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

CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter

Recast of CMS Invisible Higgs search

Jim ¡Brooke, ¡Henning ¡Flaecher, ¡Dominic ¡Smith ¡

(University ¡of ¡Bristol)

1 8th December 2014

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 ¡

2 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter

CMS Invisible Higgs

3 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter
• 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 ¡ ¡
• 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)

η

Higgs Portal Interpretation

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• n Dark Matter
• However, ¡many ¡other ¡models ¡may ¡result ¡in ¡Invisibly ¡Decaying ¡Higgs

[GeV]

χ

M DM Mass

10

2

10

3

10

[pb]

SI

• N

χ

σ DM-nucleon cross section

• 13

10

• 12

10

• 11

10

• 10

10

• 9

10

• 8

10

• 7

10

• 6

10

• 5

10

• 4

10

• 3

10

• 2

10

• 1

10

σ CRESST 1 σ CRESST 2 XENON100(2012) XENON10(2011) DAMA/LIBRA CoGeNT(2013)/90%CL CoGeNT(2013)/99%CL CDMS(2013)/95%CL COUPP(2012) LUX(90%CL)

CMS

invisible → ZH, H Combination of VBF and

= 125 GeV

H

m inv) < 0.51 @ 90% CL → B(H

(VBF+ZH)

• 1

= 8.0 TeV, L = 18.9-19.7 fb s (ZH)

• 1

= 7.0 TeV, L = 4.9 fb s

vector scalar fermion

Min Lattice Max

IPPP CW + Higgs Portal Model

5 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter
• 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 ¡ ¡
• “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

mH

Workflow

• Produce ¡hard ¡scatter ¡with ¡VBFNLO ¡
• Samples ¡provided ¡by ¡IPPP ¡with ¡Parton ¡Level ¡Cuts ¡ ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡already ¡applied ¡ ¡

• Hadronise ¡with ¡Pythia ¡6.4.28 ¡
• Detector ¡simulation ¡with ¡DELPHES ¡3.1.2 ¡
• Verify ¡we ¡can ¡reproduce ¡the ¡CMS ¡result ¡
• Match ¡yields ¡after ¡full ¡selection ¡criteria ¡ ¡
• Calculate ¡acceptances ¡for ¡other ¡models ¡ ¡
• Allows ¡to ¡place ¡limits ¡on ¡those ¡models ¡

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• n Dark Matter
• Parton ¡Level ¡Cuts: ¡
• ¡ ¡
• ¡ ¡
• ¡

P q1

T

> 30 GeV P q2

T

> 30 GeV

Mq1,q2 > 600 GeV

VBFNLO

Pythia ¡ DELPHES ¡

ISR/ ¡FSR ¡ Z2* ¡Tune ¡ Multiple ¡interactions

PU ¡= ¡21 ¡

MC ¡Generator

MC ¡Hadronisation/ ¡ Fragmentation

Detector ¡Simulation

Selection criteria

7 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter

*L1 ¡MET ¡in ¡CMS ¡is ¡calculated ¡

• ver ¡ ¡
• ­‑Not ¡modelled ¡in ¡Delphes ¡

P j1

T

, P j2

T

> 40 GeV

∆ηj1,j2 > 3.5

Mj1,j2 > 800 GeV

Veto e/µ with PT > 10 Gev

Tag jet pair PT > 50 GeV

|η| < 4.7

ηj1.ηj2 < 0

∆ηj1,j2 > 4.2 Mj1,j2 > 1.1 TeV ∆φj1,j2 < 1 radian

Central Jet Veto on additional jet with PT > 30 GeV in between tag jet pair

η < 3

E∗

T > 65 GeV

ET > 130 GeV

• L1 ¡Trigger: ¡

E∗

T > 40 GeV

Offline HLT

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 50 100 150 200 250 300 350

T

central jet p

T

central jet p

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

8 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 20 40 60 80 100 120 140 160

)

2

, j

1

(j

inv

M

)

2

, j

1

(j

inv

M

VBFNLO ¡+ ¡ DELPHES ¡ POWHEG ¡+ ¡ ¡ DELPHES VBFNLO ¡+ ¡ DELPHES ¡ POWHEG ¡+ ¡ ¡ DELPHES

Central-jet ET [GeV]

Mjj [GeV]

Entries Entries

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

9 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter

[GeV]

jj

M 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Arbirtrary Unit

• 5

10

• 4

10

• 3

10

• 2

10

• 1

10 1 10

2

10

POWHEG + DELPHES = 125 GeV

H

VBF m

[GeV]

T

Central-jet E 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Arbitrary Unit

• 4

10

• 3

10

• 2

10

• 1

10 1 10

POWHEG + DELPHES = 125 GeV

H

VBF m

10 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter

POWHEG & Detector Investigation

From ¡CMS ¡Paper

11 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter

jj

η ∆ 1 2 3 4 5 6 7 8 Arbitrary Unit

• 4

10

• 3

10

• 2

10

• 1

10 1 10

POWHEG + DELPHES = 125 GeV

H

VBF m

POWHEG & Detector Investigation

• Good ¡reproduction ¡of ¡CMS ¡Distributions ¡using ¡POWHEG ¡and ¡DELPHES ¡

• 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 ¡ ¡
• ¡ ¡
• Still ¡ongoing ¡work ¡to ¡verify ¡signal ¡yields ¡with ¡POWHEG ¡and ¡DELPHES ¡
• The ¡next ¡steps ¡are ¡to ¡simulate ¡events ¡with ¡POWHEG ¡for ¡a ¡range ¡of ¡ ¡
• Reproduce ¡CMS ¡cross-­‑section ¡limits ¡
• Set ¡limits ¡in ¡the ¡parameter ¡space ¡of ¡the ¡IPPP ¡model ¡ ¡ ¡
• ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mass ¡of ¡h2) ¡ ¡
• ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡(mixing ¡angle)

12 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter

210 ± 29 (syst)

MH Mh2

Conclusion

µ

Backup

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• n Dark Matter
• Other ¡SM ¡Higgs ¡production ¡channels ¡

Z(bb) ¡H(Inv) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Z(ll) ¡H(Inv)

Backup

14 CMS - IPPP Senior Experimental Fellowship Meeting

• n Dark Matter
• DELPHES ¡calculation ¡of ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡takes ¡as ¡input ¡Calorimeter ¡tracks, ¡photons ¡and ¡neutral ¡

hadrons ¡and ¡merges ¡transverse ¡momenta ¡into ¡one ¡output ¡array. ¡

• PileUp ¡subtraction ¡is ¡not ¡applied ¡on ¡the ¡missing ¡energy ¡variable ¡in ¡DELPHES ¡
• Only ¡on ¡Jets ¡and ¡the ¡Isolation ¡Variable ¡(in ¡determining ¡whether ¡an ¡electron, ¡

muon ¡or ¡photon ¡is ¡isolated) ¡ ¡

ET

~ Emiss

T

= - P

i ~

pT (i)

http://arxiv.org/pdf/1307.6346v3

HT = P

i |~

pT (i)|