Standard Model Higgs in the 4-lepton channel Stefano Rosati INFN Roma For the Cosenza, Genova, LNF, Roma1, Roma2 groups With contributions from: F. Cerutti, R. Di Nardo, A. Di Simone, L. La Rotonda, E. Meoni, A. Nisati, B. Osculati, F. Parodi, S. Rosati, E. Solfaroli, T. Venturelli 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

S. Rosati - Atlas Italia Higgs Outline Breve sommario della nota CSC e dei risultati principali Tutti i risultati sono ora relativi a samples CSC ricostruiti nella release 13 Programma di analisi con i primi dati Attivita’ dell’Higgs WG in collaborazione con i gruppi di combined performance Attivita’ in collaborazione con il gruppo Standard Model Modelli di analisi utilizzati per la nota CSC e programmi per il futuro Approccio utilizzato per l’analisi ed Event Data Model 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

S. Rosati - Atlas Italia Higgs The HZZ*4l channel Channel with high discovery potential over the whole mass range Clean channel Low statistics, excellent lepton identification performance needed Optimal reconstruction efficiency Fake rates must be kept well under control to avoid dangerous backgrounds Electron reco efficiency Muon reco efficiency 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Backgrounds + Main backgrounds: Irreducible: ZZ*/g*4leptons: sNLO•BR = 57 fb Reducible Zbb : sNLO•BR = 812 fb Reducible tt : sNLO•BR = 6.1 pb Other possible backgrounds considered are WZ3l, Z2l+X, Zcc Dominant background after the event selection is ZZ*/g* + Pythia, rescale s to NLO (MCFM) M4l dependent <K>=1.34 Increased by 30% due to gg box gg fusion + qq annihilation MC@NLO AcerMC / rescaled to NLO MCFM K-factor ~1.4 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

S. Rosati - Atlas Italia Higgs Trigger Both single and di-lepton trigger menus have been considered m10, m20, e15i, e22 are the typical trigger elements used 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Lepton Identification Electrons: Loose = isolated and contained LAr cluster matched to an ID track Medium = Loose + LAr calo strips information + ID track quality Medium+CaloIso = Medium + calo isolation using EM and HAD cells in a DR=0.4 cone using 4 medium+CALOISO below 200 GeV, 4 loose above Muons: Combined Low-pT = ID track extrapolated to an inner or medium station muon track segment 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Reducible background rejection 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Performance vs Higgs mass Efficiencies Mass resolutions 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

S. Rosati - Atlas Italia Higgs Results Expected events for 10 fb-1 MH=130 GeV Signal ZZ*/g* Zbb 4e 1.2 0.3 0.1 4m 3.1 0.6 2e2m 3.8 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Background extraction from data R. Di Nardo, A. Di Simone Various approaches to the background fits and significance extraction tested Fits of background and signal distributions Significance for discovery and exclusion from the profile likelihood ratio Input for the combination 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Contributions to the first data analysis The understanding of the detector is fundamental for any Higgs analysis Work in close contact with the muon and egamma trigger and combined performance groups E.g. efficiencies from data with tag and probe methods The detector performance has to be validated through the reconstruction of SM obects (Z, W) Work to be done in contact with the SM working group Crucial to understand the main background sources to the H4l channel Measurement of the backgrounds will be crucial to produce the first results (exclusion at high masses and at 150 GeV possible already with less than ~1 fb-1 with the H4l channel alone) Zbb, ttbar (isolation, IP measurement, b-tagging) We plan to take part in the measurement of the di-boson cross section (ZZ): will be possible only starting from 2009 data (2-3 fb-1 at 14 TeV) 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Electron reconstruction Many members of the H4l group are already active in the Egamma combined performance We are trying to work in close contact with the group Provide feedback to the reconstruction, present results at meetings Activities foreseen in the immediate future: Study of track isolation in presence of pileup Optimization of electron ID Calo/ID combination: optimum pT measurement, brem-recovery Zll+X background Additional electrons from inner/external bremsstrahlung or faked by a jet Potentially dangerous background for 4e and 2e2m channels In release 13, with relaxed electron ID cuts, we started considering this process as a potential background Difficult right now because of MC stat, need detailed study on data Study of Z+jets and of Zbb (large theoretical uncertainties) 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

