Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC1 Il bosone di Higgs a LHC.

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2 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC1 Il bosone di Higgs a LHC

3 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC2  il bosone di Higgs nel MS;  produzione di Higgs a LHC;  decadimento ed osservabilità dell’Higgs a LHC, in funzione di m H :  m H < 150 GeV: pp  HX,H   ;  m H < 150 GeV: pp  W ± HX, ZHX, ttHX,W/Z/tt  ℓ ±, H  ;  m H < 120 GeV: pp  W ± HX, ZHX, ttHX,H  bb;  120 < m H < 150 GeV: pp  HX,H  ZZ *  4 ℓ ± ;  150 < m H < 200 GeV: pp  HX,H  WW (*),  ℓ + ℓ - ;  m H > 170 GeV: pp  HX,H  ZZ  4 ℓ ±, ℓ + ℓ - ;  m H < 300 GeV: pp  HX,H  WW, ZZ  ℓ ± jj, ℓ + ℓ - jj;  riassunto dei valori di significanza statistica. [NB – Modello Standard Minimale, cioè una sola particella fisica nel settore di Higgs]. La fisica di LHC - sommario

4 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC3  Ascoltando le presentazioni e leggendo le proposte di esperimento, si potrebbe trarre la deduzione (errata) che LHC sarà realizzato con l’unico scopo di scoprire il bosone di Higgs (e le SUSY);  in realtà, LHC è una macchina “esploratoria” : aumenta di oltre l’80% l’intervallo di  s accessibile agli esperimenti, ha rivelatori capaci di osservare tutti gli stati finali, possiede la potenzialità di scoprire tutta la fisica producibile;  l’argomento teorico basato sul bosone di Higgs serve a dimostrare che, per valori di  ŝ  1 TeV non ci può essere un “deserto” : la non esistenza del bosone di Higgs con m H  1 TeV sarebbe una inconsistenza del Modello Standard e, quindi, una grande scoperta di per sé (che nessuno si augura);  dal punto di vista sperimentale, il bosone di Higgs è un argomento ideale per illustrare le potenzialità e le difficoltà di LHC per la ricchezza di stati finali da rivelare, i metodi differenti di analisi e i differenti valori di energia e massa finale : questo è lo spirito della presentazione che segue;  [argomento analogo per la ricerca di SUSY, non trattata qui]. Nota bene

5 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC4 limiti teorici per m H la massa del bosone di Higgs è un parametro libero del MS; però, la richiesta di non violazione dell’unitarietà pone un limite superiore m H < 1 TeV (approx.); la ulteriore richiesta che il MS abbia consistenza fino ad una certa scala di massa  pone un limite superiore a m H (funzione di  ); la stabilità del vuoto pone un limite inferiore a m H.

6 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC5 [già discusso per LEP II]; tutte le misure mondiali (LEP, TeVatron,, SppS, …); ipotesi : MS minimale; se no, il limite dipende dal modello (ex. tan  in SUSY). limiti sperimentali per m H

7 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC6 pp  HX a  s = 14 TeV - plot

8 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC7 pp  HX a  s = 14 TeV - diagrammi q q’q’ W,Z H q bar q W,Z H t t bar H g g g H t g ++         … + altri … ?????? !!!!!!

9 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC8 accoppiamenti del bosone di Higgs al “tree level” l’accoppiamento dell’Higgs con una coppia di fermioni (f=quark, leptoni) o di bosoni di gauge (V = W,Z) è dato da : pertanto, se m H > 2 m W,Z, preferenzialmente H  W,Z; se invece m H < 2 m W.Z, H  ƒƒ; ƒ è il fermione di massa maggiore cinematicamente permesso; all’aumentare (ipotetico) di m H si aprono nuovi canali, e pertanto  H aumenta. la somma corre su tutti i valori di j,k cinematicamente consentiti ad una data  m H ; per m H >> m z,  tot (TeV)  ½ m H 3 (TeV).

