31
Search for produc-on of a Higgs boson and a top quark pair at CMS in the H>bb Mode Evan Wolfe University of Virginia DPF2017 August 1, 2017

Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Search  for  produc-on  of  a  Higgs  boson  and  a  top  quark  pair  at  CMS  in  the  H-­‐>bb  Mode  

 

Evan  Wolfe  University  of  Virginia  

DPF2017  August  1,  2017  

Page 2: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Introduc-on  •  With  discovery  of  125  GeV  Higgs  in  2012  we  now  

move  from  the  era  of  searching  to  characteriza,on  –  Thus  far  appears  to  be  SM  like…  

•  One  of  the  most  important  characteris-cs  that  remains  to  be  measured  is  the  coupling  between  the  top  quark  and  the  Higgs  –  Top  is  most  massive  fundamental  par-cle  we  know  

of  thus  far…  –  Yukawa  coupling  may  show  hints  at  BSM  physics  if  

devia-ng  from  SM  value  –  =H  produc,on  allows  direct  probe  at  tree  level  

where  as  gluon-­‐gluon  fusion  requires  loops    

 

2  8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017  

Driven  by  Indirect  Measurements  

Page 3: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Higgs  Produc-on  and  Decay  •  Cross  sec-on  for  WH  ~510  D  @  13  TeV  

–  This  is  an  increase  of  3.8  from  8TeV  –  Only  1%  of  total  cross  sec-on  for  Higgs  

produc-on  is  WH  though…  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   3  

•  Branching  Ra-o  of  Higgs  to  bb  ~58%  –  Largest  decay  mode  however  it  

comes  with  large  background…  =bar  

 

Page 4: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Overcoming  Background  •  =bar  background  goes  up  by  3.3  going  from  

8TeV  à  13TeV  –  Challenging  due  to  top  decays  to  leptons  

and  addi-onal  jets  being  present  •  Combina-ons  from  both  top  and  Higgs  

decays  cause  many  complex  final  states  and  combinatorial  headaches.  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   4  

X  

Page 5: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Searching  for  WH  •  Searches  at  CMS  for  WH:  

–  W  +  ϒϒ:  Hàϒϒ  Lower  Produc,on,  VERY  CLEAN  –  W  +  leptons:  Hà  WW,ZZ,ττ  Lower  Produc,on,  Lower  Background  –  W  +  b’s:  Hàbb  Dominant  Branching  Ra,o,  Complex  Final  State,      

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   5  

•  Need  to  be  able  to  sii  through  the  background  to  get  to  the  actual  signal  

How  do  we  select  what’s  what...  Get  specific.  

=+bb  

•  In  addi-on  to  standard  =  produc,on,  gluon  going  to  bb  can  mimic  our  signal  

Page 6: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Event  Selec-on:  SL  or  DL  Semileptonic  Events:  

–  Exactly  1  lepton(e  or  μ)    •  Veto  events  with  addi-onal  

iden-fed  leptons  to  ensure  no  overlap  with  dileptonic  events.  

•  pt  >  25GeV(e),30GeV(μ)  •  |η|<  2.1  •  ΔR  =  0.3(e),  0.4(μ)  isola-on  

–  At  least  4  jets  among  which  atleast  2  are  b-­‐tagged.  

–  OR  fulfill  boosted  event  selec-on  •  Boosted  t  and  H  (pt  ≥  200GeV)  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   6  

Dileptonic  Events:  

 

   

–  Exactly  2  oppositely  charge  leptons(e  or  μ)  •  Leading  lepton  pt  >  20GeV  •  Subleading  lepton  pt  >  15GeV  •  Both  |η|<2.4  •  ΔR  =  0.3  isola-on  

–  Invariant  mass  of  lepton  pair  >  20  GeV  –  Same  flavor  channels:  

•  76  GeV  <  mll  <  106GeV    •  missing  Et  >  40  GeV  

–  At  least  2  jets  with  pT  >  30GeV  and  |η|  <  2.4  •  Other  jets  >  20GeV  

Page 7: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Event  Classifica-on:  Njets  &  b-­‐tags  •  Semileptonic  Events:  

   

•  ≥  6  jets,  ≥  4  b-­‐tags  •  ≥  6  jets,  ≥  3  b-­‐tags  •  ≥  6  jets,  ≥  2  b-­‐tags  •  5  jets,  ≥  4  b-­‐tags  •  5  jets,  3  b-­‐tags  •  4  jets,  3  b-­‐tags  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   7  

•  Dileptonic  Events:  

 

 

 •  ≥  4  jets,  ≥  4  b-­‐tags  •  ≥  4  jets,  3  b-­‐tags  •  4  jets,  2  b-­‐tags  •  3  jets,  3  b-­‐tags  •  3  jets,  2  b-­‐tags  

 

   

   

   

   

   

   

   

   

With  events  categorized,  easier  to  compare  signal  and  background  for  differences  …  

Page 8: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Data  MC  Comparison  •   Signal  and  Background  both  modeled  with  

Monte  Carlo  –  WH  Signal  modeled  with  PYTHIA8  –  WW,WZ,W+jets  modeled  with  

MADGRAPH  –  W  background  modeled  with  POWHEG  

and  PYTHIA8  (More  on  this…)  •  Simulated  and  observed  event  yields  with  

expected  signal(scaled  up)  overlaid  showed  for  lepton+jets  categories  

   

8  8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017  

Simulated  breakdown  for  signal  rich  region  in  semileptonic…  

HIG-­‐16-­‐038  

Page 9: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Analysis  Strategy  •  WH  signal  drowned  out  by  large  W+jets  background.  

