例数 VBF rbox rborn rjet jets 总事例数 124700 944691 445794 1854908 1386686 Cut based 3531 （2.83%） 212 （2.2e-4） 18 （4e-5） 22 （1.19e-5） 6 （4.32e-6） Tmva——conv 13093 (10.5%) 112 (1.2e-4) 14 (3.14e-5) 120 (6.47e-5) 55 (3.97e-5) tmva 16822 (13.49%) 200 (2.1e-4) 19 (4e-5) 395 (2.13e-4) 114 (8.22e-5)

115-130Gev之间事例数（归一） VBF*100 rbox rborn rjet jets 总事例数（/fb） 1200 36000 45000 600000 4800000 Cut based 32.4779 1.60052 0.201887 1.29386 tmva 135.676 1.90538 17.7906 48.4609

115-130Gev之间事例数 VBF rbox rborn rjet jets 总事例数 124700 944691 445794 1854908 1386686 Cut based 3375 42 2 4 tmva 14099 50 55 14

Note cut result

工作计划 继续寻找更好的区分信号和本底的方法 在真实事例来了以后，可以根据所研究的两个方法做选择，压低本底，寻找higgs信号