τ+τ- 終状態の観測と結合定数測定
中村浩二 (高エネ研)
25th Mar, 2014 1 LHC研究会
目次
• Introduction
• Hττ過程の観測
• 結合定数の測定
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Introduction
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Phys.Lett. B716 (2012) 1-29 “These results provide conclusive evidence for the discovery of a new particle with mass 126.0±0.4 (stat)±0.4 (sys) GeV. ”
What is “new particle”?
70 < mH < 123GeV (68% CL)
粒子の質量: 125.5±0.2(stat)±0.6(sys)GeV
スピン、パリティー: スカラー粒子(JP=0+)と無矛盾
JP=0-, 1+, 1-, 2+ を棄却.
生成崩壊過程(結合) 標準理論ヒッグスと無矛盾
おそらく何らかのヒッグス粒子だろう
質量の起源
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どの素粒子の質量の起源? • 確実に言えるのはW/Z ボソンだけ。 – HWW/HZZ崩壊過程の観測
• おそらくクォークも。 – ggH 生成過程の観測間接測定(top?)
– Hbb • Tevatron (2.8σ) • CMS (2.1σ) • ATLAS (0.4σ) 合わせれば3σ?
• では leptonは? – 間接測定も含めて、観測されてない。
Yτ
Hττ崩壊 の探索
ちょっと余談
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Decay channel
Expected sensitivity
Observed Sensitivity
H(124.3)ZZ 4.4σ 6.6σ
H(126.8)ϒϒ 4.1σ 7.4σ
H(125)WW 3.7σ 3.8σ
H(125)ττ
H(125)bb 1.6σ 0.4σ
NEW
ATLAS 2011+2012 Full data 5fb-1(7TeV)+20fb-1(8TeV)
arXiv:hep-ph/0402254
Before experiment…
Sensitivity: ττ > WW > ϒϒ > ZZ > bb
Hττ (Nov 2012) 5fb-1(7TeV)+13fb-1(8TeV)
H(125)ττ 1.7σ 1.1σ
• 解析の改善に一年間ついやしました。
Analysis Strategy
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解析チャンネル • 解析は、di-tauの崩壊チャンネルごとに最適化された。 – 終状態の違い、トリガーの違い、バックグランドの違い
• ATLAS : 3 チャンネル • CMS : 6 チャンネル
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Di-tau decay branching ratio
なぜ難しいか、どのように改善したか
全く違ったアプローチ by ATLAS and CMS • ATLAS (8TeV)
– とてもシンプルな場合分け(6 categories) – 背景事象の分離にMVA を使用. (MVA score as
discriminant.)
• CMS (7+8TeV) – S/Bの異なる領域に分割(>50 categories). – カットベース解析. (Mass as discriminant.) – 但し、ee μμ チャンネルは MVA解析.
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di-tau事象選択後, S/B <0.001 典型的な背景事象の系統誤差 ~20%.
50xSM
Di-tau 質量再構成
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精度よくdi-tau質量を再構成することはバックグラウンド(Ztautau)を分離するうえで重要. しかし、一事象に2-4のνが存在
CMS もMatrix elementを用いた似たような方法を使用
ヒッグス質量の再構成
タウ粒子の質量は自身の運動量に比べて小さいため、崩壊粒子の方向はタウ粒子の方向に近い。
• MMC(Missing Mass Calculator) mass : – タウ粒子の方向と再構成可能な崩壊粒子(群)の角度分布(θ3D)を仮定して質量解を探したもの。
Background estimation overview
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• 最も重要なバックグラウンドはZττ (irreducible).
QCD and W+Jets – Shape、Normalizationともにデータから見積もる.
Zee/μμ + jets, Top, di-boson : MCによる見積もり でデータを用いて補正.
Z+jetsττ+jets :データを最大限用いた方法(embedding)
実データからZ(μμ) 事象を選択
μ+ μ-
Jet(s) Jet(s)
二つのmuonを消す
Jet(s)
ντ
τhad e+ νl
シミュレーションの τ を加える。
ジェットの運動量や pTZ はreal data!
