Ricerca dell’Higgs del Modello Standard a LHC Fabrizio Palla INFN Pisa CSN 1 Frascati 12 Nov 2003

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Sommario Introduzione Produzione e decadimento dell’Higgs a LHC Ricerca dell’Higgs nei canali H  ttH  ttbb ZZ (*)  4leptoni qqH Problematiche iniziali Impatto dello staging e delle calibrazioni dei detectors Impatto della bassa luminosita’ iniziale di LHC

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Teoria: accoppiamenti e massa m f /v m 2 /v  m 2 /v 2 W,Z H H m 2 = v 2 /3 H (sconosciuto) - v 4 /24 Vuoto “vuoto” (Il nostro vuoto) Dal meccanismo di Higgs … e dalla Gauge Invariance : m Z = m W /cos W ; m W = gv/2; (  v  250 GeV). vacuum expectation value vacuum expectation value Tutti gli accoppiamenti predetti Massa sconosciuta

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs LEP: primi pb -1 sopra a 206 GeV First Candidate Event (14-Jun-2000, GeV) Massa GeV/c2; Massa GeV/c2; Buon candidato HZ; Buon candidato HZ; Non con WW o ZZ; Non con WW o ZZ; P(Background) : 2% P(Background) : 2% s/b(115) = 4.7 s/b(115) = 4.7 b-tagging (0 = light quarks, 1 = b quarks) Higgs jets: 0.99 e 0.99; Z jets: 0.14 e e + e -  bbqq _ _ Missing Momentum High p T muon

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs LEP: Limite combinato CERN-EP

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Fit Globale del Modello Standard a m H (I) Conoscendo m top, molte osservabili elettrodeboli hanno una dipendenza da m H (m W /m Z ) 2  (m W /m Z ) 2  (1+  r)

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Fit Globale del Modello Standard a m H (II)

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Fit Globale del Modello Standard a m H (III) Fit globale a m H e m top :

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Teoria: massa  m 2 /v 2  m 2 /v 2 H Cosi’ come per ogni costante di accop- piamento, il contenuto delle particelle del Modello Standard determina il running di fino ad una scala , a cui il modello non e’ piu’ valido Occorre che siano realizzate le seguenti condizioni: Vacuum Stability Triviality 115 La massa m H non si predice, ma … Nel Modello Standard: (Nel Modello Standard) R.G.E.

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs La (possibile) situazione pre-LHC Il limite di LEP sara’ sempre lo stesso Indiretto Diretto Tevatron (CDF e D0) Limitati dalla scarsa luminosita’ integrata 4.41 fb -1 base plan 8.56 fb -1 design plan … assume dets upgrades che sono stati cancellati!

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Produzione dell’Higgs a LHC

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Principali canali di ricerca a LHC Fondo QCD proibitivo Molto difficile triggerare e selezionare stati finali totalmente adronici I canali piu’ promettenti sono con stati finali con,  ( = e,  ) m H < 130 GeV : m H > 130 GeV : H  ZZ (*)  4, (qq)H  WW (*)

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Plot di scoperta & K-Factors Effetto dei K-Factors=NLO/LO Significance=S/  B

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs LHC allo startup FASE 1: LHC commissioning (T 0 a T mesi)  LHC: Set-up machine. Inizio con un solo fascio. Collisioni con un numero lentamente crescente di bunch e L. Collisioni a L > 5 x a 25, 75 ns bunch spacing.  ATLAS e CMS: Muon halo triggers, catalog detector problems, synchronization, debug data handling, record first collisions FASE 2 : Shutdown (CMS installazione dei pixel) FASE 3: Primo run di fisica (T mesi  T mesi)  LHC: 25 ns and L ~ cm -2 s -1  ATLAS e CMS: Physics run, max. efficienza per 5-10 fb -1  ~2 eventi per BX  IPOTESI : non piu’ di ~10 fb -1 per esperimento nel T 0 +1 anno~2008/2009?  Oltre ad una piu’ bassa luminosita’ per la scoperta, implica una minore statistica di eventi per la calibrazione dei detector e lo studio dei fondi fisici