S. Rosati - Atlas Italia Higgs Muon Reconstruction Understand effects of misalignments in muon reconstruction Muon system and ID , MS vs ID Efficiencies and fake rates from data Same for the muon trigger (see talk by Max yesterday) Momentum scales from in-situ performance studies Include results in the analysis, study systematics s on differential distributions E.g. on the M4l distribution fitted to extract the significance for discovery/exclusion Muon isolation in presence of pileup Studies of cavern background in data This study is not directly related just to the Higgs of course – However it’s important to compare the measured trigger rates and fake offline muons to the MC results Check the background rates vs h,f and station Include the cavern background from data in the simulation The software infrastructure for MC and data overlay is in preparation 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Background extraction from data and systematics F. Cerutti (Laboratori Nazionali Frascati) L. La Rotonda E.Meoni T. Venturelli (Università della Calabria) CSC note activities: Background extraction from data and systematics Si generano una serie di pseudo-esperimenti corrispondenti alla statistica di 30fb-1 Per ciascuno si contano gli eventi finali dopo i tagli dell'analisi nella regione del segnale (NobsMW(i)) Si stimano gli eventi di fondo (2 tecniche sviluppate) nella regione del segnale Si stimano gli eventi di segnale come SMW(i)=NobsMW(i)-BMW(i) Si calcola la significanza Due metodi di estrazione sviluppati: A) Fit nelle sidebands Si fitta ciascun pdeudo-esperimento con la funzione del fondo (unico parametro del fit è la normalizzazione, gli altri parametri fissati mediate fit del fondo utilizzando la stat. totale) Si ottiene BMW(i) dalla funzione estrapolata SMW(i)=NobsMW(i)-BMW(i) B) Metodo t-ratio t= BMW/BSIDEBAND BMW e BSIDEBAND ottenuti dal fit sulla statistica totale BMW(i) = t x NobsSIDEBAND (i) NobsSIDEBAND (i)=SSIDEBAND(i) +BSIDEBAND(i) 2e2m case 130 GeV selection

Bias massimo del fondo con entrambe le tecniche a livello del 10%, 30fb-1 Poisson (S e B from MC) Prof. Likelihood (from data:t-ratio method) Prof. Likelihood (from data: signal + bkg hyp.) Il metodo del fit nelle sideband da’ risultati anaoghi a quelli del metodo t Bias massimo del fondo con entrambe le tecniche a livello del 10%, incercezza statistica sul fondo con entrambe ben al di sotto del 10% Le sistematiche: A) Stima errata del fondo Zbb a 130 GeV Si calcola la variabile t usando solo eventi ZZ invece negli pseudo-esperimenti sono inclusi anche gli eventi Zbb. La variazione della significanza è a livello dell’8% Stima errata della soglia e della risoluzione di ZZ a 180 GeV Si calcola la variabile t con il parametro legato alla soglia (risoluzione) dello ZZ La variazione della significanza è a livello del 21% se la soglia è scorretta al livello dell’1%.La variazione della significanza è a livello del 5-7% se la risoluzione è scorretta al livello del 20%

Piani per il futuro A livello “tecnico”: *Imparare a lavorare sui DPD: -A livello base: come si creano , come si usano -Lavorare sui DPD prodotti o da noi privatamente o centralmente o prodotti con un codice ufficiale (HiggsToFourLeptons Package) *Usare la Grid (già lo facciamo lanciamo ganga da lxplus ed usiamo come Bach di coda il Tier di Roma1) A livello di “studi di fisica”con dati MC: *Partecipare all’ analisi dei nuovi dati MC a 10 TeV A livello di “studi con i primi dati”: *Con L> 10pb-1 : -studio di Z mm e Z ee fondamentali per la comprensione iniziale del detector - Misura efficienze di identificazione, scala E/P, risoluzione dei letponi * Con L>100 pb-1 /1 fb-1 studio dei fondi: - Normalizzazione del fondo ZZ usando campioni di Z e MC - Normalizzazione dei fondi Zbbar e ttbar mediante opportuni control-sample - Studio variabili di isolamento/vertexing dei leptoni

modello di dati,accesso ai dati, computing Per analizzare i dati CSC, abbiamo utilizzato sia le ntuple prodotte con il package HiggsToFourLeptons sviluppato dal gruppo di Roma1, sia un nostro codice privato (sviluppato sotto:PhysicsAnalysis/AnalysisCommon/UserAnalysis/) che analizza gli AOD e che produce una serie di istogrammi. Attualmente giriamo l'analisi sulla GRID utilizzando Ganga (da lxplus) e come batch di coda usiamo il tier di Roma1.

