Suche nach dem Higgs-Boson in hadronischen Endzuständen mit fehlender Energie am L3-Experiment bei LEP

Zöller, Marc Henning; Böhm, Albrecht

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-11612

Suche nach dem Higgs-Boson in hadronischen Endzuständen mit fehlender Energie am L3-Experiment bei LEP

Zöller, Marc Henning

2005

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marc Henning Zöller

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangXII, 205 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Böhm, Albrecht (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-08-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-11612
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61798/files/Zoeller_Mark.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektron-Positron-Vernichtung (Genormte SW) ; Higgs-Teilchen (Genormte SW) ; L3-Detektor (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Higgs (frei) ; LEP (frei) ; L3 (frei) ; CERN (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden Suchen nach dem Higgs-Boson beschrieben, welches vom Standardmodell der Teilchenphysik und einer Erweiterung vorhergesagt wird, um den Fermionen und Bosonen die jeweils beobachteten Massen zu verleihen. Im Standardmodell wird ein Higgs-Teilchen „H” erwartet, während im Fall der Minimal Supersymmetrischen Erweiterung fünf Higgs-Bosonen beobachtbar wären. Die vorliegende Analyse bezieht sich auf das dem Standardmodell Higgs-Boson verwandte leichte neutrale „h”. Grundlage der Analysen sind die von dem L3-Experiment am Large Electron Positron Collider (LEP) bei Genf aufgezeichneten Daten der Jahre 1998 bis 2000, die einer integrierten Luminosität von 629.7/pb entsprechen und bei Schwerpunktsenergien von 189 GeV bis 209 GeV registriert wurden. Es wird speziell nach Higgs-Bosonen in hadronischen Ereignissen gesucht, bei denen ein Teil der ursprünglich zur Verfügung gestellten Gesamtenergie nicht beobachtet wird. Die Endzustände können laut theoretischer Vorhersage durch den Higgs-Strahlungsprozess, e+e- --> Z* --> HZ oder e+e- --> Z* --> hZ, produziert werden, der sich derart gestaltet, dass ein virtueller Zwischenzustand des Z-Bosons ein Higgs-Boson abstrahlt und in ein reelles Z übergeht. Der erste Analyse-Teil beschäftigt sich mit der Suche nach dem Standardmodell Higgs-Boson in der Reaktion e+e- --> HZ --> q(anti-)q nu(anti-)nu. Dies ist der zweithäufigste Kanal erwarteter Higgs-Produktionen. Die beobachtbaren Jets stammen aus dem Zerfall des Higgs-Bosons in ein Quark-Antiquark-Paar, wobei es sich im hier betrachteten Massenbereich zu etwa 75% um ein b(anti-)b-Paar handelt. Das Z-Boson zerfällt zu etwa 20% in Neutrino-Paare, so dass die sichtbare Energie der Ereignisse im Vergleich zur Schwerpunktsenergie ein Defizit gemäß der Masse des Z aufweist. In der anfänglichen Selektion werden hohe Multiplizitäten verlangt, um hadronische von leptonischen Ereignissen zu trennen, außerdem ein Mindestbetrag an fehlender Energie. Anschließend wird ein neuronales Netz verwendet, um Higgs-Zerfälle in b-Quarks zu suchen, welche in Jets mit B-Mesonen fragmentieren. Die Auswahl der Endzustände wird derart duchgeführt, dass die Trennung von Signal und Untergrund unabhängig von der Masse des Higgs-Bosons geschieht. Eine Faltung der Antwort des neuronalen Netzes mit der beobachtbaren invarianten Masse führt zur eigentlichen massenabhängigen Diskriminante für Hypothesen aus dem Massenbereich zwischen 60 GeV und 120 GeV. Die Zahl beobachteter Ereignisse stimmt gut mit der für den Untergrund vorhergesagten Anzahl überein. Mit Hilfe eines Likelihood-Quotienten wird eine detaillierte statistische Interpretation durchgeführt. Dieser ermöglicht es, die Anwesenheit eines Higgs-Bosons nachzuweisen oder seine Existenz in dem untersuchten Massenbereich auszuschließen. Die Methode liefert auf dem Vertrauensniveau von 95% eine untere