I l bosone di Higgs a LH C

Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 1

Il bosone di Higgs a LHC


il bosone di Higgs nel MS; produzione di Higgs a LHC; decadimento ed osservabilità dell’Higgs a LHC, in funzione di mH :

mH < 150 GeV : ppHX, H ; mH < 150 GeV : ppW±HX, ZHX, ttHX, W/Z/ttℓ±, H ; mH < 120 GeV : ppW±HX, ZHX, ttHX, H bb; 120 < mH < 150 GeV : ppHX, H ZZ* 4ℓ±; 150 < mH < 200 GeV : ppHX, H WW(*), ℓ+ℓ-; mH > 170 GeV : ppHX, H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- ; mH < 300 GeV : ppHX, 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


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 mH 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


limiti teorici per mH

• la massa del bosone di Higgs è un parametro libero del MS;

• però, la richiesta di non violazione dell’unitarietà pone un limite superiore mH < 1 TeV (approx.);

• la ulteriore richiesta che il MS abbia consistenza fino ad una certa scala di massa pone un limite superiore a mH (funzione di );

• la stabilità del vuoto pone un limite inferiore a mH.


• [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 mH


pp HX a s = 14 TeV - plot


pp HX a s = 14 TeV - diagrammi

q

q’

W,ZW,Z

H

q bar

qW,Z

W,Z

H

t

t bar

Hg

g

gHt

g

+

… + altri …

???

! ! !


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 mH > 2 mW,Z, preferenzialmente H W,Z; se invece mH < 2 mW.Z,

Hƒƒ; ƒ è il fermione di massa maggiore cinematicamente permesso;• all’aumentare (ipotetico) di mH si aprono nuovi canali, e pertanto H aumenta.

;Z21

W1;;41

);1241(28

)(

;quark3leptoni1

;41

;)(

2

2

2

2

23

2

2

3224

k

mmx

mm

xxmGkVVH

cmm

mmGffH

H

V

H

V

HF

H

f

fHFπc

.)(

)()(

k kk

j jjHtot

VVH

ffHm

• la somma corre su tutti i valori di j,k cinematicamente consentiti ad una data mH;

• per mH >> mz,

tot (TeV) ½ mH3 (TeV).


accoppiamenti “vietati”

ricordare :• H Z Z no (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 g non all’ordine più basso (Higgs non ha interazioni

forti).

???


decadimento del bosone di Higgs

50 100 200 500 100010-3

10-2

10-1

100

mH [GeV]

B.R

. (H

iggs

X

)

b bbar

+-

c cbar

gg

W+W-

ZZ

Z

t tbar


decadimento del bosone di Higgs - domande

50 100 200 500 100010-3

10-2

10-1

100

mH [GeV]

B.R

. (H

iggs

X

)

b bbar

+-

c cbar

gg

W+W-

ZZ

Z

t tbar

???

!!!


larghezza del bosone di Higgs

50 100 200 500 100010-3

10-2

10-1

100

101

102

mH [GeV]

H [G

eV]

~mH3

a mH1.4 TeV non è più una “particella”.


ricerca del bosone di Higgs

1000

• a seconda di mH, l’Higgs decade in modo differente ricerche differenti della “stessa” particella;

• in sostanza, tre regimi separati : H (vedi); mH<2mW,

discreta statistica, problemi da reiezione di fondi;

mH>2mW,

piccola , problemi da statistica × BR(ℓ±).50 100 200 500

mH [GeV]

LEP II

W/Z/ttℓ±,H

ttH, Hbb

ZZ* 4ℓ±

H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ-

WW,ZZℓ±jj, ℓ+ℓ-jj

WW(*) ℓ+ℓ-


H • piccolo BR (10-3, dovuto ad em

2)

×BR = 3050 fb per mH < 140 GeV;

• piccoli fondi (º, Zee|no traccia, q qbar );• calo e.m. di grande qualità (CMS); • errore sul vertice dello sciame : P = 3 4 mm / E (GeV);

• tagli [ATLAS] : pT

> 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


CMS : H, mH=130 GeV

CMS, 100 fb-1


H W / Z ℓ±

• richiesta : pp HW oppure HZ oppure ttH, H ; ~ 1/50 di ppHX (se si richiede ℓ± nello stato finale);• vantaggi :

minore fondo; determinazione

migliore del vertice d’interazione dal ℓ±;

forse possibile anche W/Zjet jet (vincolo di massa);

studio degli accoppiamenti (HW oppure HZ), test del MS;

ATLAS


H b bbar W / Z / t tbar ℓ±

• il canale prediletto a LEP II, a LHC ha troppo fondo;

• inoltre BR diminuisce bruscamente per mH 2 mW;

• utilizzabile, se un ℓ± aiuta la selezione;

• b-tag fondamentale (discusso in precedenza).

