U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo1 Da LEP a LHC…(via Tevatrone...) C’è un Higgs a 115 GeV ? Dovremo comunque attendere fino al 2007... Al Tevatrone,

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1 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo1 Da LEP a LHC…(via 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): W* H W q q’ seguito dal decadimento H  bb : non facile...

2 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo2 Large Hadron Collider Nello stesso tunnel di LEP: i gioghi del magnete (YB0) di CMS 4 esperimenti: - ATLAS, CMS : “general pourpuse” - ALICE : ioni pesanti - LHCb : fisica del b

3 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo3 A Toroidal Lhc ApparatuS Pixel detector, (1500 moduli, 50000 pixels ognuno, 10 8 canali ) Semiconductor Tracker Transition RadiationTracker Technical Proposal: CERN/LHCC/94-43 MDT CSC RPC (Liquid Argon) Steel-scintillator sampling Solenoide centrale: B= 2T Air-core toroid magnet system : “bending power”: (dipendente dalla pseudorapidità  )

4 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo4 Compact Muon Solenoid Technical Proposal: CERN/LHCC/94-38 Unico solenoide centrale : B= 4 T Camere per muoni nei gioghi di ritorno del magnete (1.8-2.2 T)

5 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo5 A Large Ion Collider Experiment at LHC Fisica degli ioni pesanti: studio degli stati condensati di quark-gluon plasma in scattering Pb-Pb -run a bassa luminosità (L=10 27 cm -2 s -1 ) -eventi ad elevatissima molteplicità di tracce - “cuore” del rivelatore: enorme TPC (=> proprietà di deconfinamento dei quarks)

6 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo6 LHC-b Top view Spettrometro “single arm”: 1.88  =15 - 300 mrad ) => stessa accettanza per la fisica del b di un grande apparato “centrale”

7 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo7 Da LEP a LHC... fondi e.w. LEP LHC  10 3  10 8 fondi QCD H H m H =500 m H =100 Rate(Hz) (L=10nb -1 s -1 ) LHC: una fabbrica di Higgs, ma in un ambiente un pò ostile...  1/anno  1/ora

8 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo8 Trigger a LHC... 100KHz ogni 25 ns... ogni 3-4 ore... TRIGGERS 100 Hz L1 HLT

9 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo9 High Level Triggers CMS : single muon stream pp   X L1: p T thr =20 GeV rate = 6.1 KHz L2 L3 L3: output su mass storage Composition (after isolation cuts): ,K  W  Z Muon p T threshold (GeV/c)

10 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo10 off-line: analyses down to O(10 -5 -10 -7 ) Hz rates HLT outpupt, di-mu stream (  3 Hz) Low lumi [CMS-DAQ TDR] H  WW  2  2 High Level Triggers CMS : di- muon stream pp  2  X e.g. H  WW  2  2 Z 0 :  1.5 Hz tt  2  X

11 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo11 Ricerca dell’Higgs a LHC: i “golden channels” 10 3 “facile” “abbastanza facile” difficile 100fb -1 serve “aiuto” per m H  115... Higgs branching fractions: m H =130

12 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo12 Meccanismi di produzione dell’Higgs a LHC: Meccanismi di produzione più importanti La “produzione associata” Higgs-top, Higgs-W può essere d’aiuto a bassi valori di massa (dove la ricerca è più difficile)

13 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo13 Ricerca dell’Higgs a LHC... H  4 leptoni H  , bb LHC : 10 fb -1 per il 2007 ? “produzione associata” Htt (trigger di leptone singolo: t   /e X ) : canale promettente, in aiuto al ”classico” H  

14 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo14 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... e ancor più negli scenari Super-Simmetrici (in particolare:  tagging)

15 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo15 H  Per m H  115-130 GeV il canale H  resta comunque il più importante, nonostante il basso branching fraction: produzione: decadimento: BR(H  )  10 -3 H0H0 t t t   Essenziale un’ ottima risoluzione del calorimetro e.m.:  E /E  1-2 % la richiesta di 2 jets ( => produzione qqH) diminuisce drasticamente il fondo m H =120

16 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo16 H  WW  l  l  l = e  Nella regione m H  130-180 GeV il canale H  WW diventa il più importante CMS: selezione di-muoni a High Level Trigger segnale H  WW  2  2

