Vrije Universiteit Brussel
Faculteit Wetenschappen Departement Natuurkunde
B-Tagging as a Tool for Charged Higgs Boson Identification in CMS
Steven Lowette
Promotor: Prof. Dr. Stefaan Tavernier Co-promotor: Prof. Dr. Jorgen D’Hondt Proefschrift ingediend met het oog op het behalen van de academische graad Doctor in de Wetenschappen November 2006
Doctoral examination commission Chair: Prof. Dr. Catherine De Clercq (VUB) Supervisor: Prof. Dr. Stefaan Tavernier (VUB) Co-supervisor: Prof. Dr. Jorgen D’Hondt (VUB) Prof. Dr. Gigi Rolandi (CERN) Prof. Dr. Fabio Maltoni (UCL) Prof. Dr. Ben Craps (VUB) Prof. Dr. Robert Roosen (VUB)
Waartoe de wereld amuseren? Ik wens slechts aandacht van een vriend en zou u graag met gaven eren van hoger waarde, als mijn tiend verschuldigd aan een ziel vol dromen van levend heil, vol po¨ezie en edel denken: klare stromen van eenvoud, licht en harmonie. Maar ’t zij zo. Neem dit onvolkomen geheel goedgunstig aan en lees mijn volks, utopisch, komisch, treurig verhaal of mengeldicht: een kleurig product dat half doordacht ontrees aan slapeloosheid, inspiratie, onrijpheid, dorheid, blijdschap, smart, verstandelijke observatie en de gekweldheid van het hart.
Aleksandr Sergejevitsj Poesjkin Opdracht uit Jewgeni Onegin, 1827.
Contents Contents
v
Introduction
1
1 The Standard Model and Beyond 1.1 The Standard Model of Elementary Particles . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Interactions from gauge symmetries . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Gauge interactions in the Standard Model . . . . . . . . . . . 1.1.3 Renormalization and running coupling constants . . . . . . . . 1.1.4 The origin of mass: spontaneous symmetry breaking . . . . . 1.1.5 Experimental status of the Standard Model . . . . . . . . . . 1.2 Beyond the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Shortcomings of the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 The 2HDM: an extension of the Standard Model Higgs sector 1.2.3 Supersymmetry and the MSSM . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Limits on charged Higgs bosons in the 2HDM and the MSSM 1.2.5 Alternative extensions of the Standard Model . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
3 3 4 5 8 9 11 13 14 17 18 22 23
2 Physics at the Large Hadron Collider 2.1 Colliders at the Energy Frontier . . . . . . . . . . 2.2 The Large Hadron Collider . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 The LHC design and operation . . . . . . 2.2.2 Experiments at the LHC . . . . . . . . . . 2.3 Physics at the Large Hadron Collider . . . . . . . 2.3.1 Coordinate conventions in proton collisions 2.3.2 Proton collisions at the LHC . . . . . . . . 2.3.3 The LHC physics program . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
25 25 27 27 30 32 32 32 34
3 Strong Interactions in Proton Collisions 3.1 Inelastic Proton Collisions . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 From proton to parton scattering . . . . . 3.1.2 Parton density functions . . . . . . . . . . 3.1.3 The underlying event . . . . . . . . . . . . 3.2 Partonic Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Phenomenology of 2 → 2 parton scattering 3.2.2 Phenomenology of 2 → 3 parton scattering
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
39 39 40 41 42 43 44 47
v
vi
CONTENTS
3.3
Hadronic Final-State Formation . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 The parton shower . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Heavy quarks from gluon splitting . . . . . . . . . . 3.3.3 Jet fragmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Jets with heavy-flavour content . . . . . . . . . . . 3.4 Examples of Parton-Level Phenomenology . . . . . . . . . 3.4.1 Inclusive top-quark pair production . . . . . . . . . 3.4.2 Top-quark pair production with additional partons 3.4.3 Charged Higgs-boson production . . . . . . . . . .