ATLASmH=120 GeV

100 fb-1

non mi sembra il canale più adatto alla scoperta …


H Z Z* 4ℓ± - 1• per HZZ, tre differenti regioni

cinematiche (questa è la n. 1) : mH < 2 mW,

H Z Z*,1 vincolo m(ℓ+ ℓ-) = mZ;

2 mW < mH < 2mZ,H Z Z depresso ~ 5%;

mH > 2 mZ,H Z Z,2 vincoli m(ℓ+ ℓ-) = mZ;

• tagli (ATLAS, 4) : pT

1,2 > 20 GeV; pT

3,4 > 7 GeV; |1,2,3,4| < 2.5;

dipende da L (pile-up).

ATLAS1033 cm-2 s-1


H Z Z* 4ℓ± - 2

ATLAS, 1033 cm-2 s-1


H Z Z* 4ℓ± - 3

(risoluzione di massa) in GeV, in funzione di mH;

“Low” = 1033 cm-2 s-1;“High” = 1034 cm-2 s-1.

ATLAS


H WW(*) ℓ+ℓ-

• meglio se prod. associata WH (/100, no fondo);• tagli (ATLAS)

pT1ℓ > 20 GeV (se alta L, > 30);

pT2ℓ > 10 GeV;

|1ℓ,2ℓ| < 2.5; leptoni isolati; ET

M > 40 GeV; 1ℓ,2ℓ > 1 rad; ℓept sys < 0.9 rad; 1ℓ,2ℓ < 1.5 ; no jets pT > 15 GeV |jet| < 3.2; mT window [mH-30GeV, mH];

• riconoscimento statistico (no “picco”).

ATLAS


sommario : 110 < mH < 2 mZ

ATLAS


H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- - 1 : mH < 700 GeV

• per mH < 700 GeV, meglio 4ℓ±, poi meglio ℓ+ℓ- (BR più alto);

• fondo dominante : Z/* Z/* 4ℓ± (come a LEP II);

• tagli (ATLAS) pT

1ℓ,2ℓ > 20 GeV; pT

3ℓ,4ℓ > 7 GeV; |1ℓ,2ℓ,3ℓ,4ℓ| < 2.5;

• larghezza sperimentale (rivelatore) ~ comparabile con tot;

• osservabilità facile anche con pochi fb-1.

ATLAS,mH=300 GeV

se potessi scegliere io, deciderei mH = 300 GeV.


H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- - 2 : mH > 600 GeV

• canale ℓ+ℓ-;• fondo dominante : Z/* Z/* 4ℓ± (come a LEP II);

• tagli (ATLAS) pT

1ℓ,2ℓ > 40 GeV; |1ℓ,2ℓ| < 2.5 nessun altro ℓ±; m(ℓ+ℓ-) = mZ ± 6 GeV; pT

ℓℓ > mH – 350 GeV; ET

M > 150 GeV; 1 jet a || > 2.

• osservabilità facile, ma richiede molti fb-1.

ATLAS,100 fb-1


H WW, ZZ ℓ±jj, ℓ+ℓ-jj• fondo dominante :

W+jet, t tbar ℓ±, WW ℓ±;• tagli (ATLAS, ℓ±jj)

pTℓ > 100 GeV;

ETM > 100 GeV;

pT1j, 2j > 50 GeV;

pTW ℓℓ, Wjj > 350 GeV;

m(jj) = mW ± 2 (1=57 GeV);

• per ℓ+ℓ-jj : ×BR 1/6; tagli simile (ET

M pT2ℓ);

vincolo m() = mZ no fondo t t.

ATLAS,30 fb=1,

mH=600 GeV


misura di mH

• 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


misura di H

• stessi commenti di mH;

• per mH < 200 GeV, H troppo piccola per essere misurata (< 1 GeV);

• misurare anche prod, BR(H X), spin-parità, …

ATLAS,300 fb-1


significanza statistica per ricerca di higgsS

igni

fican

za s

tatis

tica

(s/

b)

H, WH, ttH (H)ttH (Hbb)HZZ(*) 4ℓ±

HWW(*) ℓ+ℓ-HZZ ℓ+ℓ-HWW ℓ±jjtotale

100 10001

10

100

5

mH [GeV]

ATLAS

Ldt = 100 fb-1

in realtà, nel MS, 30 fb-1

sono sufficienti per 5 …


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 …


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


Fine - Higgs a LHC

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