10 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC9 accoppiamenti “vietati” ricordare : H  Z Zno (spin-statistica, a tutti gli ordini); H    non all’ordine più basso (H neutro !!!); Z  H  non all’ordine più basso (Z, H neutri !!!); H  g gnon all’ordine più basso (Higgs non ha interazioni forti). ???

11 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC10 decadimento del bosone di Higgs

12 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC11 decadimento del bosone di Higgs - domande ?????? !!!!!!

13 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC12 larghezza del bosone di Higgs ~m H 3 a m H  1.4 TeV non è più una “particella”.

14 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC13 ricerca del bosone di Higgs 1000 a seconda di m H, l ’ Higgs decade in modo differente  ricerche differenti della “ stessa ” particella; in sostanza, tre regimi separati :  H  (vedi);  m H <2m W, discreta statistica, problemi da reiezione di fondi;  m H >2m W, piccola , problemi da statistica × BR(  ℓ ± ). 50100200500 m H [GeV] LEP II  W/Z/tt  ℓ ±,H  ttH, H  bb ZZ *  4ℓ ± H  ZZ  4ℓ ±, ℓ + ℓ - WW,ZZ  ℓ ± jj, ℓ + ℓ - jj WW (*)  ℓ + ℓ -

15 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC14 H   piccolo BR (10 -3, dovuto ad  em 2 )   ×BR = 30  50 fb per m H < 140 GeV; piccoli fondi (  º, Z  ee| no traccia, q qbar  ); calo e.m. di grande qualità (CMS); errore sul vertice dello sciame :  P = 3  4 mm /  E (GeV); tagli [ATLAS] :  p T  > 40 GeV (  1 ), > 25 GeV (  2 );  |  1 | < 2.4; |  2 | < 2.4;  (m  ) = 1.3 GeV (ATLAS); canale difficile, richiede alta statistica [s piccolo  s/  b piccolo]; di fatto, questo canale ha condizionato la costruzione degli esperimenti (specie CMS]. ATLAS, 100 fb -1

16 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC15 CMS : H , m H =130 GeV CMS, 100 fb -1

17 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC16 H    W / Z  ℓ ± richiesta : pp  HW oppure HZ oppure ttH, H   ;  ~ 1/50 di pp  HX (se si richiede ℓ ± nello stato finale); vantaggi :  minore fondo;  determinazione migliore del vertice d’interazione dal ℓ ± ;  forse possibile anche W/Z  jet jet (vincolo di massa);  studio degli accoppiamenti (HW oppure HZ), test del MS; ATLAS

18 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC17 H  b bbar  W / Z / t tbar  ℓ ± il canale prediletto a LEP II, a LHC ha troppo fondo; inoltre BR diminuisce bruscamente per m H  2 m W ; utilizzabile, se un ℓ ± aiuta la selezione; b-tag fondamentale (discusso in precedenza). ATLAS m H =120 GeV 100 fb -1 non mi sembra il canale più adatto alla scoperta …

19 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC18 H  Z Z *  4 ℓ ± - 1 per H  ZZ, tre differenti regioni cinematiche (questa è la n. 1) :  m H < 2 m W, H  Z Z *, 1 vincolo m(ℓ + ℓ - ) = m Z ;  2 m W < m H < 2m Z, H  Z Z depresso ~ 5%;  m H > 2 m Z, H  Z Z, 2 vincoli m(ℓ + ℓ - ) = m Z ; tagli (ATLAS, 4  ) :  p T 1,2 > 20 GeV;  p T 3,4 > 7 GeV;  |  1,2,3,4 | < 2.5;  dipende da L (pile-up). ATLAS 10 33 cm -2 s -1

20 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC19 H  Z Z*  4 ℓ ± - 2 ATLAS, 10 33 cm -2 s -1

21 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC20 H  Z Z*  4 ℓ ± - 3  (risoluzione di massa) in GeV, in funzione di m H ; “ Low ” = 10 33 cm -2 s -1 ; “ High ” = 10 34 cm -2 s -1. ATLAS

