Fisica del bosone di Higgs a LHC - Ricerca dell’ Higgs: principali canali di ricerca dell’ Higgs “standard”, problematiche sperimentali e teoriche nel controllo dei fondi. Ricerca dell’ Higgs nel “Minimal Supersymmetric Standard Model” (MSSM): decadimenti degli Higgs supersimmetrici (5 nel MSSM) in particelle standard e/o in super-particelle leggere U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Le aspettative dal Tevatrone C’è un Higgs a 115 GeV ? Dovremo comunque attendere fino al 2007 ... Al Tevatrone, il processo rilevante è quello di W-stralung (analogamente a quello di Z-stralung a LEP): q W* W q’ H seguito dal decadimento H bb : non facile... U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Ricerca dello SM Higgs a LHC: i “golden channels” Higgs branching fractions: serve “aiuto” per mH115 ... mH=130 difficile 103 H “facile” 100fb-1 “abbastanza facile” U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Meccanismi di produzione dell’Higgs a LHC: “gluon fusion” La “produzione associata” Higgs-top, Higgs-W può essere d’aiuto a bassi valori di massa (dove la ricerca è più difficile) Meccanismi di produzione più importanti “Vector boson fusion” (da quark scattering) (dominante a LEP, Tevatron) U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Ricerca dell’Higgs a LHC... LHC : 10 fb-1 per il 2007 ? H  4 leptoni H  gg, bb “produzione associata” Htt (trigger di leptone singolo: t  m/e X ) : canale promettente, in aiuto al ”classico” H  gg U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Produzione associata: ttH Come a LEP, il b-tagging potrà risultare cruciale (almeno per le ricerche dell’ Higgs a bassa massa): Htt  bb + 4jets l n ... e ancor più negli scenari Super-Simmetrici (vedi dopo; in particolare: t tagging) U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo Hgg Per mH 115-130 GeV il canale Hgg resta comunque il più importante, nonostante il basso branching fraction: decadimento: BR(Hgg )  10-3 produzione: t g H0 t t g Essenziale un’ ottima risoluzione del calorimetro e.m.: sE/E  1-2 % la richiesta di 2 jets ( => produzione qqH) diminuisce drasticamente il fondo mH=120 U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo HWW  l n l n ( l = e, m) Nella regione mH 130-180 GeV il canale HWW diventa il più importante CMS: selezione di eventi con di-muoni a High Level Trigger segnale HWW  2m 2n U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo HWW  l n l n ( l = e, m) Predizione simulazione a LHC (CMS): Dati reali al Tevatrone (D0): U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo HWW  l n l n ( l = e, m) E1st jet tt 2l X H 2l 2n bb 2l X Reiezione dei fondi: isolamento leptoni (=> rigetta bb jets, top) pT > 25, 20 GeV/c (=> bb ) veto su jets “centrali” (=> top) ET miss> 40 GeV/c2 ( => Z, top) Fondo “irriducibile”: produzione incoerente di WW Importante e’ la risoluzione in ET miss> del rivelatore: Z/g* DrellYan processes H 2l 2n U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo (next slide)

Corso SM, Dottorato, XX ciclo HWW  l n l n ( l = e, m) La produzione incoerente di WW puo’ essere soppressa con un taglio sull’ angolo tra i due leptoni Selezione finale: Signal region Wt/tt region Nota: esperimento di conteggio (non c’e’ un segnale risonante) e’ cruciale il controllo della sistematica dovuta al fondo il levello del fondo deve essere estraploato dai dati (=> mimimo uso delle predizioni MonteCarlo…) U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo HWW  l n l n ( l = e, m) Metodo: si definisce per il fondo una “selezione di riferimento”, si usa il MonteCarlo per estrapolare il fondo da questa alla regione di segnale U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo H  ZZ*  4l ( l = e, m) La regione 130-180 GeV è comunque accessibile anche al canale H  ZZ* (ma statistica decisamente inferiore!): Fondi principali: - produzione incoerente di coppie di Z; - tt  4l X - Z + bb jets  4l X Per confronto: qqH, H  WW L=60 fb-1 U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo H  ZZ*  4l ( l = e, m) Low mass region: The 5s discovery for MH > 130 GeV/c2 with ZZ*->4l : H->ZZ*->4m 20 fb-1 High mass region: H->ZZ->4m 20 fb-1 U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

