Recast of CMS Invisible Higgs search Jim Brooke, Henning - PowerPoint PPT Presentation

8th December 2014 Recast of CMS Invisible Higgs search Jim ¡Brooke, ¡Henning ¡Flaecher, ¡Dominic ¡Smith ¡ (University ¡of ¡Bristol) 1 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting on Dark Matter

Introduction Found ¡a ¡Higgs ¡boson ¡measured ¡with ¡a ¡mass ¡of ¡125 ¡GeV ¡ • All ¡current ¡measurements ¡of ¡this ¡Higgs ¡are ¡compatible ¡with ¡SM ¡Higgs ¡ • Associated ¡uncertainties ¡are ¡large ¡and ¡possibility ¡of ¡non-­‑SM ¡physics ¡ • remains ¡ Interactions ¡of ¡Higgs ¡with ¡unknown ¡Dark ¡Matter ¡(DM) ¡can ¡introduce ¡invisible ¡ • decay ¡modes ¡ Higgs ¡now ¡becomes ¡a ¡mediator ¡(‘portal’) ¡between ¡SM ¡particle ¡and ¡DM ¡particle ¡ • Indirect ¡constraints ¡are ¡inferred ¡from ¡measured ¡SM ¡decay ¡modes ¡ • Direct ¡searches ¡performed ¡for ¡Higgs ¡decaying ¡invisibly ¡ • CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 2 on Dark Matter

CMS Invisible Higgs Channels ¡VBF ¡H ¡(Inv), ¡Z(ll) ¡H(Inv), ¡Z(bb) ¡H(Inv) ¡ • Most ¡sensitive ¡is ¡VBF. ¡ ¡ • Simple ¡cut ¡and ¡count ¡ ¡ • Good ¡for ¡reinterpretation ¡with ¡another ¡model ¡ • VBF ¡H(Inv) ¡Signature: ¡ • Two ¡jets ¡with ¡large ¡dijet ¡mass ¡and ¡well ¡separated ¡in ¡ ¡ • η • Missing ¡energy ¡for ¡invisibly ¡decaying ¡Higgs ¡ Backgrounds ¡include ¡V+ ¡jets ¡and ¡QCD ¡ • Estimated ¡from ¡data ¡ • • “ Search ¡for ¡invisible ¡decays ¡of ¡Higgs ¡bosons ¡in ¡the ¡vector ¡boson ¡fusion ¡and ¡associated ¡ZH ¡ production ¡modes” ¡, ¡ CMS ¡Collaboration, ¡Eur.Phys.J. ¡C74 ¡(2014) ¡8, ¡2980 ¡ ¡ Limit ¡on ¡the ¡Bf(H-­‑>Inv) ¡< ¡0.58 ¡(0.44 ¡expected) • CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 3 on Dark Matter

Higgs Portal Interpretation -1 10 [pb] Combination of VBF and CMS -2 ZH, H invisible 10 → -1 s = 8.0 TeV, L = 18.9-19.7 fb (VBF+ZH) -N -3 10 -1 SI s = 7.0 TeV, L = 4.9 fb (ZH) χ B(H inv) < 0.51 @ 90% CL → σ -4 m = 125 GeV 10 H DM-nucleon cross section -5 10 -6 10 -7 10 scalar -8 10 -9 10 CRESST 1 σ CRESST 2 σ fermion XENON100(2012) -10 10 XENON10(2011) DAMA/LIBRA vector -11 Min 10 CoGeNT(2013)/90%CL CoGeNT(2013)/99%CL Lattice CDMS(2013)/95%CL -12 10 Max COUPP(2012) LUX(90%CL) -13 10 3 2 10 10 10 DM Mass M [GeV] χ However, ¡many ¡other ¡models ¡may ¡result ¡in ¡Invisibly ¡Decaying ¡Higgs • CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 4 on Dark Matter

IPPP CW + Higgs Portal Model Coleman-­‑Weinberg ¡(CW) ¡mechanism ¡generates ¡a ¡mass ¡scale ¡from ¡radiative ¡ • corrections, ¡within ¡a ¡scale ¡invariant ¡theory ¡ However, ¡simply ¡applying ¡CW ¡to ¡SM ¡generates ¡far ¡too ¡low ¡ ¡ • m H “Emergence ¡of ¡the ¡Electroweak ¡Scale ¡through ¡the ¡Higgs ¡Portal”, ¡ Englert ¡Jaeckel, ¡Khoze, ¡ • Spannowsky, ¡JHEP ¡1304 ¡(2013) ¡060 ¡ Generates ¡the ¡mass ¡scale ¡in ¡a ¡hidden ¡sector, ¡coupled ¡to ¡SM ¡via ¡Higgs-­‑portal ¡ • Phenomenology ¡: ¡additional ¡scalar ¡(h2) ¡that ¡may ¡decay ¡invisibly • CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 5 on Dark Matter