4 CMS Detector, Simulation, and Data Handling 4.1 The Compact Muon Solenoid . . . . . . . . . . . 4.1.1 The CMS tracker . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Track and vertex reconstruction . . . . . . 4.1.3 The CMS calorimeter system . . . . . . . 4.1.4 Energy reconstruction in the calorimeters . 4.1.5 The CMS muon spectrometer . . . . . . . 4.1.6 Standalone muon reconstruction . . . . . . 4.2 The CMS Software and Computing Environment 4.2.1 Detailed detector simulation . . . . . . . . 4.2.2 Parametrized detector simulation . . . . . 4.2.3 The CMS software framework . . . . . . . 4.2.4 Distributed CMS computing . . . . . . . . 4.3 The CMS Online-Selection System . . . . . . . . 4.3.1 The Level-1 trigger . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 The High-Level Trigger . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
48 48 50 51 53 55 55 56 59
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
63 63 64 66 69 71 73 75 77 78 79 79 81 83 83 85
5 Event Reconstruction 5.1 Jet Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Jet clustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Jet-reconstruction efficiency and fake rate . . . 5.1.3 Jet energy-scale corrections . . . . . . . . . . . 5.1.4 Jet resolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5 Association of jets with the signal vertex . . . . 5.2 b-Jet Identification Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Track impact-parameter tagging . . . . . . . . . 5.2.2 Secondary-vertex tagging . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Soft-lepton tagging . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Performance of b-identification algorithms . . . 5.2.5 Correlations between b-identification algorithms 5.3 Electron and Muon Identification . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Offline electron reconstruction . . . . . . . . . . 5.3.2 Offline muon reconstruction . . . . . . . . . . . 5.3.3 Lepton resolutions . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4 Lepton-identification observables in t¯t events . . 5.3.5 Lepton-identification efficiencies in t¯t events . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
89 89 90 92 93 97 99 100 101 105 106 108 111 113 113 114 116 116 121
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
vii
CONTENTS
5.4 Transverse missing-energy reconstruction . 5.5 Constraining Events with a Kinematic Fit 5.5.1 Principles of kinematic fitting . . . 5.5.2 Applications of kinematic fitting . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
127 128 128 129
6 Measurement of b-Jet Identification Efficiencies 6.1 b-Enriched Jet Samples from Top-Quark Events . . . . . . 6.1.1 Event reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Event selection for semi-leptonic t¯t events . . . . . 6.1.3 b-Enriched jet sample from semi-leptonic t¯t events . 6.1.4 Event selection for fully-leptonic t¯t events . . . . . 6.1.5 b-Enriched jet sample from fully-leptonic t¯t events . 6.2 Systematic Uncertainties on the b-Jet Purity . . . . . . . . 6.2.1 Phenomenological systematic uncertainties . . . . . 6.2.2 Detector-related systematic uncertainties . . . . . . 6.2.3 Systematic-uncertainty results . . . . . . . . . . . . 6.3 Measurement of b-Identification Efficiencies . . . . . . . . 6.3.1 Principle of the measurement . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Measurement on the considered samples . . . . . . 6.3.3 Parametrization of the b-identification efficiency . . 6.3.4 Expected uncertainties on b-tagging efficiencies . . 6.3.5 Combination of the results . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Alternative measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
133 133 134 135 137 142 143 148 148 151 152 154 154 155 157 160 160 163
. . . . . . . . . . . . . .
165 165 167 167 169 170 171 173 174 175 175 178 179 180 181
. . . . .
185 185 187 190 191 192
7 Charged Higgs-Boson Identification in the H± → tb Channel 7.1 Charged Higgs-Boson Search Strategies in the H± → tb Channel 7.2 Charged Higgs-Boson Identification with Three b-Tagged Jets . 7.2.1 Event reconstruction and selection . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Selection of the optimal jet association . . . . . . . . . . 7.2.3 Mass reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4 Background suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5 Statistical significance and discovery potential . . . . . . 7.2.6 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Charged Higgs-Boson Identification with Four b-Tagged Jets . . 7.3.1 Event reconstruction and selection . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Selection of the optimal jet association . . . . . . . . . . 7.3.3 Background suppression . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4 Statistical significance and discovery potential . . . . . . 7.3.5 Systematic uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Conclusions and Perspectives 8.1 Charged Higgs Bosons in the H± → tb Decay . 8.2 Charged Higgs Bosons in the H± → τ ν Decay . 8.3 Charged Higgs-Boson Observability at the LHC 8.4 The MSSM Higgs Sector at the LHC . . . . . . 8.5 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
. . . . .
