Ricerca dei bosoni di Higgs a LHC Riccardo Ranieri INFN e Università di Firenze XVI Ciclo di...

Ricerca dei bosoni di Higgs a Ricerca dei bosoni di Higgs a LHCLHC

Riccardo Ranieri

INFN INFN ee Università di Firenze Università di Firenze

XVI Ciclo diXVI Ciclo di

Incontri di Fisica delle Alte EnergieIncontri di Fisica delle Alte Energie

Torino, 14-16 Aprile 2004Torino, 14-16 Aprile 2004

XVI IFAETorino, 14-16 Aprile 2004

Higgs a LHC Riccardo Ranieri 2

ATLAS & CMS a LHCATLAS & CMS a LHC– Rivelatori ottimizzati per la ricerca del

bosone di Higgs e nuova fisica grande energia: LHCLHC pp √s=14TeVpp √s=14TeV

– sezione d’urto: σσpppp=55mb=55mb

– frequenza di interazione: 40MHz40MHz alta luminosità: 2x102x103333cmcm-2-2ss-1-110103434cmcm--

22ss-1-1

– per anno: 20fb20fb-1-1100fb100fb-1-1

rivelatori immensi– CMS: 15mx21.5mCMS: 15mx21.5m– ATLAS: 25mx46mATLAS: 25mx46m

CMS = Compact Muon CMS = Compact Muon SolenoidSolenoid

LHC = LHC = Large Large Hadron Hadron ColliderCollider

ATLAS = A Toroidal LHC ATLAS = A Toroidal LHC ApparatuSApparatuS

CERN – Ginevra …a partire dal 2007…

http://www.cern.ch/lhc/



Settore di Higgs SMSettore di Higgs SM

432

2

22

!4!3

v

3

v

2

1

2/v!3

)(

HHH

V

mmff/v/v

mm2 2 /v/vW,ZW,Z

mm22 /v/v

HH

mm22 /v/v22

HH

mm2 2 = = vv22/3/3HH

(sconosciuto)(sconosciuto)

--vv44/24/24

Vuoto “vuoto”Vuoto “vuoto”

(Il nostro vuoto)(Il nostro vuoto)

Tutti gli accoppiamenti predettiTutti gli accoppiamenti predetti

Massa sconosciutaMassa sconosciuta

Dal meccanismo di Dal meccanismo di Higgs…Higgs… ……e dall’e dall’Invarianza di GaugeInvarianza di Gauge::

mmZZ=m=mWW/cos/cosθθWW (( v v 250 GeV/c 250 GeV/c22))Vacuum Expectation Vacuum Expectation ValueValue

mmWW = gv/2 = gv/2

Modello Standard Modello Standard (SM)(SM)

Phys.Lett.12(1964)132-133

Phys.Rev.Lett.12(1964)508-509

Phys.Rev.145(1966)1156-1163

Phys.Rev.Lett.13(1964)321-322

Phys.Rev.Lett.13(1964)585-587



Settore di Higgs MSSMSettore di Higgs MSSM

– Estensione minimale del Modello Standard (MSSM) si introducono 2 doppietti scalari 5 stati fisici5 stati fisici

33 bosoni di Higgs neutrineutri

22 bosoni di Higgs carichicarichi

tree level: 2 parametri liberi2 parametri liberi– tantanββ rapporto tra i valori di vuoto dei 2

doppietti scalari

– mmAA massa del bosone di Higgs pseudoscalare

hh

HH

AA

HH±±

CP-evenCP-even

CP-oddCP-odd

hep-ph/9712464



Massa dei bosoni di HiggsMassa dei bosoni di Higgs

– Born level mmhh<m<mZZ

mmAA<<mmHH

mmWW<<mmHH±±

– Correzioni da loop dipendono da masse

di top e s-top, mixing, …

modificano le relazioni precedenti

importanti per hh

Phys.Rev.D66:055004,2002

hep-ph/0205160

Hig

gs M

ass

[GeV

/c2]

mh cresce con mA fino alla saturazione: mh<130 GeV/c2

mH, mA e mH± degeneri

per mA>140 GeV/c2

per mmAA/m/mZZ>>1>>1 h MSSMh MSSM si comporta come un bosone di Higgs SMHiggs SM



triviality

vacuum stability

Massa del bosone di Higgs Massa del bosone di Higgs SMSM

mH<193 GeV/c2 @ 95% CL

mH>114.4 GeV/c2 @ 95% CL

¿ Evidenza di un segnale mmHH=115 GeV/c=115 GeV/c22 dai dati di LEP2 ?

