Ricerca dei bosoni di Higgs a LHC Riccardo Ranieri INFN e Università di Firenze XVI Ciclo di Incontri di Fisica delle Alte Energie Torino, 14-16 Aprile.

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1 Ricerca dei bosoni di Higgs a LHC Riccardo Ranieri INFN e Università di Firenze XVI Ciclo di Incontri di Fisica delle Alte Energie Torino, 14-16 Aprile 2004

2 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 2 ATLAS & CMS a LHC –Rivelatori ottimizzati per la ricerca del bosone di Higgs e nuova fisica LHCpp √s=14TeV  grande energia: LHC pp √s=14TeV σ pp =55mb –sezione d’urto: σ pp =55mb 40MHz –frequenza di interazione: 40MHz 2x10 33 cm -2 s -1  10 34 cm -2 s -1  alta luminosità: 2x10 33 cm -2 s -1  10 34 cm -2 s -1 20fb -1  100fb -1 –per anno: 20fb -1  100fb -1  rivelatori immensi –CMS: 15mx21.5m –ATLAS: 25mx46m CMS = Compact Muon Solenoid LHC = Large Hadron Collider ATLAS = A Toroidal LHC ApparatuS CERN – Ginevra …a partire dal 2007…

3 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 3 Settore di Higgs SM m f /v m 2 /v W,Z H  m 2 /v 2 H m 2 = v 2 /3 H (sconosciuto) - v 4 /24 Vuoto “vuoto” (Il nostro vuoto) Tutti gli accoppiamenti predetti Massa sconosciuta Dal meccanismo di Higgs… …e dall’Invarianza di Gauge: m Z =m W /cosθ W (  v  250 GeV/c 2 ) Vacuum Expectation Value m W = gv/2 Modello Standard (SM) Modello Standard (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

4 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 4 Settore di Higgs MSSM –Estensione minimale del Modello Standard (MSSM)  si introducono 2 doppietti scalari  5 stati fisici  3neutri  3 bosoni di Higgs neutri  2carichi  2 bosoni di Higgs carichi 2 parametri liberi  tree level: 2 parametri liberi –tanβ –tanβrapporto tra i valori di vuoto dei 2 doppietti scalari –m A –m A massa del bosone di Higgs pseudoscalare hHA H±H±H±H± CP-evenCP-odd hep-ph/9712464

5 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 5 Massa dei bosoni di Higgs –Born level  m h <m Z  m A <m H  m W <m H ± –Correzioni da loop  dipendono da masse di top e s-top, mixing, …  modificano le relazioni precedenti h  importanti per h Phys.Rev. D66 :055004,2002 hep-ph/0205160 Higgs Mass [GeV/c 2 ] m h cresce con m A fino alla saturazione: m h <130 GeV/c 2 m H, m A e m H ± degeneri per m A >140 GeV/c 2 m A /m Z >>1h MSSMHiggs SM per m A /m Z >>1 h MSSM si comporta come un bosone di Higgs SM

6 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 6 triviality vacuum stability Massa del bosone di Higgs SM m H <193 GeV/c 2 @ 95% CLm H >114.4 GeV/c 2 @ 95% CL m H =115 GeV/c 2 ¿ Evidenza di un segnale m H =115 GeV/c 2 dai dati di LEP2 ? CERN-EP/2003-011 CERN-EP/2003-091 hep-ex/ 0312023

7 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 7 Produzione Higgs SM a LHC  Gluon Fusion –la sezione d’urto più alta  Vector Boson Fusion –2 jet in avanti di alto p T  Produzione Associata WH e ZH –uno o due leptoni ad alto p T per il trigger  Produzione associata ttH e bbH –leptone di alto p T e ricostruzione top- -

8 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 8 Decadimenti SM Higgs –decadimenti adronici e ττ favoriti »ma difficili da selezionare Higgs “leggero” 2m Z –decadimenti in bosoni vettori »canali “golden” –decadimenti in due fotoni »estremamente “puliti” ma scarsi e di difficile rivelazione LEP excluded