22 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC21 H  WW (*)  ℓ + ℓ - meglio se prod. associata WH (  /100, no fondo); tagli (ATLAS)  p T 1ℓ > 20 GeV (se alta L, > 30);  p T 2ℓ > 10 GeV;  |  1ℓ,2ℓ | < 2.5;  leptoni isolati;  E T M > 40 GeV;   1ℓ,2ℓ > 1 rad;   ℓept sys < 0.9 rad;   1ℓ,2ℓ < 1.5 ;  no jets p T > 15 GeV |  jet | < 3.2;  m T window [m H -30GeV, m H ]; riconoscimento statistico (no “picco”). ATLAS

23 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC22 sommario : 110 < m H < 2 m Z ATLAS

24 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC23 H  ZZ  4 ℓ ±, ℓ + ℓ - - 1 : m H < 700 GeV per m H < 700 GeV, meglio 4ℓ ±, poi meglio ℓ + ℓ - (BR più alto); fondo dominante : Z/  * Z/  *  4ℓ ± (come a LEP II); tagli (ATLAS)  p T 1ℓ,2ℓ > 20 GeV;  p T 3ℓ,4ℓ > 7 GeV;  |  1ℓ,2ℓ,3ℓ,4ℓ | < 2.5; larghezza sperimentale (rivelatore) ~ comparabile con  tot ; osservabilità facile anche con pochi fb -1. ATLAS, m H =300 GeV se potessi scegliere io, deciderei m H = 300 GeV.

25 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC24 H  ZZ  4 ℓ ±, ℓ + ℓ - - 2 : m H > 600 GeV canale ℓ + ℓ - ; fondo dominante : Z/  * Z/  *  4ℓ ± (come a LEP II); tagli (ATLAS)  p T 1ℓ,2ℓ > 40 GeV;  |  1ℓ,2ℓ | < 2.5  nessun altro ℓ ± ;  m( ℓ + ℓ - ) = m Z ± 6 GeV;  p T ℓℓ > m H – 350 GeV;  E T M > 150 GeV;   1 jet a |  | > 2. osservabilità facile, ma richiede molti fb -1. ATLAS, 100 fb -1

26 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC25 H  WW, ZZ  ℓ ± jj, ℓ + ℓ - jj fondo dominante : W+jet, t tbar  ℓ ±, WW  ℓ ± ; tagli (ATLAS, ℓ ± jj)  p T ℓ > 100 GeV;  E T M > 100 GeV;  p T 1j, 2j > 50 GeV;  p T W  ℓℓ, W  jj > 350 GeV;  m(jj) = m W ± 2  (1  =5  7 GeV); per ℓ + ℓ - jj :   ×BR  1/6;  tagli simile (E T M  p T 2ℓ );  vincolo m() = m Z  no fondo t t. ATLAS, 30 fb =1, m H =600 GeV

27 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC26 misura di m H test cruciale dello SM (ovvio); richiede molta L; dipende anche crucialmente dalla conoscenza della scala di massa (ex. da Z  ℓ + ℓ - ); ATLAS, 300 fb -1

28 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC27 misura di  H stessi commenti di m H ; per m H < 200 GeV,  H troppo piccola per essere misurata (< 1 GeV); misurare anche  prod, BR(H  X), spin-parità, … ATLAS, 300 fb -1

29 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC28 significanza statistica per ricerca di higgs Significanza statistica (s/  b) H , WH, ttH (H  ) ttH (H  bb) H  ZZ (*)  4 ℓ ± H  WW (*)  ℓ + ℓ - H  ZZ  ℓ + ℓ - H  WW  ℓ ± jj totale 100 1000 1 10 100 55 m H [GeV] ATLAS  Ldt = 100 fb -1 in realtà, nel MS, 30 fb -1 sono sufficienti per 5  …

30 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC29 significanza statistica di CMS CMS, L=100 fb -1 non bisogna fare troppi paragoni tra esperimenti, questi studi servono a dare un ordine di grandezza, la vita reale è differente …

31 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC30 arrivederci presto (nel 200?) NB – a LEP, a posteriori, la realtà è quasi sempre stata migliore della simulazione, usualmente per l’utilizzo di metodi di calcolo più sofisticati. CERN H8, estate 2001

32 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC31 Fine - Higgs a LHC