A. Lucotte30-SEP-2004 La recherche du Boson de Higgs : Contraintes directes et indirectes

A. Lucotte 30-SEP-2004

La recherche du Boson de La recherche du Boson de Higgs :Higgs :

Contraintes directes et Contraintes directes et indirectesindirectes


Plan de l’exposPlan de l’exposéé

Le secteur Le secteur électrofaible du MS et au-delaélectrofaible du MS et au-dela Formalisme utilisé

Limites thLimites théoriques sur le Boson de Higgséoriques sur le Boson de Higgs

Limites expérimentales directes Limites expérimentales directes

Limites expérimentales indirectes Limites expérimentales indirectes Z-lineshape Asymetries polarisees Saveurs lourdes W mass Top Mass Fit global (avant / apres) mt vs mW

InterpretationInterpretation MS vs MSSM ou CMSSM MS vs Higgs lourds (S,T parametres)


Le Modèle StandardLe Modèle Standard

Le Modèle StandardLe Modèle Standard

Le MS décrit : Constituants élémentaires de la matière :

e et eR , μR ,R

e- μ- -

u c t et uR , cR, tR , dR, sR, bR

d s b Interactions entre constituants

invariance p/r au groupe de jauge SU(3)CxSU(2)xU(1)YStructure du MS

Symétrie SU(3)C : interaction forte

Symétrie conservée Boson médiateur : le gluon, de masse nulle

Symétrie SU(2)L x U(1)Y : interaction électrofaible

Symétrie spontanément brisée EM symétrie résiduelle

Bosons médiateurs : W± et Z massifs (interaction faible) massifs, Photon γ (électromagnétisme) de masse nulle

Le MS théorie renormalisable :Observables calculables à partir d’un ensemble fini de paramètres à tous les ordres de corrections radiatives

L

L

L

LL

L

lucotte

quark c decouvert en 1974 a SLAClepton tau decouvert en 1974 a SLACquarks b et top decouvert en 1977 et 1994 a FermilabSU(3)C: gluon decouvert a DESY en 1979W et Z decouvert au CERN en 1983 apres decouverte des courants neutres


Les prLes préédictions du MS : dictions du MS : introduction introduction

Théorie renormalisableThéorie renormalisable Prédictions des quantités mesurables possibles:

à partir d’un ensemble fini de paramètres à tous les ordres de corrections radiatives

Choix des paramètres initiaux :Choix des paramètres les mieux définis / déterminés : Ordre 0 (mZ, GF, αQED(Q2=0) ) Tout ordre (mZ, GF, αQED(Q2=0),αs ,mfermion, mHiggs)

Valeurs des paramètres A l’ échelle d’énergie appropriée pôle du Z

Au final :

mtop mHiggs

mZ = 91.1875(21) GeV

GF = 1.16637(1) 10-5 GeV-2

-1(mZ2) = 128.xx (xx)

s(mZ) = 0.118 (2)


Les prLes prédictions du MS : édictions du MS : les corrections radiativesles corrections radiatives

Les corrections radiativesLes corrections radiatives Corrections photoniques

Énergie propre du photon Boites + Vertex (bremsstrahlung)

Corrections électrofaiblesÉnergie propre du W/Z Énergie propre des fermions : Vertex

Paramètres ρ

Importantes mais bien connues

mmWW2 2

mmZZ22coscosθθWW


Ajustement des mesures Ajustement des mesures électrofaibles : électrofaibles : le Modèle Standardle Modèle Standard

Observables électrofaibles Observables électrofaibles Observables de hautes énergies :

Plus 1000 mesures avec des incertitudes corrélées Total de 17 observables de précision

Propriétés du boson Z f f

4 paramètres de résonance (mZ , ΓZ , σ0had , Rhad )

3 paramètres d’asymétries leptoniques (ALR,A0,lFB)

5 paramètres de désintégration du Z bb, cc1 asymétrie de charge inclusive

Propriétés du boson W2 paramètres (mW , ΓW)

Propriété du quark Top1 paramètre (mtop )

LEP1 + SLD

LEP2 + TeVatron

TeVatron


Les paramLes paramètres de la résonance du Zètres de la résonance du Z

La rLa résonance du Zésonance du Z


La masse du boson WLa masse du boson W

Mesures de la masse du WMesures de la masse du W

SensibilitSensibilité au boson de Higgsé au boson de Higgs


La masse du quark topLa masse du quark top

Mesures du quark topMesures du quark top

Sensibilité au boson de HiggsSensibilité au boson de Higgs


Les saveurs lourdes (ZLes saveurs lourdes (Zbb,cc)bb,cc)

