20/4/2006S. Rosati - IFAE1 Ricerche del Bosone di Higgs del Modello Standard ad LHC Stefano Rosati INFN – Roma 1

20/4/2006S. Rosati - IFAE2 Outline Fenomenologia del Bosone di Higgs ad LHC Canali di decadimento e fondi principali Aspetti dei rivelatori di LHC rilevanti per l’identificazione dell’Higgs Selezioni del segnale in vari canali Potenzialita’ di scoperta degli esperimenti ATLAS e CMS Misura del profilo del Bosone di Higgs (massa e numeri quantici)

20/4/2006S. Rosati - IFAE3 Limiti sulla massa dell’Higgs Dalla ricerca diretta a LEP: M H >114.4GeV Fit elettrodebole: M H <175 GeV al 95% C.L. Unitarieta’: M H < 800 GeV Limiti dalla teoria del Modello Standard (Higgs self-coupling e stabilita’ vuoto)

20/4/2006S. Rosati - IFAE4 Produzione dell’Higgs ad LHC Segnale al NLO disponibile solo per gg-Fusion NLO MC non sempre disponibile per il fondo Segnale/fondo migliore per VBF e produzione associata K=  NLO /  LO K~2.0 K~1.2 K~1.4 K~1.1

20/4/2006S. Rosati - IFAE5 Canali di decadimento e BR I canali piu’ rilevanti per la ricerca sono quelli con: - rate di eventi sufficiente - possibilita’ di trigger - buon segnale/fondo H   H  ZZ(*)  4leptoni H  WW  l l H   (VBF) H  WW (VBF) H   H  , H  WW (VBF) molto rilevanti per piccole masse (M H <130 GeV), H  bb solo in produzione associata (ttH) H  ZZ(*)  4l, H  WW per masse piu’ grandi

20/4/2006S. Rosati - IFAE6 ATLAS e CMS ATLAS: Solenoide centrale (2T) rivelatore interno, calorimetri, spettrometro per muoni con tre toroidi in aria (~0.6T) CMS: Solenoide centrale (4T), rivelatore di tracciamento interno, calorimetri, spettrometro per  nel flusso di ritorno del solenoide

20/4/2006S. Rosati - IFAE7 H   I  BR ~0.2 %, segnale: 2 fotoni Misura basata sul calorimetro EM e sul tracciatore interno Processi di fondo K=1.5K=1.2 K=1.7 Incertezze sui K-factors 10-30% Rilevanti per la selezione del segnale: risoluzione in energia: uniformita’, calibrazione del calorimetro EM risoluzione angolare: posizione del vertice pp (differenze tra alta/bassa luminosita’), sviluppo longitudinale dello sciame (ATLAS) → discriminazione  /jet → risoluzione sulla massa invariante → recupero conversioni   ee nel tracciatore

20/4/2006S. Rosati - IFAE8 H   II  CMS ATLAS 100 fb-1 MH=120 GeV Risoluzione sulla massa ~1% LO  NLO: aumenta S/  B del ~50-60 % Stima del fondo dalle sidebands (incertezza O(0.1%) ) CMS

20/4/2006S. Rosati - IFAE9 H  ZZ ( * )  4 leptoni (I) Segnatura sperimentale: – 4 leptoni dal vertice, isolati – almeno una coppia di leptoni con m l+l-  M Z –  (gg)BR=2.7 fb (M H =130 GeV) Fondamentali per la selezione del segnale sono l’efficienza e la risoluzione della ricostruzione dei leptoni Fondo irriducibile: ZZ*/  *  4leptoni masse delle coppie e dei 4 leptoni distribuzioni angolari delle Z e dei leptoni Fondo riducibile: tt, Zbb isolamento e parametro d’impatto dei leptoni (+b-jet veto)

20/4/2006S. Rosati - IFAE10 H  ZZ ( * )  4 leptoni (II) CMS 100 fb -1 4  130 GeV Produzione di coppie di Z on-shell - da tenere in considerazione per M H ~2M Z Risoluzione su M H migliora imponendo un singolo o doppio Z-mass constraint (risoluzione ~1.4%) Taglio finale della selezione sulla massa dei 4 leptoni 4  30 fb -1