Workflow Produce ¡hard ¡scatter ¡with ¡ VBFNLO ¡ • • Parton ¡Level ¡Cuts: ¡ P q 1 • ¡ ¡ Samples ¡provided ¡by ¡IPPP ¡with ¡Parton ¡Level ¡Cuts ¡ ¡ ¡ • > 30 GeV T • ¡ ¡ P q 2 > 30 GeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡already ¡applied ¡ ¡ • ¡ T M q 1 ,q 2 > 600 GeV Hadronise ¡with ¡ Pythia ¡6.4.28 ¡ • MC ¡Generator PU ¡= ¡21 ¡ VBFNLO MC ¡Hadronisation/ ¡ Detector ¡simulation ¡with ¡ DELPHES ¡3.1.2 ¡ • Fragmentation Pythia ¡ Verify ¡we ¡can ¡reproduce ¡the ¡CMS ¡result ¡ • Detector ¡Simulation Match ¡yields ¡after ¡full ¡selection ¡criteria ¡ ¡ • DELPHES ¡ ISR/ ¡FSR ¡ Calculate ¡acceptances ¡for ¡other ¡models ¡ ¡ • Z2* ¡Tune ¡ Multiple ¡interactions Allows ¡to ¡place ¡limits ¡on ¡those ¡models ¡ • CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 6 on Dark Matter

Selection criteria *L1 ¡MET ¡in ¡CMS ¡is ¡calculated ¡ over ¡ ¡ η < 3 • L1 ¡Trigger: ¡ -­‑Not ¡modelled ¡in ¡Delphes ¡ E ∗ T > 40 GeV HLT E ∗ T > 65 GeV P j 1 , P j 2 > 40 GeV T T ∆ η j 1 ,j 2 > 3.5 M j 1 ,j 2 > 800 GeV Offline Veto e /µ with P T > 10 Gev Tag jet pair P T > 50 GeV | η | < 4.7 η j 1 . η j 2 < 0 ∆ η j 1 ,j 2 > 4.2 M j 1 ,j 2 > 1.1 TeV E T > 130 GeV ∆ φ j 1 ,j 2 < 1 radian Central Jet Veto on additional jet with P T > 30 GeV in between tag jet pair CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 7 on Dark Matter

Issues with VBFNLO (cutting a long story short) With ¡ VBFNLO ¡ as ¡the ¡MC ¡Generator ¡and ¡ DELPHES ¡ as ¡the ¡detector ¡simulator, ¡we ¡compared ¡distributions ¡ • and ¡yields ¡to ¡the ¡CMS ¡Analysis ¡ • Unable ¡to ¡reproduce ¡the ¡CMS ¡yield ¡ CMS ¡Paper ¡used ¡ POWHEG ¡ as ¡their ¡MC ¡Generator ¡ • Source ¡of ¡discrepancy ¡illustrated ¡below • M M (j (j , j , j ) ) central jet p central jet p inv inv 1 1 2 2 T T Entries Entries 160 350 VBFNLO+DELPHES VBFNLO+DELPHES VBFNLO ¡+ ¡ VBFNLO ¡+ ¡ DELPHES ¡ DELPHES ¡ POWHEG+DELPHES POWHEG+DELPHES 140 300 POWHEG ¡+ ¡ ¡ POWHEG ¡+ ¡ ¡ 120 DELPHES DELPHES 250 100 200 80 150 60 100 40 50 20 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 M jj [GeV] Central-jet E T [GeV] CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 8 on Dark Matter

POWHEG & Detector Investigation Using ¡ POWHEG ¡ as ¡the ¡default ¡MC ¡Generator ¡and ¡retaining ¡the ¡same ¡ Pythia ¡ settings ¡we ¡ • can ¡produce ¡some ¡plots ¡and ¡calculations ¡from ¡the ¡CMS ¡paper ¡ See ¡next ¡slide • CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 9 on Dark Matter

POWHEG & Detector Investigation 10 Arbitrary Unit POWHEG + DELPHES 1 VBF m = 125 GeV H From ¡CMS ¡Paper -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 10 Central-jet E [GeV] Arbirtrary Unit T POWHEG + DELPHES 10 VBF m = 125 GeV H 1 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 M [GeV] 10 jj CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting on Dark Matter

POWHEG & Detector Investigation 10 Arbitrary Unit POWHEG + DELPHES 1 VBF m = 125 GeV H -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ∆ η jj • Good ¡reproduction ¡of ¡CMS ¡Distributions ¡using ¡ POWHEG ¡ and ¡ DELPHES ¡ CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 11 on Dark Matter

Conclusion Good ¡agreement ¡between ¡CMS ¡Paper ¡FullSim ¡distributions ¡and ¡ DELPHES ¡ with ¡ POWHEG ¡ as ¡ • MC ¡generator ¡ The ¡CMS ¡Signal ¡yield ¡for ¡a ¡Higgs ¡produced ¡via ¡the ¡VBF ¡process ¡and ¡decaying ¡invisibly ¡is ¡ ¡ • ¡ ¡ • 210 ± 29 (syst) Still ¡ongoing ¡work ¡to ¡verify ¡signal ¡yields ¡with ¡ POWHEG ¡ and ¡ DELPHES ¡ • The ¡next ¡steps ¡are ¡to ¡simulate ¡events ¡with ¡ POWHEG ¡ for ¡a ¡range ¡of ¡ ¡ • M H Reproduce ¡CMS ¡cross-­‑section ¡limits ¡ • • Set ¡limits ¡in ¡the ¡parameter ¡space ¡of ¡the ¡IPPP ¡model ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mass ¡of ¡h2) ¡ ¡ • M h 2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mixing ¡angle) • µ CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 12 on Dark Matter

Backup Other ¡SM ¡Higgs ¡production ¡channels ¡ • Z(bb) ¡H(Inv) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Z(ll) ¡H(Inv) CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting 13 on Dark Matter