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs TeV Luminosity (current situation) Peak luminosity Best 5.2x10 31 /cm 2 /s 2x10 32 /cm 2 /s (design) Delivered/on tape 330/260 pb -1 Delivered On tape 5x10 31 Luminosity Integrated Initial instantaneous

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs CMS Detector at Start-Up ME 4/1 staged 50% DAQ RPC |  |>1.6 staged Initial detector is the complete CMS except for the staged items (consistent with financial plan): 50% DAQ 3 rd pixel end-cap 4 th muon end-cap 1/3 of end-cap RPC Pixel detector in- stalled after pilot run Complete Subsystems: Tracker, ECAL, HCAL, Muon Barrel Rate di trigger piu’ alto Aumentare le soglie

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Staged Perdita in risoluzione d’impulso dei mu ATLAS Staged staged in part staged Staged detector components: -- 1 pixel layer -- TRT outer end-cap -- Gap scintillator -- EEL/EES MDT and half CSC -- Part of forward shielding -- Part of LAr ROD -- Large part of HLT/DAQ Staged: perdita in capacita’ di btag

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs H      * BR  90 fb (NLO~2*LO!!) (BR  ) Canale piu` impegnativo per calorimetri EM: risoluzione in energia ed angolo Separazione  /jet e  /  0 Fondi :   (irriducible):    2 pb / GeV  H  MeV   j+ jj (riducible):   j+jj ~ 10 6   con grosse incertezze  serve R j > 10 3 con    80% per ottenere   j+jj <<   tagli in isolamento q q   q g   00 q  Occorre un’ottima risoluzione in massa invariante

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs H  CMS: Efficienza di ricostruzione di un  ~74% Perdite: ~7% nella regione fiduciale ~6% conversioni non recuperate ~5% isolamento ~10% reiezione dei  0

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Il vertice primario e la ricostruzione in massa CMS: Vertice primario dato dalla traccia a piu’ alto p T Per l’80% degli eventi di Higgs |Z meas -Z vero |<2mm, 60  m risoluzione ATLAS: ECAL ha una segmentazione longitudinale che permette di stimare il vertice primario senza bisogno del tracciatore

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs (Preliminare)

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs H  : i primi O(10fb -1 ) Controllo dei fondi studiando le side-bands Con una statistica di ~30 fb -1 si controlla il fondo allo 0.5% Problemi strumentali ECAL:  Occorre una calibrazione della scala energia e calibrazione intermodulo conosciuta al meglio del 0.6%, limitata dalla conoscenza del materiale del Tracker Tracker (per CMS):  Importante per l’isolamento (reiezione del fondo)  Occorre per la determinazione del vertice primario

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs CMS: calibrazione di ECAL Dato il ritardo nella costruzione di ECAL, al massimo si potranno calibrare ¼ dei moduli di ECAL nel test beam. Calibrazione intermodulo iniziale sfuttando I trigger di jets e sfruttando la simmetria in  degli eventi in anelli di  Si puo’ raggiungere il 2% in meno di un giorno di run Calibrazione in-situ usando E/p dai decadimenti del W ~2 mesi

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs ATLAS: calibrazione di ECAL c tot = c L  c LR <0.7% c L  “local” constant term (480 regioni in  x  =0.2 x 0.4) c LR  long-range response non-uniformities of the 400 regions (module-to-module variations, different upstream material, etc.) Scan of a barrel module with 245 GeV e - r.m.s.  0.67% over ~ 500 spots Dalla costruzione c L  0.5% dimostrato in test beam Utilizzando le Z  ee (~1Hz/die) per ottenere c LR <0.4% occorrono pochi giorni a 2x10 33 ma un ottima conoscenza del materiale del tracciatore

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs H   : full simulation before correction after correction Requirement : fraction of dead channels < 0.3%  dedicated warm and cold tests of each module and then of the assembled detector in Building 180 (ongoing..) ATLAS: canali morti

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs 100 fb -1 /experiment No K-factors H  Phys. Rev. D 62,

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs H  : ATLAS vs CMS ATLAS ha una peggiore risoluzione energetica ~(1.1 GeV/c 2 ) rispetto a CMS (0.8 GeV/c 2 ) CMS ha un grosso campo magnetico che fa perdere una buona frazione di fotoni che convertono nel Tracker Sia ATLAS che CMS hanno circa la stessa potenzialita’, ma non e’ un canale di scoperta con 10 fb -1 di luminosita’ integrata

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs ttH  ttbb b Ridotto, ricostruendo entrambi i top  x BR  300 fb (K-factor ~1.2) Stato finale complesso:, t  bjj, t  b = e,  per trigger e background rejection fondi principali: -- combinatori dal segnale (4b in final state) -- Wjjjjjj, WWbbjj, etc. -- ttjj (dominante, non-resonant, 500 pb!) b-tagging e’ cruciale!  b-tagging e’ cruciale!