H  ZZ ad alte masse (mH>0.5 TeV) Per mH>0.5 TeV la sezione d’urto di produzionde diventa piccola: - e’ necessario utilizzare anche I decadimenti adronici di una delle due Z cio’ e’ possibile, perche’ a masse elevate, il fondo da jets di QCD e’ piccolo - tuttavia, laricerca necessita di elevata luminosita’ integrata: 100fb-1 U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Possibilità di scoperta dello SM Higgs: sommario U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Fisica oltre lo SM: bosoni di Higgs in SUSY Nelle teorie SuperSimmetriche (vedi dopo) il settore di Higgs si arricchisce di nuove particelle; nell’ estensione supersimmetrica Minimale del modello standard (MSSM) vi sono due doppietti (complessi) di Higgs che danno luogo a 5 campi scalari fisici (3 neutri e 2 carichi; degli 8 gradi di liberta’ originari, 3 sono assorbiti per dare massa ai bosoni W,Z, come nel Modello Standard) La fenomenologia degli Higgs supersimmetrici comprende : - Higgses prodotti via SM diagrams - decadimenti “standard” - decadimenti in s-particles - MSSM Higgses prodotti in decadimenti di squarks/ gluini L’ importanza relativa dei vari processi dipende dagli spettri di massa delle varie particelle (Higgs e “s-particles”), che a loro volta dipendono dai parametri di input scelti nello spazio dei (molti!) parametri della teoria U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Teorie Supersimmetriche Supersimmetria (SUSY): postula una nuova simmetria tra fermioni e bosoni; il generatore (o i generatori) del nuovo gruppo di simmetria, che estende il gruppo di Poincare’ delle roto-traslazioni, trasforma i fermioni in bosoni e viceversa: Q|y> = |f>, Q| f > = |y> Q induce un cambiamento di spin ½ (carica spinoriale), e la sua conservazione richiede valgano le regole di anticommutazione con i generatori del gruppo di Poincare’: [Qa,Qb] = 2gmabpm [Qa,Mmn] = (1/2)smnQa [Qa,pm] = 0 (g matrici di Dirac, s matrici di Pauli, a,b =1,2,3,4 indici spinoriali) La supersimmetria connette i gradi di liberta’ interni con quelli esterni dello spazio-tempo => una sua formulazione locale include automaticamente la gravita’ U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Teorie Supersimmetriche (II) Per ogni particella ordinaria esiste una controparte supersimmetrica : fermioni (spin ½) <=> s-fermioni (spin 0) (quarks, leptoni) (s-quark,s-leptons) bosoni di gauge (spin 0) <=> gaugini (spin ½) g, Z, W fotino, Zino, Wino Higgs Higgsino Viene risolto il problema della divergenza ultravioletta della massa dell’ Higgs (problema della “naturalezza”: abnorme ‘fine-tuning’ necessario nella teoria ordinaria per mantenere finita la massa dello scalare, “proteggendola” dalle loop corrections: dmH2   g2  d4k/k2 J=1 J=0 J=1/2 + + U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Teorie Supersimmetriche (III) In SUSY, si hanno automatiche cancellazioni dei vari contributi, perche’ particelle e super particelle intervengono nel loop con segni opposti; le cancellazioni sono esatte se tutte le particelle sono degeneri ed hanno le stesse costanti di accoppiamento; una massa dell’ Higgs dell’ ordine o inferiore a 1 TeV richiede che la supersimmetria sia rotta su questa scala (ossia le masse delle Superparticelle si differenzino a questa scala: |mB2–mF2| < 1 TeV2 ) I gaugini, partner supersimmetrici dei bosoni di gauge: fotino, Wino, Zino e i partners dei bosoni di Higgs: “higgsini” H1, H2 non sono autostati di massa. Questi sono i “neutralini” c01,2,3,4 e i “chargini” c1,2, che si ottengono da gaugini e higgsini attraverso una matrice di mixing che dipende da tre parametri, la “masse di Maiorana” dei gaugini M1,M2,M3 associate ai Sottogruppi SU1,SU2,SU3 dello standard model alla scala di Grande Unificazione U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Particelle Supersimmetriche Gli autostati di massa (neutralini e chargini) sono misture di higgsini e Wini/Zino,fotino U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Teorie Supersimmetriche (IV) Ulteriori aspetti che rendono attrative le SUSY: Modifica l’evoluzione delle costanti di accoppiamento nelle Equazioni del Gruppo di Rinormalizzazione (RGE) importanti implicazioni cosmologiche (vedi dopo) U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo “MSSM” Il “Minimum Supersymmetric Standard Model” (MSSM) e’ l’ estensione minimale del modello Standard, quella cioe’ che prevede il minimo spettro di particelle compatibile con l’esistenza della supersimmetria. Ad esempio, prevede l’ esistenza di due soli doppietti di Higgs (e’ il minimo numero necessario per dare massa sia ai fermioni che agli s-fermioni) U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Settore di Higgs: dallo SM al MSSM Nel Minimal SuperSymmetric Model vi sono due doppietti di Higgs: U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo “Constrained” MSSM Nella versione “constrained” (CMSSM), si ipotizza che alla scala di Plank vi sia un unico parametro di massa universale per tutti i gauigini, m1/2 , ed un’ unica massa universale per gli scalari, m0. L’intero spettro di bassa energia (ossia quello osservabile sperimentalmente) delle particelle supersimmetrice dipende da questi parametri e dalle costanti di accoppiamento, ed e’ calcolabile in funzione di questi parametri di input attraverso le equazione del gruppo di rinormalizzazione. U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo “Constrained” MSSM Le sezioni d’urto dei processi di produzione di s-particles (e quindi le capacita’ di scoperta , “Physics reach”, per una data luminosita’ integrata per una macchina ad una certa energia) vengono riportate nel piano (m0, m1/2) nel quale vengono scelti dei ‘benchmark points’, per i quali vengono fatti gli studi fenomenologici dettagliati U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo “Constrained” MSSM Esempio di “bench-mark point” (punto nello spazio dei parametri scelto per calcolare in dettaglio lo spettro delle s-particelle, simulandone la produzione e le possibili catene di decadimento nei rivelatori) questo scenario implica la possibilita’ di decadimenti dell’Higgs in s-particles e.g. (vedi dopo): A, H  20 20  4l + ETmiss l+ l- 10 U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Rottura spontanea di simmetria in SUSY I possibili modelli supersimmetrici si differenziano (anche) per la modalita’ attraverso la quale avviene la rottura spontanea di simmetria, ossia per quali sono i campi attraverso cui la rottura di simmetria viene comunicata dal settore di campi supersimmetrici in cui la simmetria e’ nascosta (particelle e s-particelle hanno la stessa massa: cosa evidentemente falsa: un s-elettrone di 511 keV non esiste…) al settore visibile dello spettro ‘reale’ del MSSM. Cio’ avviene attraverso interazioni che possono essere: Gravity mediated: i termini di lagrangiana di ‘susy breaking’ contengono superpotenziali con il gravitone ( e.g. “mSUGRA”) Gauge mediated: il superpotenziale e’ costruito da campi di ordinari di gauge (+ altri scenari anomali/esotici “ASMB”) La spettroscopia risultante dipende anche da questo… U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Rottura spontanea di simmetria in SUSY Esempi di spettri in differenti scenari di Susy Breaking U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Settore di Higgs nel MSSM A livello albero, tutte le masse degli Higgs sono determinate da solo due parametri, ad esempio: mA, tan b rapporto tra i v.e.v: <f>/<f’> massa dello pseudoscalare neutro Le correzioni radiative modificano sensibilmente questa predizione (altrimenti lo MSSM sarebbe già stato eliminato da LEP...) Tuttavia... U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Masse degli Higgs nel MSSM Nel MSSM, ci deve essere almeno un Higgs leggero, h0 (mh0  130 GeV per qualsiasi valore di mA, tan b): U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Costanti di accoppiamento mixing stop-sbottom Higgs couplings to fermions: _ f H H f proportional to mass  3rd generation favoured tan b enhances couplings to down-type fermions U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo Sezioni d’urto Le sezioni d’urto dipendono drasticamente da tan b: tg b=1.5 tg b=30. H0 h0 Mh/H(GeV/c2) Mh/H(GeV/c2) U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo b Limiti su MSSM a LEP q g h/A/H q b CDF tanb LEP ha già fatto un buon lavoro di esclusione, ma in una regione limitata dello spazio dei parametri...: Maximal Stop mixing 10 1 Mh> 84 GeV 0. mh 140. 0. mA 300. No mixing e+ Z* A LEP 10 e- h 1 0. mA 300. 0. mh 140. U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo MSSM a LHC La copertura dello spazio dei parametri viene notevolmente estesa: I decadimenti nel t giocano un ruolo essenziale: h0,A0,H0  tt tt  jet + jet tt  lepton + jet tt  lepton + lepton remember  branching ratios: -   l l  : 35% -    + n 0’s : 50% -   3 + n 0’s : 15% U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo BR di h0,A0,H0 I BR (h0,A0,H0 tt ) sono dell’ ordine del 10% : Canale “raro” ma non troppo... U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo MSSM a LHC... La identificazione del t e il b-tagging saranno essenziali per “chiudere” lo spazio dei parametri: U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo MSSM a LHC... H+ tn : b t g t t b H+ n g b U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Corso SM, Dottorato, XX ciclo MSSM a LHC... il segnale di h0 dovrebbe sempre essere trovato: stessa tecnica (stessi problemi...vedi sopra) di HSM gg al di sotto di questo “triangolo” nel piano (mA,tanb) si rischia di avere una sola “segnatura” disponibile.... nuove idee per coprire la regione a bassi tan - alti mA U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo

Higgs light sparticles Se i neutralini e/o chargini (mixing delle controparti supersimmetriche dei bosoni di gauge, i gaugini, e dei bosoni di Higgs, gli higgsini) sono sufficientemente leggeri, l’Higgs supersimmetrico puo’ decadere, oltre che in particelle ordinarie, anche in tali s-particelle: ~ = 0 A0 … interesting coupling: (neutralinos) H0 ~ = 0 Z0 Most promising decay channel: A, H  20 20  4l + ETmiss l+ l- 10 U.Gasparini Corso SM, Dottorato, XX ciclo