La rLa résonance du Zésonance du Z Parametres

ObservableObservable

MMZZ

ΓΓZZ

mmσσ00hadhad

RRleplep

AA0,l0,lFBFB

0.160.16

0.290.29

0.200.20


Les asymLes asymétries polariséesétries polarisées

La rLa résonance du Zésonance du Z Parametres

ObservableObservable

MMZZ

ΓΓZZ

mmσσ00hadhad

RRleplep

AA0,l0,lFBFB

0.160.16

0.290.29

0.200.20


Ajustement des mesures Ajustement des mesures électrofaibles : électrofaibles : dans le cadre du MSdans le cadre du MS


Ajustement des mesures Ajustement des mesures électrofaibles : électrofaibles : dans le cadre de SUSYdans le cadre de SUSY


Ajustement des mesures Ajustement des mesures électrofaibles : électrofaibles : au-delà du MSau-delà du MS







BACKUP SLIDESBACKUP SLIDES


Les prLes préédictions du MS : dictions du MS : introduction introduction

Théorie renormalisableThéorie renormalisable Prédictions des quantités mesurables possibles:

à partir d’un ensemble fini de paramètres à tous les ordres de corrections radiatives

Choix des paramètres initiaux :Choix des paramètres les mieux définis / déterminés : Ordre 0 (mW, mZ, αQED(Q2=0) ) Tout ordre (mW, mZ, αQED(Q2=0),αs ,mfermion, mHiggs)

Valeurs des paramètres :

Nécessité d’utiliser ces paramètres à l’echelle d’ énergie appropriée pôle du Z

Au final :

mtop mHiggs

-1(0) = 137.03599877(40)s(mZ) = 0.118 (2)

G (m) = 1.16637(1) 10-5 GeV-2

mZ = 91.1875(21) GeV

(m(mZZ22) = ) = (0)/(1-(0)/(1-ΔΔ55

hadhad--ΔΔleplep))

σσ(e(e++ee-- γγ* * hadrons )hadrons )

σσ(e(e++ee-- γγ** μμ++μμ--) ) RRγγ(s) =(s) =

-1-1(m(mZZ22) = 128.xx ) = 128.xx (XX)(XX)

Calculable analytiquement

Relation de Dispersion :


Radiative CorrectionsRadiative Corrections

Quantum loops generate corrections in three sectors: Quantum loops generate corrections in three sectors:

DEFINITIONDEFINITION

= = 0 0 // (1- (1-))

aa = = I I33

vv = = I I33 (1 - 4|Q| (1 - 4|Q| sinsin22WW))

G

m WW2

)sin22 sinsin22WW 1 - m 1 - m22WW/m/m22

ZZ

-

W- e-

e

e- f

Z Z

e+ f

e-

Z

W

e+

e- l

Z

e+ l

(1+(1+r)r)

1 + QED + w (mTop, mHiggs)

1 + 0.038 + 0.002

sinsin22effeff

r + rW (mTop, mHiggs)

0.06 0.06 - 0.014- 0.014

(mTop, mHiggs)

0.0050.005


Masse du Higgs : Masse du Higgs : contraintes théoriquescontraintes théoriques

UnitaritéUnitarité Diffusion de bosons

σ(VLVL VLVL) diverge

Contribution du Higgs nécessaire Limite supérieure sur mH

TrivialitéTrivialité Evolution de λ(Λ) : EGR

λ(Λ) augmente avec Λ…et donc gf (Yukawa)

Il faut borner λ(Λ) Limite supérieure mH

Stabilité du videStabilité du vide V(Ф) doit avoir un “minimum absolu”

∂V(Ф)/∂Ф > 0 λ(Λ) > 0

Limite inférieure sur mH

mmHH ≤(2√2 ≤(2√2ππ/G/GFF))1/21/2 ≤≤ 870 GeV/c 870 GeV/c22

mmHH < 8 < 8ππ22vv22 // 3 log( 3 log( ΛΛ22/ v/ v22))

mmHH > 52 GeV/c > 52 GeV/c2 2 à à ΛΛ = 1 TeV = 1 TeV

Région autorisée Région autorisée pour mpour mHH

en fonction de en fonction de ΛΛ


Le Boson de Higgs dans le Le Boson de Higgs dans le Modèle StandardModèle Standard