9 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 9 Higgs “leggero”: H →  sezione d’urto molto piccola  σ(pp  H 115 )xBr(H  )=76fb S/B≈10 -2 fondamentale –il calorimetro elettromagnetico è fondamentale  simulazione completa del rivelatore –produzione inclusiva di H »K-factor NLO »σ xBR[m H =120GeV/c 2 ]=91fb –3 diversi fondi 81pbxK[=1.2/1.5] »irriducibile: gg/qq →  81pbxK[=1.2/1.5] 9x10 4 pbxK[=1(2 ,40%);1.72(1 ,60%)] »  +jet (secondo  reale o “fake”) 9x10 4 pbxK[=1(2 ,40%);1.72(1 ,60%)] 10 8 pbxK[=1] »jet adronici QCD con deposito di energia elettromagnetica da decadimenti di adroni neutri 10 8 pbxK[=1] CMS AN 2003-009 –Ottima risoluzione su m H =m  »0.7% per m H =110GeV/c 2 »calorimetro elettromagnetico… –Buone probabilità di scoperta con 30fb -1 per m H <140GeV/c 2 »calorimetro elettromagnetico…

10 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 10 Higgs “leggero”: ttH( → bb) sezione d’urto bb grande  σ(pp  H 115 )xBr(H  bb)=28pb S/B<10 -7  si sfruttano i decadimenti dei due quark top 1.t → bW( →μν ) 2.t → bW( → jj)  stato finale “affollato” –6 jet (4 sono b-jet) »si richiedono almeno 2 b-jet –1 leptone isolato »è la chiave per il trigger  analisi ottimizzata –p ν da μ e vincolo su m W –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) -

11 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 11 –Il canale “golden” Z →μ + μ -  2 picchi Z →μ + μ - ben definiti m H >2m Z –per m H >2m Z : Z reali  simulazione completa del rivelatore NLO –sezioni d’urto NLO –trigger  studio dei principali fondi –riducibili: tt, Zbb »isolamento μ »ricostruzione Z (m Z ) –irriducibile: ZZ »fattore limitante (p T ) 5σ  Luminosità richiesta per scoperta a 5σ: –10÷30fb -1 per m H >2m Z »3-4 anni –fino a 100fb -1 per m H <2m Z »run ad alta luminosità Higgs “pesante”: H → ZZ (*) → 4 μ CMS AN 2003-005 CMS AN 2003-007 μ - -

12 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 12 SM Higgs: potenziale di scoperta T 0 +2anni –Dopo i primi T 0 +2anni tutto lo spettro di massa è coperto da più di un canale »l’eccesso di LEP è al limite… T=T 0  Una volta calibrati e compresi i rivelatori (T=T 0 )… T 0 +2anni 7 σ –dopo i primi T 0 +2anni (≈30fb -1 ) 7 σ su tutto lo spettro di massa primo anno –gran parte dello spettro di massa può essere esplorato nel primo anno (10fb -1 )

13 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 13 Higgs neutri MSSM a LHC –Produzione: »gg → A/H »pp → A/Hbb –Gli accoppiamenti a bosoni e fermioni sono modificati rispetto al Modello Standard dal mixing Higgs neutri ( α ) –alto tan β »favoriti i decadimenti h/H/A → bb, ττ –piccolo mixing α »h → bb, ττ soppressi - - -

14 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 14 –Copertura totale 30fb -1 –Copertura totale del piano (m A,tan β ) con 30fb -1 »regione ad alti tan β e m A è la più accessibile »in gran parte del piano solo h è rivelabile Ricerca di H e A a LHC - - 0 0 0 0 LHWG Note 2001-004 hep-ex/0107030 –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 →  2  2 »  2 → h  1 Limiti 95% CL

15 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 15 H/A →μ + μ - –Per alto tan β aumenta BR(A/H →μ + μ - )  gg → bbA/H  m A/H =130GeV/c 2  tan β =30 –Simulazione completa del rivelatore segnale  il segnale è sovrapposizione di decadimenti di A e H  Risoluzione sulla massa invariante μ + μ - : 1% –non sufficiente –non sufficiente per risolvere le due risonanze 2 → 5GeV/c 2 –differenza di massa A/H: 2 → 5GeV/c 2 CMS NOTE 2003/033 -