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs ATLAS vs CMS ATLAS ~ CMS

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Migliorie: CMS btag CMS - OLD CMS – NEW Simulazione del Materiale piu’ veritiera

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Migliorie: energy-flow

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Calibrazioni HCALHCAL Malgrado la risoluzione energetica sia dell’ordine del 10%, perche’ il trigger funzioni occorre una calibrazione del 2% Sorgente radioattiva - calo energy scale (e/pi) Adroni carichi - physics energy scale photon+jet balancing Z+jet balancing di-jets balancing di-jet mass W->jj in top decay B-tagging Allineamento Tracker  iniziale dei sensori <~50  m  Dopo pochi giorni di run ~ O(~  m) Monitor la risoluzione sul parametro d’impatto Hit efficiency Uso del doppio tag negli eventi ttbar

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs ATLAS Inner detector Alignment: Degrading of track parameters by misalignment less than 20%  Pixel R f alignment 7 m m  SCT R f alignment 12 m m Use single muons from W (rate 3 Hz) Already after one day of running track fits result in precisione Pixel1 m m SCT2 m m Error bars indicate spread for different modules

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Importanza del tracker CMS Tutti gli algoritmi di tracciatura si basano sulla possibilita’ di trovare “seed” nei pixel, grazie alla loro bassa occupanza [O(10 -4 )] Importante a livello di trigger anche per il canale completamente adronico ATLAS Lo staging del layer intermedio dei pixel (da 3 pixel layers a 2 soli) comporta ~ 20% perdita nella reiezione di light quarks -> perdita del 8% nella significanza nel ttH ttH adronico

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs H  ZZ (*)  4 l Segnale  x BR) ~ 1-5 fb FONDI ZZ  x BR ~ (  x BR) segnale Zbb e tt  x BR ~ 100 (  x BR) segnale Selezione p T dei leptoni isolamento nei calorimetri e tracker massa Z parametri d’impatto dei leptoni ATLAS ~ CMS CMS Preliminary H  4  20 fb -1 Segnale molto pulito!

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs H  ZZ (*)  4 l Soppressione del fondo tt e Zbb Isolamento  tracker e calorimetri efficienti Parametro d’impatto  tracker M Z : Tracker, Calo Fondo irriducibile ZZ* fattore limitante CMS full simulation 20 fb -1

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs H  ZZ (*)  4 l Fotoni nello stato finale Efficacia di ECAL Isolamento nel tracker Efficienza delle camere dei mu Eff selezione  ~ eff  3 x eff  soffice

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs qqH  WW

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Forward tag Jet veto nella regione centrale cruciali Necessita di almeno 600 pb -1 di dati per avere un controllo del fondo da top

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Calorimetria Efficienza per tag dei jet forward cruciali i calorimetri in avanti Per il segnale di Higgs l’attivita’ nella regione centrale e’ soppressa per mancanza di color-flow tra I due partoni iniziali Il fondo invece no Importanza di avere i calorimetri centrali sotto controllo

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Importanza dei canali VBF J.Asai et al. SN-ATLAS CMS - preliminary

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs ATLAS Improved discovery potential, expectations Included here K-Factor applied to H->ZZ*->4 lept ttH (H->WW) VBF->H->  (combined with inclusive) Not yet included: ZZ-> bbll, New ttH with H->bb, ttH H->  Included here K-Factor applied to H->ZZ*->4 lept ttH (H->WW) VBF->H->  (combined with inclusive) Not yet included: ZZ-> bbll, New ttH with H->bb, ttH H->  Systematics on ttH H->bb reduced to 5% in this plot (saturation ~4  ) Systematics of 10% in the combination 5  discovery with 10fb -1 down to 120 GeV Systematics on ttH H->bb reduced to 5% in this plot (saturation ~4  ) Systematics of 10% in the combination 5  discovery with 10fb -1 down to 120 GeV Nominal detector Preliminary Preliminary Stima: F. Cerutti