Le Higgs dans le Modèle StandardLe Higgs dans le Modèle Standard

Mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible = mécanisme de Higgs

Champ scalaire Ф (complexe) doublet de SU(2) Potentiel V(Ф) = λ( Ф†Ф – v2/2 )

v est la valeur moyenne dans le vide le minimum de V(Ф) est alors |Ф| = v/√2

Génération des massesGénération des masses Masses des bosons : interaction avec le champ valeur v

MW = MZ =

La mesure de la durée de vie du muon fournit v : v = (√2GF)-1/2 ≈ 246 GeV

Masses des fermions (Yukawa)Couplages du Higgs aux fermions mf = gf v / √2

Masse du boson de Higgs mH = 2 λv2

λ est un paramètre libre du MS

gv gvgv gv

2 2cos2 2cosθθWW


Masse du Higgs :Masse du Higgs :contraintes expérimentalescontraintes expérimentales

Recherches directesRecherches directes Etudes @ LEP :

e+e- HZ HZ bbll HZ bbqq

Contraintes indirectesContraintes indirectes

• LEP + SLAC + TeVatron :

MZ , MW , mt

sin2θW , αEM

• Ajustement dans le MS :

Paramètre libre mH

Exclusion @ 95% CL :Exclusion @ 95% CL :mmHH > 114.4 GeV/c > 114.4 GeV/c22

Les résultats experimentaux Les résultats experimentaux favorisent un Higgs léger:favorisent un Higgs léger:

mmHH = 114 = 114+69+69-45-45 GeV/c GeV/c22

mmHH < 260 GeV/c < 260 GeV/c2 2 @ 95%@ 95%

Qques “candidats” ? Qques “candidats” ? @ m@ mHH ≈ 115 GeV/c ≈ 115 GeV/c22

( statistiquement ~2 ( statistiquement ~2 σσ))

-- -


La chasse au Higgs au Run IILa chasse au Higgs au Run II

Recherche directe du Higgs Recherche directe du Higgs Run I (1989-1995)

Recherche indirecte du HiggsRecherche indirecte du Higgs

Mesures de précision MW & mt

90 100 110 120 130 Higgs Mass [GeV/c2]

100

10

1

10-1

σ(p

p

VH

) x

BR

(H

bb

) [

pb

]

CDF Preliminary Run IC.L. Upper limits

VH combined

llbblνbb

qqbb

ννbb

Standard Model

AmAméliorer la éliorer la Sensibilité Sensibilité au Higgs lau Higgs légeréger

d’un facteur > 80 !d’un facteur > 80 !

AmAméliorer les incertitudeséliorer les incertitudesSur MSur MWW et m et mt t

ΔΔMMW W = 27 MeV/c= 27 MeV/c2 2 (2 fb(2 fb-1-1)) ΔΔMMWW = 15 MeV/c = 15 MeV/c22 (15 fb (15 fb-1-1))

et et ΔΔmmt t = 2.7 GeV/c= 2.7 GeV/c22 (2 fb (2 fb-1-1) )

ΔΔmmtt = 1.3 GeV/c2 (15 fb = 1.3 GeV/c2 (15 fb-1-1) )

15 fb15 fb-1-1


La recherche Higgs au TeVatron :La recherche Higgs au TeVatron :Bilan Revisité …Bilan Revisité …

PerspectivesPerspectives Re-analyses (2003) faites en utilisant les données Run IIa

Canaux WHlνbb et ZHννbb Ré-éstimation des fonds Paramétrage de l’ efficacité d’étiquetage

des b Etudes de résolution Mbb

Généralisation de l’usage des NN

Le “Run IIa” est défini par la durée de vie des détecteurs de Vertex

Dégradation attendue des performances à partir de ~4 fb-1

4 fb-1

La direction de FermiLab a rennoncé a l’upgrade des détecteurs de Vertex (début 2003) Il n’est donc pas impossible de retrouver une position similaire à celle de LEP-II d’ici 2007, avec les indices d’un signal statistiquement insuffisamment significatif

FERMILAB-PUB-03/320-E

LEP exclu

Documents

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