Suche nach dem Higgs-Boson im Vier-Jet-Kanal mit dem L3-Detektor bei LEP

Wienemann, Peter; Böhm, Albrecht

doi:317

Suche nach dem Higgs-Boson im Vier-Jet-Kanal mit dem L3-Detektor bei LEP

Wienemann, Peter

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Peter Wienemann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangVIII, 115 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Böhm, Albrecht (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-02-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-3175
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/56866/files/Wienemann_Peter.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit beschreibt die Suche nach dem Higgs-Boson, welches vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt wird, um den Bosonen und Fermionen ihre beobachteten Massen zu verleihen. Die Suche wird mit den Daten durchgeführt, die mit dem L3-Experiment am Large Electron Positron Collider (LEP) in den Jahren von 1998 bis 2000 aufgezeichnet wurden. Insgesamt ist eine integrierte Luminositaet von 628/pb bei Schwerpunktsenergien zwischen 189 GeV und 209 GeV registriert worden. Die vorliegende Arbeit beschaeftigt sich mit der Analyse der Reaktion e+ e- --> H Z --> bb- qq-. Der beobachtete Vier-Jet-Endzustand resultiert aus dem Higgs-Boson, was in ein b b--Paar zerfällt, und einem hadronischen Z-Zerfall. Es ist der haeufigste einer Reihe von moeglichen Higgs-Zerfallskanaelen. Nach einer anfaenglichen Selektion, die vier-jet-artige Ereignisse mit hoher Multiplizitaet verlangt, wird ein neuronales Netz verwendet, um Signal vom Untergrund zu trennen. Dieses Netz verwendet Grössen zur b-Quark-Identifikation zusammen mit kinematischen und Jet-Form-Variablen. Anschliessend wird die Neuronale-Netz-Antwort mit der aus einem kinematischen Fit gewonnenen, rekonstruierten Higgs-Masse gefaltet, um eine Higgs-Massen-abhaengige Diskriminante zu bekommen. Diese dient zur Suche nach dem Higgs-Boson für jede Massenhypothese aus dem Massenintervall von 85 GeV bis 115 GeV. Die Zahl beobachteter Kandidaten in dem analysierten Kanal steht in guter Übereinstimmung mit der Standardmodell-Vorhersage für den Untergrund. Zur Ableitung einer unteren Massenschranke für das Higgs-Boson wird ein Likelihood-Quotient benutzt. Dieses Verfahren optimiert das Entdeckungspotenzial der Analyse in dem Sinn, dass es sowohl die Wahrscheinlichkeit, ein tatsaechlich existierendes Signal zu finden als auch die Wahrscheinlichkeit, ein nicht vorhandenes Higgs-Boson auszuschliessen, maximiert. Mit Hilfe dieser Methode konnte eine untere Higgs-Massen-Schranke von m_H > 106.4 GeV mit 95 % Vertrauensniveau gesetzt werden. Im Fall der Existenz eines 100 GeV-Higgs-Bosons wäre es mit einer Signifikanz von 3.4 sigma beobachtet worden. Obwohl die vorliegende L3-Vier-Jet-Analyse keinerlei Hinweise fuer die Existenz eines Higgs-Signals liefert, bevorzugen die LEP-kombinierten Ergebnisse ein Higgs-Boson der Masse 115.6 GeV. Der Hauptursprung dieses 2.1 sigma-Überschusses im Vergleich zur Untergrund-Erwartung sind die Daten des ALEPH-Vier-Jet-Endzustandes. Aufgrund der Tatsache, dass der LEP-Betrieb im Jahr 2000 eingestellt wurde, bleibt die Entscheidung, ob LEP die Higgs-Entdeckung knapp entgangen ist, zukünftigen Beschleunigern wie Tevatron oder LHC überlassen.

This thesis presents the search for the Higgs boson which is predicted by the Standard Model of Particle Physics in order to endow bosons and fermions with their observed masses. The search is performed using data taken by the L3 experiment at the Large Electron Positron Collider (LEP) during the years 1998 until 2000. An integrated luminosity of 628/pb was collected in a center-of-mass energy range from 189 GeV to 209 GeV. This thesis is devoted to the analysis of the reaction e+ e- --> HZ--> bb- qq-. The observed four-jet final state results from the Higgs boson decaying to a bb- pair and a hadronic Z decay. It is the most likely of various possible Higgs decay channels. After an initial selection requiring high multiplicity, four-jet-like events a neural network is used to separate signal from background. It exploits b-tagging information together with kinematic and event shape variables. Subsequently the neural network output is folded with the reconstructed Higgs mass from a kinematic fit in order to get a Higgs mass dependent final discriminant which is used to search for the Higgs boson for each mass hypothesis in the range between 85 GeV and 115 GeV. The number of observed candidates in the analyzed channel is in good agreement with the expectation for the Standard Model background. To determine a lower limit on the mass of the Higgs boson a likelihood ratio is used. This procedure optimizes the discovery potential of the analysis in the sense that it both maximizes the probability to discover an existent signal and the probability to exclude a false signal hypothesis. By applying this method a lower limit on the mass of the Higgs boson of m_H > 106.4 GeV has been set at 95 % confidence level. If a 100 GeV Higgs boson had existed it would have been observed with a significance of 3.4 sigma. Although the L3 four-jet analysis reveals no indication of a signal, the LEP combined results show a preference for a Higgs boson with a mass of 115.6 GeV. The main origin of this 2.1 sigma excess compared to the background expectation is the ALEPH four-jet channel. Because the LEP operation has been stopped at the end of the year 2000, it will be up to future colliders like Tevatron and LHC to decide whether LEP has just missed the Higgs boson discovery.

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