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Plot di scoperta Regione critica: m H <~130 GeV/c 2 occorre combinare analisi diverse e difficili 5fb -1 Sopra m H ~130 GeV/c 2 scoperta anche con un canale singolo 10fb -1

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs 5 fb -1

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Conclusioni Ridondanza dei canali di scoperta e’ molto importante: Permette di combinare piu’ di un canale aumentando la significanza statistica La scoperta dell’Higgs deve essere “robusta” rispetto alle sistematiche indotte dalla conoscenza dei fondi e dalle performance dei sottorivelatori ATLAS e CMS stanno cominciando a valutare l’impatto delle calibrazioni iniziali e dello “staging” del rivelatore sulle strategie di scoperta dell’Higgs Molto importante e’ una simulazione accurata delle performances dei sottorivelatori Nuove analisi con simulazioni piu’ veritiere del detector soprattutto nei canali di fondo Un grazie alla teoria che con i K-factors aiuta a mantenere le stime iniziali ancora attuali Ma occorrono anche NLO MC sia per il segnale che per il fondo Con 5 fb -1 integrati (ATLAS + CMS) si puo’ pensare di coprire il range di massa tra ~140 e ~500 GeV A patto che gli apparati siano calibrati e allineati! Per coprire la regione mancante di LEP (~ sopra i 120 GeV) occorrono piu’ di 10 fb -1 e combinazione di piu’ analisi Il rischio e’ che nel 2009 la regione di massa piu’ probabile per l’Higgs del MS non sia ancora stata completamente esplorata.

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12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Segnale contro fondo (II)Data e + e -  Z Z e + e -  qq e + e -  W + W - Backgrounds GLOBAL NEURAL NETWORK OUTPUT Combinazione di b-tagging e della cinematica in una singola variabile: Neural Network / Likelihood / … : Segnale di Higgs (m H = 100 GeV/c 2 ) Segnale di Higgs (m H = 115 GeV/c 2 ) In ogni bin, si puo’ definire la Probabilita’ che un evento i venga dal segnale (s i ) o dal fondo (b i ), ed il peso per l’evento w i = s i / b i w i = s i / b i

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Segnale contro fondo (III) Signal + BackgroundBackground only 100 GeV/c GeV/c GeV/c 2 Likelihood globale di un dato campione di eventi: Q =  (s i  b i )/b i ; Piu’ grande in presenza di segnale; Log-Likelihood negativa L = -2 Log Q (piu’ piccola in presenza di segnale). i = 1 N Segnale? (Expected) (Expected)  s = 206 GeV One Experiment Four Experiments

12 Novembre 2003 CSN1 - Frascati Fabrizio Palla – INFN Pisa Standard Model Higgs Channel Main background S/BBkg. sys for 5  Proposed technique/comments H->  Irreduc.  Reducible  j 2-3%0.4%Side-bands stat Err ~0.5% for fb -1 ttH H->bbttjj30%6%Mass side-bands Anti b-tagged ttjj ev. Under study J.Cammin H->ZZ*-> 4 lep ZZ->4l and  ll Reducible tt, Zbb % 60%Mass side-bands Stat Err <30% 30fb -1 H->WW*- >ll WW*, tW30-50%6%No mass peak Bkg enriched region ? Study to be performed VBF channels In general Rejection QCD/EW Study forward jet tag and central jet veto Use EW ZZ and WW leptonic Study to be performed VFB H->WW tt, WW, Wt % 10%Study Z,W,WW and tt plus jets Work started Wisconsin VBF H->  Zjj, tt % 10%Missing Et calibration Study to be performed MSSM (bb)H/A->  Z-> , Wj 25% tg  =15 MA=300 5%Mass side-bands Stat Err ~5% 30fb -1 MSSM (bb)H/A ->  Z/  *->  12% tg  =15 MA=150 ~2%Mass side-bands Stat Err ~2% 30fb -1