BTagging nell’analisi H->4l Bianca Osculati, Fabrizio Parodi (Genova) Strategia: Utilizzare il pacchetto standard di analisi per la ricerca del segnale Higgs  4l sfruttando le informazioni del b-tagging Ovviamente: massima reiezione del fondo contemporanea massima accettanza del segnale ricostruito nell’ analisi standard H->4l Diverse scelte possibili per: le variabili di btagging da utilizzare, l’ottimizzazione dei tagli, a quale passo passo della procedura di analisi inserire le selezioni 20-6-2008

Variabili BTagging usate: Standard variabili : weightForTag (“IP3D”) Bianca Osculati, Fabrizio Parodi (Genova) Variabili BTagging usate: Standard variabili : weightForTag (“IP3D”) weightForTag (“SV1”) weight() la variabile standard weight() combinazione di IP3D e SV1; definizione di variabili globali di evento: d0_totale: d0 totale dei 4 leptoni ( somma d0 al vertice primario dei 4 leptoni selezionati) Peso_totale: peso dell’evento come b (somma di weight() di tutti i jets nell’evento ) 20-6-2008

tuning di “vicino” e “alta” Bianca Osculati, Fabrizio Parodi (Genova) Su campioni di segnale Higgs (mH150 GeV) e fondo (Zbb) sono state provate due diverse “strategie”: Preliminare: durante la ricostruzione, nella ricerca dei 4 leptoni, vengono rigettati i leptoni che hanno “vicino” jet con “alta” probabilita` di essere b tuning di “vicino” e “alta” Finale: vengono utilizzate le variabili globali relative all’evento Peso_totale e d0_totale e su queste variabili si applica un taglio che rigetta gli eventi “troppo” B-like Tuning di “troppo” 20-6-2008

Bianca Osculati, Fabrizio Parodi (Genova) Analisi preliminari mostrano risultati piu` favorevoli con la seconda strategia (“Finale”) Maggior riduzione del fondo Minor perdita del segnale Con questa strategia, con una semplice ottimizzazione dei tagli da applicare, si ha una riduzione del fondo Zbb al 33%, mentre il segnale viene mantenuto al 99% Le potenzialita’ dell’approccio “Preliminare” (soprattutto in termini di riduzione di candidati muoni da decadimento semileptonico) devono essere ancora ottimizzate. Necessario affrontare lo studio della robustezza della selezione in funzione della qualita’ dell’allineamento (eventualmente individuando variabili di b-tagging piu’ robuste). 20-6-2008

Tools di analisi utilizzati L’analisi si basa sugli AOD, gira in Athena e usa i Physics Analysis Tools sviluppati dalla collaborazione Un package in Athena (HiggsToFourLeptons) raccoglie tutto il codice Molto utile ai fini della collaborazione tra piu’ persone Un algoritmo di analisi utilizza vari tool indipendenti con compiti specifici E.g. Trigger: tool per lo studio delle performance (efficienze, trigger-aware analysis), si basa sul TrigDecisionTool sviluppato dai gruppi di trigger per l’accesso ai dati negli AOD L’output e’ un ntupla con informazioni avanzate (per fare plot/correlazioni dopo l’analisi) e un set di istogrammi e tabelle di performance Cioe’ un file di D3PD Implementazioni alternative sono benvenute e molto utili per confronti e miglioramenti Il confronto avviene sempre sulla base dei risultati La definizione dei DPD (D1PD e D2PD) nell’Higgs WG e’ appena iniziata  AOD ma con meno informazioni Ma con i primi dati potrebbe essere piu’ necessaria la back-navigation agli ESD: stesse classi degli AOD ma con accesso a piu’ informazioni 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

Esempio: analisi dei dati FDR2 HiggsToFourLeptons in release 14 Stream Egamma, ideal detector Ganga v4.4.14 Jobs sent to the Roma1 Tier2 e+e- Z mass peak Loose electrons Medium Electrons Electron calo isolation Cone 0.2 Cone 0.4 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs

S. Rosati - Atlas Italia Higgs Conclusioni Il canale HZZ*4l vede una grande partecipazione di vari gruppi italiani Quasi tutti i risultati inclusi nella nota CSC sono stati prodotti da gruppi italiani Il lavoro sulla nota CSC e’ vicino alla sua conclusione L’attivita’ proseguira’ con l’analisi dei primi dati Collaborazioni piu’ strette con i gruppi di trigger, combined performance e SM Partecipazione alle misure di performance L’analisi H4l dovra’ tenere conto dei risultati degli studi di performance sui processi SM  bias sui risultati dell’analisi Efficienze di trigger vs h,f,pT Efficienze di ricostruzione offline vs h,f,pT Fake rates Scale di impulso ed energia,risoluzioni 20/6/2008 S. Rosati - Atlas Italia Higgs