–  No  one  powerful  separa-ng  variable  –  Use  Mul-variate  analysis  techniques  such  as  Boosted  Decision  Trees  (BDT)  

to  exploit  higher  dimensional  correla-ons  among  them.  –  Training  on  MC  with  each  category  using  separate  variables  

•  BDT  input  variables  combined  –  Use  physics  objects  kinema-c  informa-on  (Pt,  event  shape…)  –  BDT  can  further  resolve  these  events  à  Inclusion  of  MEM  into  BDT  

9  8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017  

HIG-­‐13-­‐109  

Page 10: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Matrix  Element  Method  (MEM)  •  Calculates  the  differen-al  probability  density  of  

measuring  a  set  of  observables  (y)  under  the  hypothesis  that  the  event  is  generated  by  a  specific  process  (i)  

•  Provides  separa-on  between  null  hypothesis  (signal)  and  the  alterna-ve  hypothesis  (background)  

•  Parton  showering  and  detector  response  simulated  with  transfer  func-ons  from  simula-on  (GEANT4)  

 

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   10  

HIG-­‐16-­‐038  

Page 11: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Final  Discriminants  

•  Final  discriminator  shape  for  lepton  +  jets  –  6jets,  ≥4  b-­‐tags  shown  right    

•  Final  discriminant  outputs  provide  beWer  separa-on  than  any  single  input  variable.  –  Performed  across  all  event  

categories…  

   

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   11  

HIG-­‐16-­‐038  

Page 12: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Results  from  13TeV  •  We  incorporate  BDT  discriminate  shapes  

from  each  category  and  perform  a  simultaneous  fit  across  all.  

•  Seeing  no  excess,  and  without  sufficient  sensi-vity  to  probe  the  expected-­‐SM-­‐level  content,  we  place  upper  limits  using  up  to  12.9  z  -­‐1  of  pp  collision  data  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   12  

μ  =  5.2  at  95%  CL    

Combining  results  from  Semileptonic  and  Dileptonic  

HIG-­‐16-­‐038  

Page 13: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

 Ongoing  Studies  •  Background  uncertain-es  (….background  itself)  s-ll  

dominate  our  systema-cs    

•  Specifically  W+bb  produced  FAR  more  oien  than  WH(Hbb)  and  appear  seemingly  iden-cal  in  final  state  

 •  Dependency  on  MC  background  modeling  to  help  

iden-fy  discrimina-ng  variables  in  kinema-cs  

                     Accurate  Predic,ons  from  MC  ARE  A  MUST!    

•  Several  new  NLO  predic-ons  are  now  available  in  ME+PS  event  generators  

•  Studying  the  state  of  the  art  ME+PS  tools  is  crucial.  Two-­‐fold  approach:  –  Examine  consistency  when  tested  under  

equivalent  condi-ons  (WH/tH  por-on  of  HXSWG  YR4,  and  followups)  

–  Compare  to  Wbb-­‐enriched  control  regions  -­‐-­‐  how  do  the  predic-ons  compare  to  observa-ons  of  this  process?  

 

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   13  

MG5_aMC@NLO  difference  wrt  Sherpa+OpenLoops  in  YR4  puzzling  

arXiv:1610.07922v2  

Page 14: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

MC  Modeling  and  Comparisons  –  POWHEG+PYTHIA8  for  Wbar  modelling  

•  W+bb  events  make  up  small  frac-on  of  events(<  1%)  •  More  sta-s-cs  required  for  kinema-c  studies,  modeling  valida-on  

–  Sherpa+OpenLoops  sample  for  comparisons  •  Dedicated  W+bb  sample  recently  generated  •  Wbar  inclusive  sample  underway…  

–  MadGraph5_aMC@NLO  •  MG5_aMC@NLO  difference  wrt  Sherpa+OpenLoops  in  YR4  puzzling…  Dissimilar  shower  star-ng  

scale  values  hypothesized  •  At  UVA  tes-ng  new  version  of  MG5_aMC@NLO  allowing  for  adjustment  of  shower  star-ng  scale  •  Some  effect  seen  (shown  b-­‐jet  mul-plicity)  but  more  remains    

 

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   14  

Courtesy  of  Abhisek  DaWa  

Data  Driven  Studies  Not  YetPublic   Courtesy  of  Andrew  Orvedahl  

Page 15: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Outlook  for  End  of  2017  •  Improvements  for  analysis  already  underway:  