viii
CONTENTS
Bibliography
195
List of Abbreviations
207
Summary
211
Samenvatting
213
Acknowledgements
215
212
SUMMARY
Samenvatting Het Standaard Model beschrijft de gekende elementaire deeltjes en hun interacties uitzonderlijk goed. Verscheidene tekortkomingen, zoals het hi¨erarchieprobleem, duiden er echter op dat het Standaard Model dient gezien te worden als een effectieve limiet bij lage energie van een meer fundamentele theorie bij een hogere energieschaal. Verschillende van de voorgestelde uitbreidingen van het Standaard Model voorspellen de waarneming van nieuwe fysica aan de TeV energieschaal. Dit energiedomein zal worden verkend door de Large Hadron Collider (LHC) aan het CERN, voorzien om opgestart te worden aan het einde van 2007. Een aantrekkelijk voorbeeld van een dergelijke uitbreiding van het Standaard Model introduceert de zogenaamde supersymmetrie, die bosonen met fermionen relateert en veel van de tekortkomingen van het Standaard Model oplost. Enkele van de vele nieuwe deeltjes die voorspeld worden zijn Higgs bosonen, dewelke nodig zijn om massatermen te voorzien in de theorie. In een minimaal scenario zijn twee Higgs-doubletten vereist, wat leidt tot vijf Higgs bosonen, waarvan er twee geladen zijn. In deze thesis wordt de mogelijkheid bestudeerd tot het waarnemen van geladen Higgs bosonen met grote massa in het H± → tb vervalkanaal met het CMS experiment aan de LHC. Twee strategie¨en worden onderzocht, gebaseerd op de identificatie van ofwel drie, ofwel vier b-jets. In deze context wordt een nieuwe methode voorgesteld voor de calibratie van algoritmes voor b-identificatie. Top-quark paren, die in grote hoeveelheden zullen worden geproduceerd aan de LHC, worden gebruikt om stalen van jets af te zonderen met een hoge zuiverheid aan b-jets. Op deze geselecteerde stalen kan de performantie van de b-identificatie worden gemeten. Een multivariate techniek wordt gebruikt om de systematische en de statistische fout in evenwicht te brengen, wat resulteert in een optimale verwachte precisie op de meting van de performantie van de b-identificatie. Voor 1 fb−1 (10 fb−1 ) ge¨ıntegreerde luminositeit wordt de verwachte relatieve precisie op de efficienctie van b-jet identificatie geschat op ongeveer 6% (4%) in de centrale “barrel” regio, en ongeveer 10% (5%) in het voorwaardse “endcap” gedeelte van de detector. Het behaalde resultaat is op dit ogenblik de beste schatting van de verwachte b-identificatie onzekerheden in het CMS experiment, en het wordt gebruikt als systematische onzekerheid in alle analyses die b-jet identificatie gebruiken. De analyse van de geladen Higgs-boson identificatie in het H± → tb vervalkanaal illustreert het belang van de calibratie van algoritmes voor b-identificatie. In deze studie wordt de combinatorische complexiteit in het signaal behandeld met een multivariate aanpak, maar ondanks deze optimalisatie blijkt de reconstructie van de geladen Higgs boson massa bijzonder moeilijk. Extra complicaties komen van de t¯t+jets achtergrond, 213
214
SAMENVATTING
die zeer groot is en wordt gedomineerd door gebeurtenissen met extra niet-b jets die verkeerdelijk worden ge¨ıdentificeerd als b-jet. Het in rekening brengen van systematische onzekerheden op de achtergrond laat geen sensitiviteit over voor dit kanaal in twee Higgs-doublet modellen tijdens de fase van lage luminositeit van de LHC. Dit resultaat is ge¨ınterpreteerd in de context van de minimale extensie van het Standaard Model, en wordt in het kader geplaatst van alternatieve vervalkanalen en de zoektocht naar neutrale Higgs-bosonen aan de LHC.