Higgs-Massenschranke von m(H) > 95.6 GeV. Dies entspricht einer Standardabweichung von 1.4 Sigma im Vergleich zur Untergrund-Vorhersage des Standardmodells. Die aus dem Untergrund erwartete Massengrenze beträgt 103.9 GeV. Im Fall der Existenz eines Standardmodell Higgs-Bosons der Masse 100 GeV wäre dieses mit einer Signifikanz von 2.7 Sigma nachgewiesen worden. Bei dieser Untersuchung wurde im L3-Experiment ein Kandidat mit einer rekonstruierten Masse von 114.4 GeV beobachtet. In der Kombination aller untersuchten Ereignistopologien bei LEP zeigt sich ein maximaler Überschuss von 2.1 Sigma für eine Massenhypothese von 115.6 GeV, der aus signalartigen Vier-Jet-Ereignissen des ALEPH-Experiments resultiert. Da bei den anderen LEP-Experimenten kein signifikanter Überschuss an solchen Ereignissen beobachtet wurde, konnte insgesamt eine untere Higgs-Massenschranke von 114.4 GeV aus den Beobachtungen abgeleitet werden. Die aus der Untergrund-Vorhersage bestimmte untere Grenze lag dort bei 115.3 GeV. Im zweiten Teil der Analysen wird die Suche nach dem leichten Higgs-Boson h in der Reaktion e+e- --> HZ --> chi01 chi01 q(anti-)q beschrieben. In der minimal supersymmetrischen Erweiterung des Standardmodells (MSSM) sind je nach Wahl der Parameter Zerfälle des Higgs-Bosons h in nicht nachweisbare Teilchen möglich. Dies ist hier das leichteste Neutralino chi01, welches in R-Paritäts-erhaltenden Modellen ein Kandidat für den leichtesten supersymmetrischen Zustand (LSP) ist. Auch hier sollte man Ereignisse mit zwei Jets und fehlender Energie beobachten, wobei allerdings nun das Z-Boson hadronisch zerfällt und das Higgs-Teilchen unsichtbar ist. Eine zunächst durchgeführte Präselektion von Ereignissen berücksichtigt diese Signatur, indem hohe Multiplizität und fehlende Energie sowie eine sichtbare invariante Masse im Bereich des Z-Bosons verlangt werden. Anschließend erfolgt eine Trennung der Analyse für leichte und schwere Higgs-Bosonen durch einen Schnitt in der relativistischen Geschwindigkeit. Im Fall geringer Signal-Massen behält das entstehende Z-Boson viel kinetische Energie, so dass die daraus resultierende Geschwindigkeit hoch ist. Folgend können für beide Massenbereiche unterschiedliche Selektionen erfolgen, um die Auswahl der Kandidaten vorzunehmen. Insgesamt wird ein Intervall von Higgs-Massenhypothesen von 50 GeV bis 120 GeV erfasst. In beiden Fällen wird eine Likelihood-Analyse benutzt, um unter Verwendung topologischer und kinematischer Größen eine massenabhängige finale Variable zu konstruieren. In dieser wird sowohl die sichtbare Masse, respektive die Masse des Z-Bosons, als auch die unsichtbare Masse des entsprechenden Higgs-Bosons berücksichtigt. Die Anzahl beobachteter Ereignisse stimmt in beiden Massenbereichen sehr gut mit der vom Standardmodell vorhergesagten überein. Zur Ableitung einer unteren Massenschranke wird wieder das Verfahren der Likelihood-Quotienten benutzt. Unter der Annahme, dass der Produktions-Wirkungsquerschnitt dem des Standardmodells gleicht, konnte mit Hilfe dieser Methode aus der Beobachtung eine untere Higgs-Massengrenze von m(h) > 112.1 GeV mit 95% Vertrauensniveau bestimmt werden. Die mit Hilfe der Untergrund-Vorhersage gefolgerte untere Massenschranke beträgt 111.4 GeV. Eine Kombination mit den Kanälen, in denen das Z-Boson in Elektronen oder Myonen zerfällt, ergab eine untere Massengrenze von 112.3 GeV. Auch diese steht in guter Übereinstimmung mit der Erwartung von 111.6 GeV. Durch eine Variation des Verhältnisses der Wirkungsquerschnitte aus den Modellen kann eine obere Grenze an den Erzeugungsquerschnitt abgeleitet werden. Diese beträgt bis zur genannten Massenschranke von 112.1 GeV etwa 0.07 pb. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse aller LEP-Experimente wird folgen. Derzeitig wird mit den bisher veröffentlichten Daten eine untere Massenschranke von 114.4 GeV angegeben.