16 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 16 Higgs carichi MSSM  Produzione di H ± t → H ± b –se m H ± <m t : t → H ± b gb → tH ± –se m H ± >m t : gb → tH ±  Decadimenti: H ± →τν –se m H ± <m t : H ± →τν H ± → tb –se m H ± >m t : H ± → tb  Limite al 95%CL da LEP: –m H ± >78.6GeV/c 2 »canali studiati: H ± →τν,cs LHWG Note 2001-005 hep-ex/0107031

17 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 17 Ricerca di H ±  m H ± <m t –ricerca in eventi tt »leptone da quark top »τ da H ± →τν τ –eccesso di τ in eventi tt »la massa di H ± non può essere ricostruita  m H ± >m t –produzione associata con top »gb → tH ± ( →τν τ,tb) –fondo tt e Wt »stati finali con leptoni τ CMS NOTE 2000/039 CMS NOTE 2000/045 CMS NOTE 2002-024 - - -

18 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 18 jet  Molti scenari possibili –neutralini leggeri (SUSY), gravitini, gravitoni,… –Vector Boson Fusion σ ≈4pb –Vector Boson Fusion è la produzione dominante ( σ ≈4pb) »se si eccettua la Gluon Fusion che non si può “vedere”  esperimeno di conteggio –nessuna –nessuna risonanza »jet in avanti eenergia mancante »M jj >1200GeV/c 2 p T miss >100GeV/c –fondi Wjj e Zjj, QCD multi-jet »studi sul Monte Carlo –vincoli sul fondo »si utilizzano Z → ℓℓ e Z → ℓ ν »forma della distribuzione Δφ jj tra i due jet –importanti effetti del rivelatore »rumore dei calorimetri, pile-up Higgs invisibile ATL-PHYS-2003-006 10fb -1 : ~600 eventi di segnale ~3000 eventi di fondo

19 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 19 Vector Boson Fusion  La Vector Boson Fusion contribuisce ad aumentare la significatività del segnale SM Higgs –qqH → qqWW (*) –qqH → qq ττ

20 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 20 SM o MSSM ? parte del piano 5 σ –Anche con 300fb -1 rimane una parte del piano in cui solo h è osservabile (a 5 σ )  h → ,tth → ttbb distinguibilitàSMMSSM –Studi in corso sulla distinguibilità tra SM e MSSM Vector Boson Fusion –Nuovi canali e possibiltà di confrontare i rapporti di decadimento tra SM e MSSM dalla Vector Boson Fusion  attualmente non inclusa in alcune analisi 4 Higgs osservabili 3 Higgs osservabili 2 Higgs osservabili 1 Higgs osservabile - - -

21 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 21 553322 Si vede solo h: SM o MSSM? –Primo sguardo preliminare  Vector Boson Fusion  30 fb -1 > 2 >1 [Errore statistico] >1 bosone di Higgs BR(h  ) BR(h  WW) R = =(R MSSM -R SM )  exp 222

22 XVI IFAE Torino, 14-16 Aprile 2004 Higgs a LHCRiccardo Ranieri 22Conclusioni –Non appena le risposte dei rivelatori ATLAS e CMS saranno capite bene… un annol’intero spettro di massa HiggsModello Standard  potrà essere esplorato in un anno l’intero spettro di massa del bosone di Higgs del Modello Standard… 5 σ se esiste<30fb -1 2 anni  …che potrebbe essere scoperto a 5 σ (se esiste) con <30fb -1 (2 anni) 100fb -1 ~4 anniscoperta  con 100fb -1 (~4 anni) scoperta confermata da più di un canale 300fb -1 >5 annitutto lo spazio MSSM  con 300fb -1 (>5 anni) tutto lo spazio MSSM (m A,tan β ) 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