CERN-EP/2003-011

CERN-EP/2003-091

hep-ex/ 0312023



Produzione Higgs SM a LHCProduzione Higgs SM a LHC Gluon FusionGluon Fusion

– la sezione d’urto più alta

Vector Boson FusionVector Boson Fusion– 2 jet in avanti di

alto pT

Produzione AssociataProduzione Associata WHWH e e ZHZH

– uno o due leptoni ad alto pT per il trigger

Produzione Produzione associataassociata ttHttH e e bbHbbH

– leptone di alto pT e ricostruzione top

-- --



Decadimenti SM HiggsDecadimenti SM Higgs

– decadimenti adronici e ττ favoriti

» ma difficili da selezionare

Higgs “leggero”

2mZ

– decadimenti in bosoni vettori

» canali “golden”

– decadimenti in due fotoni

» estremamente “puliti” ma scarsi e di difficile rivelazione

LEP excluded



Higgs “leggero”: HHiggs “leggero”: H→→sezione d’urto molto piccola

σ(ppH115)xBr(H)=76fb

S/B≈10-2

– il calorimetro elettromagnetico è fondamentalefondamentale simulazione completa del

rivelatore– produzione inclusiva di H

» K-factor NLO

» σxBR[mH=120GeV/c2]=91fb

– 3 diversi fondi» irriducibile: gg/qq→

81pbxK[=1.2/1.5]81pbxK[=1.2/1.5] +jet (secondo reale o “fake”)

9x109x1044pbxK[=1(2pbxK[=1(2,40%);1.72(1,40%);1.72(1,6,60%)]0%)]

» jet adronici QCD con deposito di energia elettromagnetica da decadimenti di adroni neutri 101088pbxK[=1]pbxK[=1]

CMS AN 2003-009

– Ottima risoluzione su mH=m

» 0.7% per mH=110GeV/c2

» calorimetro elettromagnetico…

– Buone probabilità di scoperta con 30fb-1 per mH<140GeV/c2

» calorimetro elettromagnetico…



Higgs “leggero”: ttH(Higgs “leggero”: ttH(→→bb)bb)

sezione d’urto bb grande σ(ppH115)xBr(Hbb)=28pb

S/B<10-7

si sfruttano i decadimenti dei due quark top1. t→bW(→μν)2. t→bW(→jj)

stato finale “affollato”– 6 jet (4 sono b-jet)6 jet (4 sono b-jet)

» si richiedono almeno 2 b-jet

– 1 leptone isolato1 leptone isolatoè la chiave per il trigger

analisi ottimizzata1. pν da μ e vincolo su mW

2. likelihood pairing dei jet

----

-

-

ATL-PHYS-2003-024

– la conoscenza del fondo ttjj domina le incertezze sistematiche» incertezza ridotta al 10% con 30fb-1

– canale molto difficile da studiare in ambiente adronico» significatività S/√B inferiore a 5 con

30fb-1 (2-3 anni a bassa luminosità)

-



– Il canale “golden” 2 picchi ZZ→→μμ++μμ-- ben definiti

– per mmHH>2m>2mZZ: Z reali

simulazione completa del rivelatore

– sezioni d’urto NLONLO– trigger

studio dei principali fondi– riducibili: tt, Zbb

» isolamento μ

» ricostruzione Z (mZ)

– irriducibile: ZZ» fattore limitante (pT)

Luminosità richiesta per scoperta a 55σσ:

– 1010÷30fb÷30fb-1-1 per m per mHH>2m>2mZZ

» 3-4 anni

– fino a 100fbfino a 100fb-1-1 per m per mHH<2m<2mZZ

» run ad alta luminosità

Higgs “pesante”: Higgs “pesante”: HH→→ZZZZ(*)(*)→→44μμ

CMS AN 2003-005

CMS AN 2003-007 μ

- -



SM Higgs: potenziale di SM Higgs: potenziale di scopertascoperta

– Dopo i primi TT00+2anni+2anni tutto lo spettro di massa è coperto da più di un canale

» l’eccesso di LEP è al limite…

Una volta calibrati e compresi i rivelatori (T=TT=T00)…

– dopo i primi TT00+2anni+2anni (≈30fb-1) 77σσ su tutto lo spettro di massa

– gran parte dello spettro di massa può essere esplorato nel primo annoprimo anno (10fb-1)



Higgs neutri MSSM a LHCHiggs neutri MSSM a LHC– Produzione:

» gggg→→A/HA/H» pppp→→A/HbbA/Hbb

– Gli accoppiamenti a bosoni e fermioni sono modificati rispetto al Modello Standard dal mixing Higgs neutri (α)

– alto tanβ» favoriti i

decadimenti h/H/A→bb,ττ

– piccolo mixing α» h→bb,ττ soppressi

-

-

--



– Copertura totaleCopertura totale del piano (mA,tanβ) con 30fb30fb-1-1

» regione ad alti tanβ e mA è la più accessibile

» in gran parte del piano solo h è rivelabile

Ricerca di H e A a LHCRicerca di H e A a LHC

-

-

0 0

0 0

LHWG Note 2001-004

hep-ex/0107030

mh[GeV/c2] mA[GeV/c2] tg

No mixing (2001)