This thesis presents searches for the Higgs boson, which is predicted by the Standard Model of Particle Physics and its extensions in order to endow fermions and bosons with their observed masses. While the Standard Model predicts only one Higgs boson "H", the Minimal Supersymmetric Extension contains five Higgs bosons. This analysis refers to the light neutral "h", which has nearly the same properties as the Standard Model Higgs boson. The analyses are based on data taken by the L3 experiment at the Large Electron Positron Collider (LEP) near Geneva during the years 1998 until 2000, which corresponds to an integrated luminosity of 629.7/pb and which were collected in a center-of-mass energy range from 189 GeV to 209 GeV. The Higgs boson searches presented here analyse the data with regard to hadronic events with missing energy, since the visible energy is reduced compared to the total energy given by the LEP collider. According to theoretical prediction these final states can be produced via the Higgs-strahlung process, e+e- --> Z* --> HZ oder e+e- --> Z* --> hZ, where a Higgs boson is radiated by a virtual Z boson that subsequently goes on-shell. The first part of the analysis is devoted to the search for the Standard Model Higgs boson in the reaction e+e- --> HZ --> q(anti-)q nu(anti-)nu, which is the second most frequent channel for Higgs production. The observed jets stem from the Higgs boson decaying into a quark- antiquark pair, being a b(anti-)b pair with about 75% probability in the mass range under consideration. With a probability of 20% the Z boson goes in neutrinos, so that the visible energy of the events in comparison to the center-of-mass energy shows a deficit according to the mass of the Z. The initial selection requires high multiplicity in order to separate hadronic and leptonic events and a minimum value of missing energy. Subsequently a neural network is used to search for Higgs decaying into b quarks, which in turn result in jets with B mesons after fragmentation. The selection is performed independently of the mass of the Higgs boson, only afterwards the neural network output is folded with the visible invariant mass in order to obtain a Higgs mass dependent discriminant for mass hypothesis in the range between 60 GeV and 120 GeV. The number of observed events agrees well with the expectation for the Standard Model background. A detailed statistical interpretation is carried out by means of a likelihood ratio. This procedure offers the possibility to prove the presence of a Higgs boson or to exclude its existence in the analysed mass range. The method yields an observed lower Higgs mass limit of m(H) > 95.6 GeV at 95% confidence level, which corresponds to a standard deviation of 1.4 sigma in comparison with the background prediction of the Standard Model. The lower mass bound stemming purely from background is 103.9 GeV, thus for example, if a Higgs boson with a mass of 100 GeV had existed, it would have been observed with a significance of 2.7 sigma. Using this method a candidate with a reconstructed mass of 114.4 GeV was observed by the L3 experiment. The combination of all event topologies in the LEP results shows 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 no significant excess was observed in the data of the other LEP experiments the combination yields a lower Higgs mass bound of 114.4 GeV with an expected value of 115.3 GeV from the background simulation. The second part of the analysis describes the search for the light Higgs boson h in the reaction e+e- --> HZ --> chi01 chi01 q(anti-)q. The paramter range of the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) under investigation allows for invisible decays of the Higgs boson h, those being decays to pairs of the lightest neutralino chi01, which in R-parity conserving models is a candidate for the Lightest Supersymmetric Particle (LSP). In this case two jets and missing energy are expected too, only this time the Z boson decays hadronically and the Higgs particle invisibly, vice versa to the Standard Model decay. A first preselection of events requires high multiplicity and missing energy as well as a visible mass consistent with the Z mass considering the properties of this signature. Subsquently the analysis is split for light and heavy Higgs bosons based on a cut in the relativistic velocity, since in the case of small Higgs masses the Z boson and its decay products become more energetic, so that the velocity of the jet-system is high. Then two selections are devised to get a sample of candidates, whereby mass hypothesis in the range between 50 GeV and 120 GeV were tested. Both selections use a Likelihood analysis, which exploits kinematic and event shape variables in order to obtain a Higgs mass dependent final discriminant. This function combines information about the visible mass of the Z boson and the recoil mass of a given Higgs boson. In both mass ranges the number of observed candidates is in good agreement with the expectation for the Standard Model background. Again a likelihood ratio is used to derive a mass bound for the Higgs boson. A lower limit of m(h) > 112.1 GeV is set at 95% confidence level for the hypothesis that the production cross section equals that of the Standard Model Higgs Boson. The expected boundary based on the presence of background only amounts to 111.4 GeV. A combination with the leptonic decay channels of the Z boson leads to a lower mass bound of 112.3 GeV in good agreement with the expected limit of 111.6 GeV. Relaxing the previous hypothesis, an upper limit on the production cross section is set to 0.07 pb due to the variation of the model dependent cross section. A combination of the results of all LEP experiments will follow. Presently a lower mass bound of 114.4 GeV is indicated using previously published data.

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