Acknowledgements The completion of a thesis does not only involve research, studying and writing, but is as much a personal exploration and learning process. A process which is impossible to bring to an end without the expertise, help and friendship of many. In these few paragraphs I would like to show my gratitude towards all those people who have been important to me during the realization of this thesis. First I would like to thank my promotor Prof. Stefaan Tavernier, who gave me the opportunity to enter this exciting world of particle physics, and who has always provided me with the freedom and means to explore and learn. Many thanks also to the members of the jury, the Professors Catherine De Clercq, Gigi Rolandi, Fabio Maltoni, Ben Craps, and Robert Roosen, for their interest and efforts and the resulting constructive comments and lively discussions. A very special thank you goes to my copromotor Prof. Jorgen D’Hondt, who has been during these years an amazing source of guidance, motivation, creativity, patience and friendship. And delicious meals. A doctorate in physics involves a certain passion for science, which often implies a great deal of stimulation from several people in earlier years. In this context I remember with great pleasure the years at the Volkssterrenwacht Mira that stirred up my interest in astronomy and physics. In secondary school I had the luck to be taught physics by Henk Foriers, a very inspiring and gifted teacher, who put me on the track towards physics studies. At the university the challenges and corresponding pleasure only increased further, and I’d like to thank especially Stijn Nevens for those fine years, Prof. Franklin Lambert for his involvement in my diploma thesis and Prof. Henri Eisendrath for bearing all those delays for the teacher’s education. Working in high-energy physics means working in a surprisingly warm and social community. Many colleagues have also become good friends, with whom I often share very good memories of both work and leisure. At the IIHE, I would in particular like to thank Pascal Vanlaer, Barbara Clerbaux, Olivier Devroede, Benoˆıt Roland, Daan Hubert, Cedric Lemaˆıtre, Stijn De Weirdt and especially Jan Heyninck, a friend that is very valuable to me, and from whom I have still a lot to learn. Also a big thanks to Rosine, Marleen, and all others who provided me with invisible but invaluable logistic support. In the Belgian community many colleagues from Louvain-la-Neuve, Antwerp and Mons are to be thanked, in particular Christophe Delaere and Pavel Demin. And let’s not forget about the large but scattered international group of colleagues and friends: the CMS b-τ and b-tag groups, with Christian Weiser and Fabrizio Palla; the Higgs group, with Sasha Nikitenko; the many individuals within CMS that helped me out, and whom I sometimes only know from emails; the theoreticians from Les Houches and elsewhere, in particular Tilman Plehn; the fellow summer-school students, 215
216
ACKNOWLEDGEMENTS
especially the “JJC” and the “Cernia” crowd; and finally so many individuals, in particular Filip Moortgat, Alexander Schmidt, Daniele Benedetti, Caroline Collard and of course Stephanie Beauceron. Life is not all about work, and many friends have contributed as well to these years in an indirect but significant way. There is the VUB’s orchestra, this large group of people sharing the passion for music and great fun. Also many WK-people are to be thanked, preferably in a very nostalgic way. And so many others... Thanks a lot Martijn, Anke, Marianne, Gabri¨el, Eveline, Rembert, Viki, Pierre, Dimitri, Els, Feije, Dirk, Jo, Julie, Veronique, Bram, Evi, Eileen, Annelies,... To conclude I would like to thank my parents and my sisters, who have been the most valuable support of all. So many times you have been ready to listen, help and support in difficult moments. You have given much more than I ever asked for. Thank you so much.
Het denken mag zich nooit onderwerpen, noch aan een dogma, noch aan een partij, noch aan een hartstocht, noch aan een belang, noch aan een vooroordeel, noch aan om het even wat, maar uitsluitend aan de feiten zelf, want zich onderwerpen betekent het einde van alle denken. Henri Poincar´e 21 november 1909 Uit een redevoering ter gelegenheid van de 75ste verjaardag van de Universit´e Libre de Bruxelles.