ATLAS analysis
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Categorization
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VBF category Boosted category
• Di-tau系の横方向運動量が高いことを要求(緩いカット)
• Boostしてない事象は除去。
• 二本の前後方のジェットを要求(緩いカット)
• VBF signalのみを信号としてBDT をtraining.
BDT input variables • カテゴリ毎にBDTをtraining.
– 3 channels(ll,lh,hh) x VBF/Boosted. (total 6 categories) • 125GeV signal MC for the signal template.
• MMC(mττ) もinput変数として使用
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VBF category Boosted category
Background estimation and validation
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leplep Ztautau CR
lephad Ztautau CR
hadhad Ztautau CR
• mττ sideband CR as Ztautau validation region
NOTE: MVA(BDT) 解析は慎重にvalidateする必要がある: すべての input 変数がモデルされているか. OK. (See conf note) すべての input 変数の相関がモデルされているか. コントロール領域でBDT score分布をcheck(バックグラウンド毎).
Background estimation and validation
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Lephad Fake CR
Hadhad Fake CR
• W+jets & QCD CR lephad (high mT) hadhad(pre-selection)
• Zll CR (mll~mZ)
for leplep channel
Leplep Zll CR
Background estimation and validation
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Lephad VBF categ. leplep
Boost categ.
• B-tagコントロール領域でトップバックグラウンドをcheck.
すべてのinput 変数とコントロール領域の BDT score 分布は、 よく見積もったバックグラウンドでモデルされている。
ATLAS results
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BDT distribution in leplep SR
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ggF VBF VH Zττ Fake Top Others S/B
VBF 0.7±0.4 5.0±1.5 -- 4.6±0.6 4.5±1.7 1.8±0.4 2.7±0.4 0.42
boosted 1.7±0.7 0.7±0.2 0.2±0.1 13±1 0.8±0.3 3.5±0.9 2.3±0.2 0.13
Highest Score bin :
BDT distribution in lephad SR
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ggF VBF VH Zττ Fake Top Others S/B
VBF 1.2±0.6 7.5±2.2 -- 2.4±0.4 3.5±0.5 1.5±0.4 1.3±0.7 1.0
boosted 5.5±2.1 1.3±0.4 1.2±0.3 18±2 5.8±1.4 2.2±0.3 5.5±1.2 0.25
Highest Score bin :
𝑺
𝑩=𝟖. 𝟕
𝟖. 𝟕
BDT distribution in hadhad SR
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Highest Score bin :
ggF VBF VH Zττ Fake Others S/B
VBF 2.0±0.9 5.9±1.8 -- 5.3±1.0 5.9±0.9 0.6±0.1 0.67
boosted 2.3±0.9 0.6±0.2 0.7±0.2 9.7±1.6 1.4±0.2 0.07±0.02 0.32
Summary plots • Event yield as a function of log(S/B)
for all signal region BDTscore-bins.
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• MMC distribution where events are weighted by ln(1+S/B).
Significance and Signal strength
Assuming mH=125GeV :
μbest=1.4+0.5-0.4
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For mH=125GeV,
p0exp = 6.2 x 10-4 (3.2σ), p0
obs = 1.9 x 10-5 (4.1σ)
Evidence of Hττ decay!
Impact of uncertainty sources
CMS Analysis
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Categorization • 異なるS/Bの領域に事象をカテゴライズ.
– 前回の結果から高S/Bカテゴリを追加.
• 各 di-tau 崩壊チャンネルは最大 7 カテゴリに分割. – 27 categories for 8TeV
– 24 categories for 7TeV
– Total : 51 categories
• ee/μμ チャンネルはMVA解析。
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Used mass discriminant
MVA score discriminant
3(3) categ. 7(6) categ. 6(5) categ. 6(5) categ. 5(5) categ.
Background estimation
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Systematic uncertainties
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Tau Energy Scale(TES) が最も支配的な系統誤差の一つ (ATLASと異なる). これは、CMSが質量分布をDiscriminant変数として用いているため。
CMS Results
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Mass distribution in the signal region
• μτh channel is the most sensitive channel
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Mass distribution in the signal region
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• Other VBF channels
Summary plots
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• Calculate S/(S+B) in every bin of the mass distributions of every event category and channels.
• Weighted by S/(S+B) using 68% region around the mττ peak.