>91.5 >92.2 0.7<tg<10.5

mh max (2001)

>91.0 >91.9 0.5<tg<2.4

– Molti canali di decadimento

– “SM like”» h→,bb» H→4ℓ

– specifici MSSM » A/H→μμ,ττ,bb» H→hh» A→Zh» H±→τν

– se le s-particelle SUSY sono accessibili

» H/A→22

» 2→h1

Limiti 95% CL



H/AH/A→→μμ++μμ--

– Per alto tanβ aumenta BR(A/H→μ+μ-) gg→bbA/H mA/H=130GeV/c2

tanβ=30

– Simulazione completa del rivelatore il segnalesegnale è

sovrapposizione di decadimenti di A e H

Risoluzione sulla massa invariante μ+μ-: 1%

– non sufficientenon sufficiente per risolvere le due risonanze

– differenza di massa A/H: 22→→5GeV/c5GeV/c22

CMS NOTE 2003/033

-



Higgs carichi MSSMHiggs carichi MSSM

Produzione di H±

– se mH±<mt: tt→→HH±±bb

– se mH±>mt: gbgb→→tHtH±±

Decadimenti:– se mH

±<mt: HH±±→→τντν

– se mH±>mt: HH±±→→tbtb

Limite al 95%CL da LEP:– mH

±>78.6GeV/c2

» canali studiati: H±→τν,csLHWG Note 2001-005

hep-ex/0107031



Ricerca di HRicerca di H±±

mmHH±±<m<mtt

– ricerca in eventi tt» leptone da quark top

» τ da H±→τντ

– eccesso di τ in eventi tt» la massa di H± non può essere

ricostruita

mmHH±±>m>mtt

– produzione associata con top» gb→tH±(→τντ,tb)

– fondo tt e Wt» stati finali con leptoni τ

CMS NOTE 2000/039

CMS NOTE 2000/045

CMS NOTE 2002-024

-

-

-



jet

jet

Molti scenari possibili– neutralini leggeri (SUSY), gravitini,

gravitoni,…– Vector Boson FusionVector Boson Fusion è la produzione

dominante (σσ≈4pb≈4pb)» se si eccettua la Gluon Fusion che

non si può “vedere”

esperimeno di conteggio– nessunanessuna risonanza

» jet in avanti e energia mancante

» Mjj>1200GeV/c2 pTmiss>100GeV/c

– fondi Wjj e Zjj, QCD multi-jet» studi sul Monte Carlo

– vincoli sul fondo» si utilizzano Z→ℓℓ e Z→ℓν

» forma della distribuzione Δφjj tra i due jet

– importanti effetti del rivelatore» rumore dei calorimetri, pile-up

Higgs invisibileHiggs invisibile

ATL-PHYS-2003-006

10fb-1: ~600 eventi di segnale ~3000 eventi di fondo



Vector Boson FusionVector Boson Fusion La Vector Boson Fusion contribuisce ad aumentare

la significatività del segnale SM Higgs– qqHqqH→→qqWWqqWW(*)(*)

– qqHqqH→→qqqqττττ



SM o MSSM ?SM o MSSM ?

– Anche con 300fb-1 rimane una parte del pianoparte del piano in cui solo h è osservabile (a 55σσ) h→,tth→ttbb

– Studi in corso sulla distinguibilitàdistinguibilità tra SMSM e MSSMMSSM

– Nuovi canali e possibiltà di confrontare i rapporti di decadimento tra SM e MSSM dalla Vector Boson Vector Boson FusionFusion attualmente non inclusa in

alcune analisi

4 Higgs osservabili3 Higgs osservabili2 Higgs osservabili

1 Higgs osservabile

- - -



ConclusioniConclusioni– Non appena le risposte dei rivelatori ATLAS e CMS Non appena le risposte dei rivelatori ATLAS e CMS

saranno capite bene…saranno capite bene… potrà essere esplorato in un announ anno l’intero spettro di l’intero spettro di

massamassa del bosone di HiggsHiggs del Modello StandardModello Standard… …che potrebbe essere scoperto a 55σσ (se esistese esiste) con

<30fb<30fb-1-1 (2 anni2 anni) con 100fb100fb-1-1 (~4 anni~4 anni) scopertascoperta confermata da più di un

canale con 300fb300fb-1-1 (>5 anni>5 anni) tutto lo spazio MSSMtutto lo spazio MSSM (mA,tanβ)

potrà essere esplorato

– Ancora molto lavoro da fare (…analisi in corso…) studio e selezione dei Monte Carlo appropriati

(segnale e fondi)

analisi complete con simulazioni dettagliate dei rivelatori

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