20/4/2006S. Rosati - IFAE11 H  WW  l l transverse mass ATLAS M=160GeV 30fb -1 2 leptoni + missing E T massa trasversa: Processi di fondo: WW, WZ, tt Selezione degli eventi di segnale: - isolamento dei leptoni, Emiss - b-jet veto contro tt - correlazione tra gli spin W+W-: taglio su  ll

20/4/2006S. Rosati - IFAE12 Vector Boson Fusion (I) Segnatura sperimentale: - 2 Jet in avanti, gap di rapidita’ - Prodotti del decadimento dell’Higgs nella parte centrale del detector Minore rate degli eventi Miglior rapporto S/B Minor K-factor (~1.1) rapidity of tag jets

20/4/2006S. Rosati - IFAE13 Vector Boson Fusion (II) p T >20GeV ATLAS  Ricostruzione dei jet in avanti cruciale per l’identificazione del segnale Effetti da UE e Pile-Up su ricostruzione jet in avanti e central jet veto (Pile-up:~23 interazioni per bunch crossing ad LHC con alta luminosita’) Calcoli al NLO sono disponibili - studi sul veto del jet centrale al NLO – necessario un generatore Zeppenfeld et al.

20/4/2006S. Rosati - IFAE14 Vector Boson Fusion (H   )  risoluzione in massa ~ 10%  dominata dalla E miss -resolution H    e  ATLAS 30 fb -1 Esempio H    ll4 (o l had 3 ) Fondi: tt, Zjj: Approssimazione collineare Jet centrale Ricostruzione della massa 

20/4/2006S. Rosati - IFAE15 Sommario dei potenziali di scoperta Enfasi ora su full-simulation e full-reconstruction per tutti gli studi, con il rivelatore come sara’ al giorno 1 ggF: la significativita’ aumenta del ~50% andando da LO a NLO Con combinazione dei canali ~15 fb -1 necessari per la scoperta

20/4/2006S. Rosati - IFAE16 Misura della massa dell’Higgs Misura diretta dal picco di massa per i canali: - H  bb - H   - H  ZZ(*)  4l Misura indiretta dal likelihood-fit della massa trasversa per i canali: - H  WW  l l - WH  WWW  l l l Incertezze sistematiche: ~0.1%: scala di energia di leptoni e  ~1% energia dei Jet ATLAS

20/4/2006S. Rosati - IFAE17 CP e Spin dell’Higgs L’osservazione di H   o gg  H esclude Spin(H)=1 L’ipotesi J=0 CP=1 puo’ essere verificata tramite le distribuzioni angolari nel canale H  ZZ(*)  4leptoni Angolo  tra i piani di decadimento nel sistema dell’Higgs Angolo polare  tra i leptoni e l’impulso della Z nel sistema della Z ATLAS 100 fb -1

20/4/2006S. Rosati - IFAE18 Misura delle larghezze parziali (I) Combinazione dei segnali osservabili in 13 canali Likelihood fit assumendo Spin 0, CP-even, ed un solo bosone di Higgs H  bb: cattivo rapporto segnale/fondo, incertezze sul fondo Per tutti gli altri canali si possono ottenere precisioni migliori del 50% con 300 fb -1

20/4/2006S. Rosati - IFAE19 Misura degli accoppiamenti Dührssen et al.  TOT non misurabile direttamente per M H <200 GeV (  TOT << risoluzione ) Constraint su  TOT necessario per la misura assoluta degli accoppiamenti Assumendo: g V  g V SM V=W o Z Fit come per le larghezze, precisioni 20-50% per M H <150 GeV

20/4/2006S. Rosati - IFAE20 Conclusioni Il bosone di Higgs del Modello Standard puo’ essere osservato ad LHC, dal limite di LEP fino a ~1 TeV Studi sempre piu’ dettagliati, all’avvicinarsi della presa dati: –MC al NLO, produzione con VBF –Tutti gli studi con simulazione completa (possibilmente con rivelatori as-built, ed il software finale degli esperimenti) –Accettanze dei sistemi di trigger, definizione dei menu di trigger ottimali per i vari canali –Studio dei fondi con i primi dati (gia’ a partire da ~100 pb -1 ) Scoperta dell’Higgs con: –~ 15 fb -1 combinando i canali –Ma: cruciale sara’ il primo periodo di comprensione dei detector (trigger, calibrazioni, allineamenti, etc…) e dei fondi Con luminosita’ integrate piu’ alte (>100 fb-1): parametri del profilo dell’Higgs  verifica Higgs-SM