All channels : eμ, eτh, μτh, τhτh, ee, μμ eμ, eτh, μτh, τhτh Only
Significance and Signal strength
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Assuming mH=125GeV :
μbest=0.78±0.27 Evidence of Hττ decay!
Significance @125GeV: Observed 3.2σ Expected 3.7σ
他のレプトン崩壊チャンネル
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Lepton universality ? • Hμμ decay is also searched.
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Exclusion limit @125GeV: 9.8xSM
@125.5GeV bb (57%)cc (2.9%)ττ(6.2%) μμ(0.02%) γγ(0.23%) WW (22%)ZZ (2.8%)
bb WW
ZZ
ττ
This correspond to the BR(Hμμ)<0.2% So, BR(Hττ) >> BR(Hμμ)
Higgs boson does not universally couple to fermions (leptons)
Hττ まとめ
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• Both ATLAS and CMS observed significant excess in tautau searches. – Result @125GeV:
• ATLAS: 4.1σ (expected 3.2σ) – μbest=1.4+0.5-0.4
• CMS: 3.2 σ (expected 3.7σ) – μbest=0.78±0.27
– This is 4th channel which observed significant excess.
– First strong evidence of fermion decay of the Higgs Boson!
ATLAS+CMS unofficial combination : Significance : 5.2σ (expected 4.9σ) Signal Strength : μ=1.01+-0.25
Future prospect
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Updated coupling measurement results are presented.
5-10% precision for Yt, Yμ, Yτ
50-100% improve ! Yτ can be measured by a few % precision!
Combination & couplings
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bb+ττ combination
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3.8(4.4)σ observed (expected) 3.7(3.4)σ observed (expected)
𝜇𝑏𝑏,𝜏𝜏 = 0.83 ± 0.24 (stat+sys)
ATLAS CMS
ATLAS Coupling Combination
Decay mode
Sub-decay
7TeV 8TeV
Hϒϒ 4.8 fb-1 20.3 fb-1
HZZ 4l 4.6 fb-1 20.3 fb-1
HWW lνlν 4.6 fb-1 20.3 fb-1
VHVbb Zνν 4.6 fb-1 20.3 fb-1
Wlν 4.7 fb-1 20.3 fb-1
Zll 4.7 fb-1 20.3 fb-1
Hττ τlepτlep --- 20.3 fb-1
τlepτhad --- 20.3 fb-1
τhadτhad --- 20.3 fb-1
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5つのメイン崩壊過程をコンバイン (ttH,Zγ,μμは含まない)
PSM=8%
VBF過程 v.s. ggF過程
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Gw/z Yτ
Yτ
Yt
Gw/z
= =
= μVBF+VH
= μggF
但し、この測定にはBRの不定性がある
VBF過程 v.s. ggF過程 • 各過程でμVBF+VH/μggF+ttHを測定し、コンバインすることでBRの不定性を除く。
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• VBF過程の発見!
4.1σ
定義 : κ
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All measurements assume mH=125.5GeV
SM近似@mH=125.5GeV
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Fermion v.s. vector(gauge) boson
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PSM=10%
SM粒子のみとの結合を仮定 i.e. Total width をSMと仮定。 符号はκV>0とする。(κF,κV<0 ≈ κF,κV>0) HγγでκFの正負に違いが出る。
Fermion v.s. vector(gauge) boson
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Total width を仮定しない。 i.e. Ratioのみ測定可能。
PSM=10%
W and Z coupling (custdial symmetory)
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基本的にHWWとHZZで制限 λWZの符号は観測できない(λWZ>0を仮定) 間接的にVBF過程でも制限 κWはHγγでも制限
PSM=19%
λFZ<0が深いのはHγγのμが大きいせい
Up- and Down- type fermion
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2HDM等BSMに感度 Up-type はggHで制限 Down-type はHbb/ττで制限 ggHのt- b-loopから非対称性(小)
Down-typeを3.6σでEvidence!
PSM=20%
Quark v.s. lepton coupling
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Quark とleptonの対称性 Hττで制限 Hγγのt- τ-loopから非対称性(小)
Lepton Yukawaを4.0σでEvidence!