17 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo17 H  WW  l  l  l = e  Reiezione fondi: - isolamento leptoni (=> rigetta bb jets, top) - p T > 25, 20 GeV/c (=> bb ) -veto su jets “centrali” (=> top) - E T miss > 40 GeV/c 2 ( => Z, top)

18 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo18 H  ZZ*  4l  l = e  La regione 130-180 GeV è comunque ben accessibile anche al canale H  ZZ*: Fondi principali: - produzione incoerente di coppie di Z; - tt   l X - Z + bb jets   l  X

19 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo19 Possibilità di scoperta dell’ Higgs

20 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo20 Fisica oltre lo SM Si apre un vaso di Pandora.... Nel seguito, solo alcuni (ragionati...) esempi: - SUSY Higgs nel MSSM: - MSSM Higgses prodotti via SM disgrams - decadimenti “standard” - decadimenti in s-particles - MSSM Higgses prodotti in decadimenti di squarks/ gluini -produzione di s-particles (non Higgs) -esempi di “altra” (non SUSY) nuova fisica: - Z’ - segnature da extra-dimensions...

21 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo21 Dallo SM al MSSM Nel Minimal SuperSymmetric Model vi sono due doppietti di Higgs:

22 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo22 Settore di Higgs nel MSSM A livello albero, tutte le masse sono determinate da solo due parametri, ad esempio: m A, tan  massa dello pseudoscalare neutro rapporto tra i v.e.v: / Le correzioni radiative modificano sensibilmente questa predizione (altrimenti lo MSSM sarebbe già stato eliminato da LEP...) Tuttavia...

23 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo23 Masse degli Higgs nel MSSM Nel MSSM, ci deve essere almeno un Higgs leggero, h 0 (m h0  130 GeV per qualsiasi valore di m A, tan  ):

24 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo24 H f H f Higgs couplings to fermions: _ proportional to mass  3 rd generation favoured tan  enhances couplings to down-type fermions Costanti di accoppiamento mixing stop-sbottom

25 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo25 Sezioni d’urto tg  =1.5 tg  =30. Le sezioni d’urto dipendono drasticamente da tg  : h0h0 H0H0

26 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo26 Limiti su MSSM a LEP M h > 84 GeV LEP ha già fatto un buon lavoro di esclusione, ma in una regione limitata dello spazio dei parametri...: g h/A/H b Z* h A e+ e- q q b CDF LEP 0.0.140. mhmh mhmh 0.0. mAmA mAmA 0.0. 0.0.300. Maximal Stop mixing No mixing tan  10 1 1

27 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo27 I decadimenti nel  giocano un ruolo essenziale:  jet + jet  lepton + jet  lepton + lepton MSSM a LHC La copertura dello spazio dei parametri viene notevolmente estesa: h 0,A 0,H 0  

28 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo28 BR di h 0,A 0,H 0 I BR (h 0,A 0,H 0  ) sono dell’ ordine del 10% : Canale “raro” ma non troppo...

29 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo29 MSSM a LHC... La identificazione del  e il b-tagging saranno essenziali per “chiudere” lo spazio dei parametri:

30 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo30 MSSM a LHC... H+  g g t b t b H+H+ b 

31 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo31 nuove idee per coprire la regione a bassi tan  - alti m A MSSM a LHC... il segnale di h0 dovrebbe sempre essere trovato: stessa tecnica (stessi problemi...vedi sopra) di H SM  al di sotto di questo “triangolo” nel piano (m A,tan  ) si rischia di avere una sola “segnatura” disponibile....

32 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo32 A, H   2 0  2 0  4l + E T miss Most promising decay channel: l + l -  1 0 … interesting coupling: H0H0 A0A0 Z0Z0 doesn’t work for SM, but remember SUSY … ~ ~ =  0 (neutralinos) Higgs  light sparticles

33 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo33 Sparticle modes  x BR The signature looks like: 4 isolated leptons (e,  ) + E T miss powerful signature against the SM + SUSY backrounds @ LHC fb intermediate sleptons

34 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo34 Selection criteria

35 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo35 Some distributions kept

36 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo36 A case study:

37 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo37 Discovery reach A/H    4 leptons seems to prefer low tan , complementary to A/H   !! Typical discovery reach:

38 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo38 try to exploit MSSM Higgs bosons production in SUSY particle cascades So we tried new decay modes … what about new production mechanisms? Susy production mechanisms Possibili scenari di cascate (ricca spettroscopia...)