–  Increased  luminosity…  MORE  DATA  –  MC  samples  incorpora-ng  tunes  with  refined  αs  and  hdamp  variables  for  

beWer  agreement  to  data  •  Njet  distribu-on,  jet  pt…  

–  Constraining  background  uncertain-es    

         Formal  Write  Up  Coming  SOON…    

Going  forward  with  plans  to  make  first  observa,on  of    =H(Hbb)  produc,on  at  13TeV  with  Run  II  dataset  at  CMS    

 

 8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   15  

Page 16: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   16  

THANK  YOU  

Page 17: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

BACKUP  

•  BDT  Input  Variables  –  Object  and  Event  Kinema-cs:  

•  Mass  and  pt  variables  –  4  highest  transverse  jet  momenta  –  Scalar  Sum  of  all  jet  transverse  momenta  (HT)  

•  Angular  Variables  –  ΔR  between  b-­‐tagged  jets,  ΔR  between  lepton  and  closest  jet  –  Δη  between  b-­‐tagged  jets  

•  Event  Reconstruc-on  related  variables  –  Best  Higgs  Mass  –  Median  Invariant  Mass  of  all  combina-ons  of  b-­‐tagged  jet  pairs  –  Scalar  Sum  of  transverse  momentum  of  all  b-­‐tagged  jets  and  leptons  –  Invariant  mass  of  3-­‐jet  system  with  largest  tansverse  momentum  where  atleast  2  jets  are  

b-­‐tagged  –  Centrality  –  Twist  Angle  

•  CSVv2IVF  b-­‐tag  •  MEM  Discriminator  

–  Lepton+Jets  uses  as  input  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   17  

Page 18: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Event  Yields:  Semileptonic  

•  Predicted  and  observed  event  yields  aier  event  selec-on  in  lepton  +  jets  

 •  Shows  good  

agreement  with  all  final  states  across  subdivided  categories  –  Number  of  jets  and  number  of  b-­‐tags    

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   18  

Page 19: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Event  Yields:  Dilepton  •  Predicted  and  observed  event  yields  in  dilepton  events  •  Again  shows  good  agreement  across  subdivided  

categories  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   19  

Page 20: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Systema-c  Uncertain-es  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   20  

Page 21: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Boosted  Analysis:  Higgs  

•  Declustering  fat  jets  

•  Find  subjets  from  invariant  mass  

•  Jet  Grooming  

•  Returns  number  of  jets  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   21  

Page 22: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

BDT  and  MEM:  Final  Discriminants  

•  In  lepton  +  jets  (semileptonic)  events  the  BDT  and  MEM  discriminants  are  combined  

•  Boosted  Category  events  (both  top  and  Higgs)  –  BDT  used  as  final  

discriminant  –  Sensi-vity  increases  from  

reduced  combinatorics  in    reconstructed  objects  from  both  top  and  Higgs  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   22  

Page 23: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

References  

•  “Search  for  WH  produc-on  in  the  H  à  bb  decay  channel  with  s  =  13TeV  pp  collisions  at  the  CMS  experiment”  -­‐  CMS  PAS  HIG-­‐16-­‐004  

•  “First  results  on  WH  with  Hàbb  at  13  TeV”  –  CMS  AN-­‐15-­‐216  •  “Search  for  the  associated  WH(àbb)  produc-on  using  the  Matrix  Element  

Method”  –  CMS  AN-­‐13-­‐313  •  “Search  for  WH  produc-on  in  boosted  topologies”  –  GRK  Plenary  Workshop  2015,  

Shawn  Williamson  •  “Results  and  Prospects  for  WH  at  CMS”  –  51st  Rencontres  de  Moriond  EW  2016,  

Johannes  Hauk  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   23  

Page 24: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Event  Yields:  Lepton+Jets  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   24  

Page 25: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Event  Yields:  Dilepton  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   25  

Page 26: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Boosted  Analysis  

•  Large  frac-on  of  events  at  13TeV  include  top  quarks  and  Higgs  bosons  with  pT  ≥  200  GeV  –  Boosted  jet  reconstruc-on  techniques  favorable  

–  Implements  HEP  Top  Tagger  +  sub-­‐jet  filtering  

•  Candidates  require:  –  Exactly  one  selected  lepton  (only  semi-­‐leptonic)  

–  |η|  <  2.0  –  No  sharing  of  subjets  between  hadronic  top  and  Higgs  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   26  

Page 27: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Event  Classifica-on  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   27  

Page 28: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

BDT  Input  Variables:  Semileptonic  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   28  

Page 29: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

BDT  Input  Variables:  Dileptonic  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   29  

Page 30: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Boosted  Analysis:  Higgs  Discriminator  

•  CSV(B2)  shows  highest  discriminator  value  in  iden-fying  true  boosted  Higgs  over  fake  candidates.  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   30  

Page 31: Search’for’produc-on’of’aHiggs’boson’and’atop’ quark’pair ... · Higgs’Produc-on’and’Decay’ • Crossseconfor’ H ~ 510 D@13 TeV. – This’is’an’increase.of.3.8from8TeV

Systema-c  Uncertain-es  •  Sources  of  systema-c  uncertainty  affec-ng  event  yields  

(signal  or  background),  discriminant  shape,  or  both.  

8/1/16   Evan  Wolfe            DPF2017   31