PSM=15%
Invisible and Unknown decay • Invisible やunknown 崩壊の分岐比(BRi.,u.)を含めてフィット.
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PSM=18% Hbbの感度向上で改善
Generic Model I Parameter :
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Loop の効果とTotal Width はSMを仮定 κW,κZ>0を仮定 κtの正負の非対称性はggHとHγγから わずかに負を支持(Hγγのhigh μ) κbのフィット結果が小さい(Hbbのμが小さい) せいでtotal widthがSMの約半分になる.
all other κ は約1/ 2倍に小さくなってしまう.
PSM=13%
Generic Model II
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Parameter :
Ratio にするとlow κbの効果はキャンセル λtgは制限がかからない. κtはほぼggHから制限されているため 将来的にttHの観測が大事
PSM=21%
Coupling まとめ
• 以前の結果に加え、Hττの観測で以下のようなことが明らかになった。
• 観測された過程 – VBF過程を4.1σで観測
– Down-type の結合を3.6σで観測
– Lepton Yukawa 結合を4.0σで観測
• BSMに対する制限 – 0.78<κdown/κup<1.15 (68% C.L.)
– Invisible+Unknownの崩壊分岐比にBRi.,u.<0.41の制限
• Coupling の測定結果は(7-21%の確率で)SMとコンシステント.
• 今後Hbb やttHの観測でさらなる結合の理解が進む。
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Backup
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Higgs production and decay @ LHC
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Gluon Fusion(ggF) Vector Boson Fusion W/Z Associated tt/bb Associated
Process 8TeV σ [pb]
14TeV σ [pb]
Gluon Fusion 19.1 49.9
Vector Boson Fusion 1.57 4.18
W/Z Associated 1.11 2.39
tt/bb Associated 0.128 0.611
@125.5GeV
8TeV @125.5GeV 14TeV @125GeV
Now we know the cross section and Branching ratio!
bb (57%)
cc (2.9%)
ττ(6.2%)
μμ(0.02%)
γγ(0.23%)
WW (22%)
ZZ (2.8%)
others
bb
ττ
WW
ZZ
ϒϒ
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arXiv:0901.0512 ; CERN-OPEN-2008-020
Previous result
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Hadron Collider Physics Symposium 2012
November 12 - 16, 2012 Kyoto, Japan
Last tautau public results are :
ATLAS-CONF-2012-160
Limit (exp):1.9(1.2)xSM
p0(exp): 1.1(1.7)σ
μ= 0.7 ±0.7
One year ago…
• Repeated analyses by using full data (1320fb-1) didn’t expect reaching evidence.
Backgrounds in highest score bins (leplep)
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ggF VBF VH Zττ Fake Top Others S/B
VBF 0.7±0.4 5.0±1.5 -- 4.6±0.6 4.5±1.7 1.8±0.4 2.7±0.4 0.42
boosted 1.7±0.7 0.7±0.2 0.2±0.1 13±1 0.8±0.3 3.5±0.9 2.3±0.2 0.13
Backgrounds in highest score bins (lephad)
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ggF VBF VH Zττ Fake Top Others S/B
VBF 1.2±0.6 7.5±2.2 -- 2.4±0.4 3.5±0.5 1.5±0.4 1.3±0.7 1.0
boosted 5.5±2.1 1.3±0.4 1.2±0.3 18±2 5.8±1.4 2.2±0.3 5.5±1.2 0.25
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Backgrounds in highest score bins (hadhad)
ggF VBF VH Zττ Fake Others S/B
VBF 2.0±0.9 5.9±1.8 -- 5.3±1.0 5.9±0.9 0.6±0.1 0.67
boosted 2.3±0.9 0.6±0.2 0.7±0.2 9.7±1.6 1.4±0.2 0.07±0.02 0.32
Signal strength
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Events split by categories Events split by channels
Background estimation and validation Background Lep-had Leplep hadhad
Zττ Shape : Embedding Norm : Fit in SR (+ Δη CR for hadhad)
Fake (QCD) Fake factor Estimation (used Anti-tau CR)
Shape&Norm : data
Template fit method (used non-isol CR)
Shape&Norm : data
Shape : not OS data Norm : Fit in Δη CR
Fake (W+jets) MC
Zll (lτ) Shape & Norm : MC (with SF)
Shape : MC Norm : Fit in ZCR
(80<mll<100)
MC(very small)
Zll(Jetτ) Shape : MC Norm : Fit in Zll CR
Top Shape : MC Norm : Fit in b-tag CR
MC(very small)
Diboson Shape & Norm : MC (very small)
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: Background estimated by (at least partially) data-driven way.
Fit in XX : The CRs are included in the Profile Likelihood Fit (Fit model.)
Background estimation and validation Background Lep-had Leplep hadhad
Zττ Shape : Embedding Norm : Fit in SR (+ Δη CR for hadhad)
Fake (QCD) Fake factor Estimation (used Anti-tau CR)
Shape&Norm : data
Template fit method (used non-isol CR)
Shape&Norm : data
Shape : not OS data Norm : Fit in Δη CR
Fake (W+jets) MC
Zll (lτ) Shape & Norm : MC (with SF)
Shape : MC Norm : Fit in ZCR
(80<mll<100)
MC(very small)
Zll(Jetτ) Shape : MC Norm : Fit in Zll CR
Top Shape : MC Norm : Fit in b-tag CR
MC(very small)
Diboson Shape & Norm : MC (very small)
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: Background estimated by (at least partially) data-driven way.
Fit in XX : The CRs are included in the Profile Likelihood Fit (Fit model.)
leplep Ztautau CR
lephad Ztautau CR
hadhad Ztautau CR
Mass sideband CR as Ztautau validation region :
Background estimation and validation Background Lep-had Leplep hadhad
Zττ Shape : Embedding Norm : Fit in SR (+ Δη CR for hadhad)
Fake (QCD) Fake factor Estimation (used Anti-tau CR)
Shape&Norm : data
Template fit method (used non-isol CR)
Shape&Norm : data
Shape : not OS data Norm : Fit in Δη CR
Fake (W+jets) MC
Zll (lτ) Shape & Norm : MC (with SF)
Shape : MC Norm : Fit in ZCR
(80<mll<100)
MC(very small)
Zll(Jetτ) Shape : MC Norm : Fit in Zll CR
Top Shape : MC Norm : Fit in b-tag CR
MC(very small)
Diboson Shape & Norm : MC (very small)
25th Mar, 2014 LHC研究会 62
: Background estimated by (at least partially) data-driven way.
Fit in XX : The CRs are included in the Profile Likelihood Fit (Fit model.)
Lephad Fake CR
Hadhad Fake CR
Background estimation and validation Background Lep-had Leplep hadhad
Zττ Shape : Embedding Norm : Fit in SR (+ Δη CR for hadhad)
Fake (QCD) Fake factor Estimation (used Anti-tau CR)
Shape&Norm : data
Template fit method (used non-isol CR)
Shape&Norm : data
Shape : not OS data Norm : Fit in Δη CR
Fake (W+jets) MC
Zll (lτ) Shape & Norm : MC (with SF)
Shape : MC Norm : Fit in ZCR
(80<mll<100)
MC(very small)
Zll(Jetτ) Shape : MC Norm : Fit in Zll CR
Top Shape : MC Norm : Fit in b-tag CR
MC(very small)
Diboson Shape & Norm : MC (very small)
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: Background estimated by (at least partially) data-driven way.
Fit in XX : The CRs are included in the Profile Likelihood Fit (Fit model.)
Lephad VBF categ. leplep
Boost categ.
Full categorization chart
• For 7TeV analysis, loose and tight VBF categories are merged.
• 1jet e-had cahnnels used MET>30GeV cut.
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Mass measurement of the resonance?
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Mass sensitivity in CMS
• Since CMS uses the mass distribution as discriminant, it is possible to measure the mass.
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mH=115+8-2GeV
Mass sensitivity in ATLAS • ATLAS uses BDT score as discriminant, less
sensitive to the mass measurement.
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Best fit : mH=120GeV mu=1.4
But once we use the weighted mass plots, the mass sensitivity is similar to CMS results
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Fermion vs Vector boson
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Up- vs Down- / lepton- vs quark-
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Generic Model
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CMS fermion v.s. boson
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