39 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo39 Cascade scenarios : Scenario 1 (big cascades) g (600 GeV) ~ q (720 GeV) ~ ~ ~ ~ ~ h 0, H 0, A 0, H ± (170 GeV) (95 GeV) ~ (340 GeV) Scenario 2 (little + big cascades) ~ h0h0 g (900 GeV) ~ q (1080 GeV) ~ ~ ~ ~ ~ h 0, H 0, A 0, H ± (270 GeV) (145 GeV) ~ (480 GeV) ~ Initiated by s-quarks:

40 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo40 Scenarios g (1200 GeV) ~ q (800 GeV) ~ ~ ~ ~ ~ h 0, H 0, A 0, H ± (150 GeV) (110 GeV) ~ (375 GeV) ~ g (1200 GeV) ~ q (800 GeV) ~ ~ ~ (400 GeV) (200 GeV) ~ h 0, H 0, A 0, H ± Scenario 3 (big cascades) Scenario 4 (little cascades) ~ ~ (1000 GeV) ~ Initiated by gluinos:

41 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo41 Cross section x BR’s Scenario 1 Scenario 3 Scenario 2 Scenario 4 m A =150 GeV tan 

42 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo42 Kinematics Jet multiplicity in SUSY cascade signal vs. SM tt background -

43 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo43 Kinematics E T (hardest jet) in SUSY cascade signal vs. SM tt background -

44 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo44 Kinematics Missing E T in SUSY cascade signal vs. SM tt background -

45 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo45 Kinematics Total transverse energy in SUSY cascade signal vs. SM tt background: -

46 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo46 Selection criteria for neutral Higgses we require the event to contain at least 5 jets the hardest jet in the event should have E T > 300 GeV the transverse missing energy E T miss > 150 GeV the effective mass > 1200 GeV the event should contain at least two b-tagged jets, with 45 GeV 3.

47 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo47 Results: scenario 1 30 fb -1  : susy signal  : susy bkg  : SM tt bkg Non molto incoraggiante... tuttavia

48 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo48 Results: scenario 2 30 fb -1 h0h0  : susy signal  : susy bkg  : SM tt bkg

49 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo49 Results: scenario 3 30 fb -1 h0h0 H 0, A 0  : susy signal  : susy bkg  : SM tt bkg

50 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo50 Results: scenario 4 30 fb -1 h0h0 H 0, A 0  : susy signal  : susy bkg  : SM tt bkg

51 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo51 S-particle signals   2 high p t isolated leptons OS (leptons = e,  )   2 high p t non-b jets  missing E t   2 high p t b jets   2 high p t isolated leptons OS (leptons = e,  )  missing E t SM bkg: tt, Z+jet, W+jet, ZZ, WW, ZW, QCD jets Reconstruction of sbottoms, squarks and gluinos p p b b

52 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo52  0 2 reconstruction p p b b 10 fb -1

53 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo53 Esempi di nuova fisica: Z’

54 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo54 Esempi di nuova fisica: Kaluza Klein models Compattificazione delle extra-dimensions dello spazio-tempo a “grande” scala => eccitazione di bosoni di gauge a energie dell’ordine del TeV Massa di-leptoni

55 U.GaspariniCorso SM, Dottorato, XIII ciclo55 Considerazioni conclusive - il Modello Standard funziona molto bene, più di quanto nessuno fosse disposto a scommettere per una teoria efficace vent’anni fa... - l’unico mattone fondamentale mancante, l’Higgs, è (forse) dietro l’angolo: probabilmente proprio dove per LHC è più difficile trovarlo (e anche il Tevatrone farà fatica...: una bella sfida ! ) - ci sono indizi di SuperSimmetria, ma le ricerche dirette non hanno dato esito: s-quarks, s-leptoni, gaugini daranno chiare segnature a LHC; per il settore di Higgs, almeno un bosone del MSSM, se c’è, verrà scoperto; tuttavia, la completa copertura dello spazio dei parametri richiederà 100 fb -1 (regione più difficile: 3< tg  < 10, 120 < M A < 220 GeV ) LEP ha lasciato una “ingombrante” eredità a LHC: