PARTE II• Fenomenologia del bosone di Higgs e ricerche sperimentali

– Considerazioni teoriche– Correzioni radiative e constraints da fit elettrodeboli– Decadimenti– Meccanismi di produzione in collisioni elettrone-positrone– Meccanismi di produzione ai colliders adronici– Limiti dalla ricerca diretta a LEP II– Ricerche del bosone di Higgs al Tevatron

• Apparati sperimentali: CDF e D0• Sezioni d’urto, stati finali accessibili• Tecniche sperimentali• Qualche esempio in dettaglio

– Prospettive della ricerca a LHC• Produzione a LHC e stati finali promettenti• Tecniche di ricerca e prospettive

Fenomenologia del bosone H – cenni introduttivi

• Il bosone di Higgs è finora stato cercato a LEP II, ma il risultato negativo ha permesso solo di mettere un limite inferiore alla sua massa.

• La ricerca del bosone di Higgs è oggi in corso al Tevatron, ove continuerà fino al 2010 e forse oltre.

• Se non verrà scoperto al Tevatron, a LHC H potrà essere identificato con meno di un anno di dati se la sua massa è superiore a circa 130 GeV.

• In caso contrario, sarà più difficile estrarlo, ma sicuramente un paio di anni di presa dati lo metteranno in evidenza in canali di decadimento rari (h) o difficili per i backgrounds irriducibili (h, tthttbb) che caratterizzano questa regione di massa.

• La teoria elettrodebole non prevede il valore di lambda e quindi MH=v(2)½ è indeterminato. Questo tiene aperti scenari molti diversi fra loro, come vedremo, e complica notevolmente il panorama sperimentale.

• Prima di discutere le ricerche dirette di H passate (LEP II), in corso (TeVatron) e future (LHC), menzioniamo senza entrare in dettaglio alcuni limiti teorici al range di massa permesso al bosone di Higgs nella teoria elettrodebole.

– In primo luogo bisogna notare che se M> 1.8 TeV il suo contributo non impedisce la violazione di unitarietà nello scattering di bosoni W al tree level. Questo non è un vero constraint alla teoria ma piuttosto una preferenza: poter calcolare perturbativamente anche ad alta energia le interazioni deboli, che rimangono deboli.

– La costante nel potenziale di Higgs riceve correzioni ed è anch’essa “running” con la scala di rinormalizzazione della teoria. Si trova che esiste un limite inferiore alla massa di H che garantisce al potenziale di avere un minimo assoluto. Valori più piccoli di lambda, e quindi Mh, rendono instabile il vuoto. Più alto è il valore di energia fino al quale si impone la validità della teoria, e più questo limite è stringente.

– C’è anche un limite superiore derivante dalla richiesta che l’accoppiamento quartico dell’Higgs rimanga perturbativamente calcolabile. Anche questo limite dipende dalla scala di energia al quale entra in gioco “nuova fisica”.

• Tuttavia i limiti alla massa del bosone di Higgs “credibili” per un fisico sperimentale sonoquelli che provengono, a parte le ricerche dirette, dallo studio delle correzioni radiative ai parametri della teoria elettrodebole. Essi permettono di legare la massa incognita di H alle altre osservabili.

Correzioni radiative e MH

Al livello ad albero nello SM si hanno le relazioni

dove il parametro dipende dalla struttura di Higgs della teoria, e vale 1 nel modello minimale (con doppietti di scalari).Le relazioni scritte sopra sono modificate da correzioni quantistiche come queste:

Si può decidere di usare la relazione che definisce =1 per definire un valore rinormalizzato dell’angolo di Weinberg. In tal caso,

treeWZ

W

treeWW

F

m

m

mG

22

2

0

22

cos

cos2

Le correzioni dovute all’autoenergia dei propagatori ricevono contributi dalla massa del top quark al quadrato, e dal logaritmo della massa del bosone di Higgs.

Una misura di tutti gli osservabili elettrodeboli a LEP e SLD (larghezze parziali, asimmetrie) combinata con misure di precisione della massa del bosone W e del quark top permette di ottenere dei vincoli alla massa incognita dell’Higgs.

I più recenti risultati indicano un ottimo accordo fra previsioni del MS e tutti i parametri misurati. Tuttavia i fit preferiscono valori di Mh esclusi dalle ricerche dirette di LEP II

Wffeff

ffA

fefff

ffV

fsef

fsef

k

Tg

QTg

kkk

f

f

22

3

23

sinsin

)sin2(

1

1

Risultati dei fit globali • I fit globali elettrodeboli hanno

raggiunto una eccellente precisione con l’aggiunta dei due parametri critici Mt, Mw.

• La massa del bosone di Higgs risulta M(h)=84+34

-26 GeV (68%CL, 2=1). – Includendo i risultati

dell’esperimento NuTeV il valore cresce di una decina di GeV

• Il limite superiore al 95%CL è ora a 154 GeV, però se si include il risultato della ricerca diretta a LEP II, M(h)>114.4GeV sale a 185 GeV.

• Vi è tensione fra i parametri del MS. Per ora però non si può parlare di inconsistenza, in quanto il fit globalmente ha un buon chiquadro.

Gli input critici al fit

Le masse del top e del W sono due dei parametri che pesano maggiormente nei fit globaliL’accordo è buono ma se si rinunciasse a alcuni inputsi troverebbero valori in conflitto con le osservazioniE.G. se si rimuove Afb(b) il fit dà una massa dell’Higgs troppo bassa!

Due parole sul problema delle gerarchie, fine tuning, vacuum stability, eccetera

Ci sono diversi argomenti teorici che propongono sillogismi per limitare il range di massa possibile per H e allo stesso tempo per ipotizzare nuova fisica che renda consistente il Modello Standard– Il problema delle gerarchie: nel modello standard non è possibile

spiegare la presenza di due scale energetiche fondamentali diverse di 20 ordini di grandezza

• Una possibilità è che vi sia nuova fisica che entra in gioco a una scala energetica molto minore di M(Planck)

• La supersimmetria è un tentativo in questo senso– Fine tuning: le correzioni perturbative richiedono la mutua

cancellazione di effetti che hanno enorme impatto presi singolarmente.

• Esempio di MLM: Se vi danno 10 numeri reali a caso fra -1 e 1 e vi chiedono di calcolarne la somma, e trovate 10^-32, pensate che sia un caso o che vi abbiano fatto uno scherzo ?

Modi di decadimento di H

Il bosone di Higgs può esibire una ampia varietà di modi di decadimento. Il parametro fondamentale è la sua massa– Gli accoppiamenti di H ai fermioni dipendono dalla massa di questi,

calcolata alla scala di energia rilevante per il decadimento il BR dipende dalle masse al quadrato dei corpi nello stato finale

• Es: Hbb / Hcc dipende dal quadrato del rapporto fra Mb(Mh) e Mc(Mh)

– Il decadimento Hgg dipende da loops di quark pesanti – è in effetti un contatore del numero di generazioni di fermioni che circolano nel loop:

– B(Hgg) è proporzionale a Nf(Mf>2Mh)

– Il decadimento in bosoni vettori diviene dominante a partire da valori di massa vicini alla soglia di produzione di coppie HWW, HZZ.

• Una eccezione è la regione ove avviene l’apertura della soglia di decadimento in coppie di quark top, a 350 GeV

– Decadimenti rari come H possono essere fondamentali nella ricerca dell’Higgs, come vedremo.

In questo grafico si possono osservare gli andamenti del BR per diversi stati finali in funzione della massa incognita MH

Features essenziali:– Per M<135 GeV domina

Hbb– Al di sopra di tale valore

domina HWW

Altre cose importanti da notare:

– Htau tau non irrilevante– Hgamma gamma piccolo

ma importante per LHC (si vedrà oltre)

– Sopra soglia, (WW)/(ZZ)=3 come già discusso

– B(HZZ) circa ¼ sopra soglia

Calcolo del rapporto (WW)/(ZZ)Si prende la parte della lagrangiana che descrive l’interazione dei campi di gauge con il campo di Higgs, calcolato vicino al vuoto scelto nella gauge unitaria:

2

)(

0

2

1)

2

'

2(

xHv

Bg

Wg

ZHZggvZZHggZZggv

WHWvgWWHgWWgv

BggWHvWWgHv

xHvBggWiWWg

iWWgBggW

)'(4

1)'(

8

1)'(

8

12

1

4

1

4

1

)'()(8

1])()[()(

8

1

)(

0

')(

)('

8

1

22222222

22222

232222122

2

321

213

Mass terms

3-particle vertices

Si trova quindi che:

e in definitiva, a parte fattori di spazio delle fasi (trascurabili se Mh>>2MZ), si trova:

B(hWW)/B(hZZ)=4MW2/MZ

2~3

Decadimenti rari ma importanti!

B(Hgg)/B(H)determinato dal

rapporto fras(Mh)/(Mh) e dalle costanti di struttura

di SU(3) e U(1)

x3

Meccanismi di produzione: LEP 2A LEP 2 la produzione avviene soprattutto per fusione di bosoni e Higgsstrahlung.

La sezione d’urto di produzione è piccola, per cui serve alta luminosità integrata per evidenziare un segnale. La dipendenza dall’energia è critica alla soglia del processo di Higgs-strahlung

I backgrounds al canale principale, ZH, vengono da ZZ, Z-gamma, WW

L’acceleratore LEP

L’acceleratore LEP,smantellato el 2002, era un sincrotrone per elettroni e positroni, il più grande al mondo– La circonferenza di 27km è 4

volte maggiore di quella del Tevatron

– L’energia raggiunta dalle collisioni è tuttavia 10 volte inferiore, perché è più difficile accelerare elettroni in un’orbita circolare

La radiazione di sincrotrone dipende dalla quarta potenza del rapporto fra energia e massa della particella caricaDipende anche dall’inverso del raggio di curvatura al quadratoLa potenza spesa per far circolare gli elettroni in LEP è enorme energia massima 208 GeV

Ricerche a LEP II• I canali di ricerca del processo eeZH sono condizionati dal fatto che nel range di

massa accessibile il decadimento in coppie di b-quarks è dominante (85%):– 4 JETS: Zqq, Hbb– 2 JETS+missing E: Z, Hbb– 2 leptoni + 2 JETS: Zll, Hbb

• Il decadimento in b-quarks rappresenta una segnatura ideale in quanto i jets da b-quark sono i soli ad essere identificabili con chiarezza, ed essi non sono prodotti nel decadimento del W

• Ciascuno dei canali ha una sensibilità che dipende non solo dalla frequenza degli eventi ma, ovviamente, dai diversi backgrounds fisici e strumentali che contribuiscono ai campioni di dati

• L’efficienza di tagging di b-jets con reti neurali è molto elevata grazie alla pulizia degli eventi

• Si riesce a ridurre il fondo di WW a meno del percento con efficienza del 60% sul segnale

• Si ricostruisce al meglio la massa del candidato Hbb e si combina l’informazione dell’evento in una likelihood per dare un peso all’ipotesi di massa del candidato

• Nel canale a 4 jets la difficoltà maggiore è la scelta della combinazione di jets da assegnare al decadimento dell’Higgs

• Si utilizzano tutte le informazioni cinematiche per determinare la scelta più verosimile

Esempio di un evento a 4 jets raccolto da Aleph, e ricostruzione dello stato finale. Aleph preferisce l’ipotesi HZ alla ZZ per questo evento

Nel canale leptonico i fondi sono minori e gli eventi più facili da ricostruire.

Questo evento di L3 è un ottimo candidato HZbbll

La massa ricostruita nell’ipotesi ZH può essere istogrammata, dando un’idea di come i dati sono in accordo con segnale o segnale+background

E’ più efficace però assegnare ad ogni singolo evento un “peso” che descrive quanto più verosimile è l’ipotesi di segnale rispetto a quella di fondo.

Confronto fra ipotesi• Per confrontare l’ipotesi di

avere, fra gli eventi selezionati, alcuni eventi di segnale o avere solo produzione SM senza Higgs, gli esperimenti di LEP usano un metodo statistico noto come CLs.

• CLs è definito come il rapporto fra verosimiglianza dell’ipotesi B+S e dell’ipotesi B da solo: CLs=CLb+s/CLb

• Il rapporto è esprimibile come un numero che equivale approssimativamente alla variazione del chiquadro del fit se si include il segnale

Risultato dei 4 esperimenti separati

• Per masse dell’Higgs vicine a 115 GeV c’è in apparenza una leggera propensione dei dati a favorire l’ipotesi S+B.

• Tuttavia essa viene sostanzialmente da un solo esperimento

• In ogni caso, si tratta di un effetto di origine probabilmente statistica (meno di 2-sigma di significanza)

• Servono 5-sigma per scoprire una particella!

Limiti combinati di LEP II• Il grafico illustra in altro modo la tecnica statistica con cui vengono combinati i risultati dei 4

esperimenti di LEP II per ottenere un limite alla massa del bosone di Higgs, data la previsione teorica della sua sezione d’urto e il numero di eventi osservati, l’energia del fascio quando sono stati prodotti, e la loro massa ricostruita, e la probabilità di ognisingolo evento nell’ipotesi “ZH”.

• Il CLs=CLb+s/CLb dà in un certo senso la probabilità del segnale, data l’osservazione sperimentale. Un valore piccolo implica che l’osservazione è improbabile in caso il segnale vi abbia contribuito.

• Il limite, MH>114.4GeV (95%CL) è molto “stringente”, nel senso che la probabilità di aver mancato l’osservazione a MH=110 GeV è ridicolmente piccola.

• Notare anche che il limite “atteso” era maggiore, seppur di poco. Questo corrisponde al piccolo eccesso di eventi osservati, (1.7 deviazioni standard).

Il Tevatron e LHC

• La messa in funzione di LHC renderà presto obsoleti gli esperimenti al Tevatron, grazie all’energia e luminosità superiori

• Nonostante ciò, la fisica prodotta al Tevatron ha definito un nuovo standard per qualità e precisione

2 km

Produzione di Higgs in colliders adronici: cenni preliminari

In collisioni adroniche (pp, p-antip) il sottoprocesso duro tra due partoni è governato dalle funzioni di struttura, che determinano la probabilità di ottenere una data energia nel c.m. della collisione:

La probabilità di ottenere i giusti partoni p1, p2 nello stato iniziale, con energia sufficiente a produrre lo stato fisico richiesto, dipende dalle PDF fp1(x1), fp2(x2).Inoltre, il c.m. della collisione a differenza delle collisioni e+e- è generalmente in moto nel detector. La parte trasversale è quasi nulla, ma quella longitudinale può essere molto grande. Ciò influenza in modo non banale l’accettanza del detector a rivelare I corpi nello stato finale, la cinematica del processo, e la sua segnatura sperimentale.

Una precisa conoscenza delle ‘parton distribution functions’ (PDF), determinabili con precisione nei processi di DIS a più bassa energia e fatte evolvere alla scala di (x,q2) di interesse attraverso le equazioni di Altarelli-Parisi (DGLAP) è di fondamentale importanza per avere predizioni attendibili.

2121 2ˆ xxEsxxs beam

Fasci di protoni E=√s

fa/A(xa,Q2)

fb/B(xb,Q2)

“Underlying Event”

a

b

A

B

Sottoprocesso partonico di Hard scattering

σ(abX)|s=xaxbs^ ^

Interazioni anelastiche

La sezione d’urto di un processo a un collider adronico è la convoluzione della sezione d’urto puntuale del processo con l’integrale della probabilità di avere lo stato iniziale necessario a produrre il processo, con la relativa energia

Terminologia ai colliders adronici

• ““Hard scattering”Hard scattering”– è l’interazione che ci interessa– QCD perturbativa

• ISR– Radiazione di stato iniziale emessa dai partoni che hanno preso parte allo scattering

• FSR– Radiazione emessa dallo stato finale prodotto nell’hard scattering

• ““Underlying Event” [UE]Underlying Event” [UE]– tutta l’attività rimanente dall’interazione adronica oltre all’evento

di interesse• condivide il vertice primario con l’interazione “interessante”

• Minimum Bias (online Pile-Up)Minimum Bias (online Pile-Up)• interazioni pp nello stesso bunch crossing dovute all’elevata luminositàelevata luminosità

del collider (Tevatron: fino a 3x1033 cm-2s-1, LHC: >2x1033 cm-2s-1) e al rate di rate di interazioneinterazione (Tevatron: 2.5MHz, LHC: 40 MHz)

• vertici di interazione diversi (rivelatori traccianti fondamentali)• (offline) Pile-Up(offline) Pile-Up

• effetto strumentale dovuto all’alto rate di interazionirate di interazioni

Proton AntiProton

“Hard” Scattering

PT(hard)

Outgoing Parton

Outgoing Parton

Underlying Event Underlying Event

Initial-State Radiation

Final-State Radiation

Quantità rilevanti a un collider adronico

Vi sono una serie di complicazioni nel passare da collisioni e+e- a collisioni protone-antiprotone– il CM non è stazionario

• serve un rivelatore che permetta di ricostruire gli eventi indipendentemente dal boost di Lorentz

• Le quantità importanti per determinare la “durezza” di una interazione sono le componenti trasverse al fascio dei quadrimomenti dei corpi emessi

– ET: “accelerazione” rispetto al moto lungo il fascio segnale di interazione energetica, forte quadrimomento trasferito

– Pseudorapidità: una quantità legata all’angolo di emissione, che possiede dellle caratteristiche vantaggiose

– Azimuth: angolo di emissione nel piano trasverso al fascio

– L’energia totale della collisione è incognita• L’ermeticità è un fattore critico, ma non può essere perfetta• Il momento longitudinale di neutrini non è ricostruibile

– Lo stato iniziale di quarks e gluoni è intrinsecamente più complicato• Problemi nella ricostruzione degli stati finali• La radiazione di QCD dallo stato iniziale “sporca” la misura dell’energia dei jets

– La grande energia delle collisioni produce alti livelli di radiazione nel detector• Problemi di occupanza• Problemi di trigger!

– Ogni sezione d’urto a livello partonico dipende dalle PDF

• ΔσH,SUSY(CTEQ)~5% a CDF

– Le incertezze teoricheincertezze teoriche maggiori sono date dalla conoscenza delle PDFPDF

– a basso-x interazioni del mare partonico dominanti a LHC

• per Q2=MW2 mare

partonicodominato dai gluoni

• la PDF dei gluoni è la meno nota per ogni x

LHC

LHC

trigger ATLAS & CMStrigger ATLAS & CMS

Range cinematico al Tevatron e LHC

Produzione di H al TevatronProduzione di H al Tevatron

mH (GeV/ c2)

Exclud

ed

mH (GeV/ c2)

Exclud

ed

Al Tevatron, circa 10 Higgs di 120 GeV sono prodotti in un giorno di run (5 a CDF e 5 a D0)

La produzione diretta è importante solo quando c’è il decadimento in WWLa produzione associata fornisce sensibilità nella regione dove LHC avrà più problemi a identificare l’Higgs (lo vedremo più avanti)

e

W*H

W

q

qb

b

l

Ricerca dell’Higgs al Tevatron• CDF e D0: breve descrizione degli apparati sperimentali• Ricerche di Higgs leggero: gli strumenti

– Triggering– B-tagging– Ricostruzione della massa invariante di coppie di jets– Identificazione di leptoni– Backgrounds

• Stato dell’arte della ricerca nei vari canali a CDF e D0• WHlbb• ZHllbb• ZHbb• Altre ricerche

• Ricerche di Higgs per Mh>135 GeV– HWW – HZZ

• Limiti combinati alla produzione di Higgs • Prospettive del Run II al Tevatron

Fermilab

Il Tevatron colliderIl Tevatron è un anello superconduttore per collisioni protone-antiprotone. Fornisce interazioni a 1.96 TeV con un bunch crossing di 392 ns

Uno store comincia con l’accumulazione di

un gran numero di antiprotoni, prodotti dalla

collisione di protoni con un bersaglio fisso tramite

la reazione ppppp antip a 120 GeV

Esercizio per casa: qual è l’energia minima del fascio incidente per produrre antiprotoni con questa reazione ?

Successivamente protoni e antiprotoni vengono Iniettati nell’anello principale in bunches, e hanno luogo collisioni in D0 e CDF

La luminosità cala rapidamente all’inizio, e poi più lentamente. Uno store dura in media 20 ore.

Il record finora è L = 2.92 E32 cm-2 s-1

Il rivelatore CDF CDF è un rivelatore magnetico (B=1.4T), costruito

per essere sensibile a “tutto”:– L00+SVX+ISL: 7 silicon layers – COT, central tracker to ||<1.1– EM calorimeters for electrons (||<2) and photons;

HAD calorimeters– An extended system of muon chambers covering ||

<1.5La struttura originale è stata progettata 27 anni fa per scoprire il quark top, ma oltre al top ha permesso di scoprire e misurare moltissime altre cose

Il sistema di Trigger di CDF• A fronte di un rate di interazioni di 2.5MHz, si è

limitati a 100Hz di eventi scrivibili su nastro– La maggior parte delle interazioni non è interessante

(soft QCD)– Un trigger “perfetto” che selezionasse solo gli eventi

che ci interessano a 100 Hz permetterebbe di raccogliere una sezione d’urto totale =N/L con L=3E32/cm2s, N=100/s =1 b

– Confronto con processi fisici “interessanti”:• W production: 20 nb• Z production: 6 nb• Top pair production: 7 pb• Jets, Et>100 GeV: 1-10 nb• J/psi, B meson production: 10-100 nb

• Il trigger è organizzato in 3 livelli– L1: hardware, sincrono

• processing in parallelo• Pipeline 42 clock cycles deep• decisione in 5s• Accept rate max 35 kHz

– L2: hardware e software, asincrono• In media decisione in 30 s• Accept rate max 600 Hz

– L3: software• Farm di PC• Algoritmi offline ottimizzati• Accept rate max 100 Hz

Il rivelatore D0D0 è il fratello minore di CDFAnch’esso è completo e ridondante, e dotato di

• un rivelatore al silicio ermetico e ridondante • un tracciatore a fibre scintillanti• un campo B assiale di 2.0 Tesla • calorimetria U/liquid Ar• eccellente copertura delle camere a mu

Il tracciatore permette di operare b-jet tagging ad alta efficienza fino a||<2.0

I colliders adronici• In collisioni di altissima energia protone-protone (LHC, 10-14 TeV) o

protone-antiprotone (Tevatron, 2 TeV), i colliders adronici producono sostanzialmente urti inelastici fra quarks o gluoni

• Il protone, se sondato a grande energia, è infatti “risolto” nei suoi costituenti fondamentali

• Quarks e gluoni nel protone ad ogni dato istante si dividono l’energia totale con una probabilità governata dalle funzioni di struttura (PDF, parton distribution functions)

Le PDF decidonoquanta parte dei 14 TeV disponibili aiprotoni è usataper la “collisione dura”

Impulso trasversoOgni collisione tra adroni tipicamente consiste nell’urto frontale fra un costituente di ciascun proiettile.

Il quark (o gluone) che ha generato la collisione risente di una grande accelerazione in direzione ortogonale a quella dei fasci.

E’ pertanto la componente trasversa ai fasci del moto del partone emesso la quantità che meglio caratterizza la violenza della collisione.

Il protone, privato di una carica di colore, si disgrega in un fiotto di adroni, senza ricevere grande modifica al suo impulso iniziale.

Frammentazione• La QCD, che governa l’interazione forte responsabile della stabilità degli

adroni, ha un potenziale che cresce linearmente con la distanza• Due quarks colorati che si allontanano dagli adroni che li contenevano con alta

energia estendono due stringhe di colore• Il potenziale cresce finché non diventa energeticamente favorevole la

creazione dal vuoto di una coppia quark-antiquark la stringa si rompe• Il processo continua fino alla creazione di un fiotto di adroni leggeri, “on mass

shell”, e “colorless”

Il prodotto finale: jets adronici • La fase di frammentazione, ove agisce l’interazione forte

fra quarks e gluoni, si esaurisce in tempi brevissimi

• Gli adroni prodotti conservano approssimativamente la direzione iniziale di moto del partone, e collettivamente l’impulso del partone originario

• Decadimenti elettromagnetici e deboli creano infine un fiotto di particelle “stabili”, che sono quelle che abbiamo la possibilità di identificare nell’apparato: sostanzialmente p,n,, ,K, K, K

L, ,e,

Come si misurano i jets ?• I calorimetri sono sensibili sia a particelle cariche che neutre, • Nei calorimetri e.m. si misura il numero totale di secondari prodotti in una cascata

elettromagnetica E è proporzionale a N• Nei calorimetri adronici i processi sono più complessi ma il concetto è lo stesso

• La corretta misura dell’energia dei jet permette di ricostruire il decadimento di particelle massive

• La misura dell’energia è anche fondamentale per ricostruire bene l’energia mancante

Gli altri segnali prodotti• A parte i jets adronici, che sono di gran lunga il prodotto più

frequente delle collisioni adroniche, si distinguono per la loro importanza i segnali di

– elettroni e muoni isolati di alto impulso– fotoni energetici– energia trasversa mancante

I jets adronici possono poi contenere indicazioni utili a classificarli come il prodotto di

• b-quarks• leptoni tau

Ciascuno di questi segnali ha un’importanza particolare per il tipo di processi fisici che si vogliono isolare

Elettroni e muoni• I leptoni non risentono dell’interazione forte: a un collider

adronico essi sono l’esclusivo risultato di processi elettrodeboli

– We, – Zee, ee, (Drell-Yan)– decadimento debole

di quarks pesanti (t,b,c)

• Sono processi rari, e di grande importanza per lo studio della fisica elettrodebole e per la ricerca di nuova fisica!

– ricerca di quark massivi (e.g. tWb)– decadimento di bosoni di Higgs (HWW, ZZ)– Nuovi bosoni (Z’ee)– Supersimmetria! ( lo vedremo più avanti)

• L’identificazione di elettroni e muoni di alto impulso è garantita dalla combinazione di diversi dispositivi: tracker, calorimetro, camere a muoni

Fotoni

• Anche i fotoni di alta energia sono molto rari e segnalano la produzione di fenomeni di alto interesse

• Un esempio su tutti, il decadimento H, che potrebbe dimostrarsi fondamentale per scoprire il bosone di Higgs se è leggero

• La segnatura sperimentale si basa sull’assenza di una traccia carica in corrispondenza di una cascata elettromagnetica nel calorimetro

Energia trasversa mancante• L’energia trasversa mancante è un segnale importante per la fisica

elettrodebole e la ricerca di nuova fisica• I prodotti di una collisione devono avere un impulso totale nullo nel piano

trasverso ai fasci

• Calcolandone la somma vettoriale, si trovaMEt = [(Ex)2 + (Ey)2]0.5

e si misura anche l’angolo nel piano trasverso: = atan2(-y, , -x)

Un valore di MEt significativamente diverso da zero indica la produzione di uno o più particelle non interagenti che hanno “sottratto” l’impulso trasverso in eccesso

La sua importanza è cruciale per le ricerche di materia oscura: particelle neutre non interagenti

Jetclu e MidpointSia CDF che D0 utilizzano un algoritmo a cono per identificare i jets adroniciTuttavia vi sono diverse scelte possibili, che hanno un impatto sulla possibilità di confrontarsi con la QCD perturbativa, sulla risoluzione energetica che si ottiene,e sull’accuratezza con cui si identifica lo stato finale

Si vedono le risonanze in jets ?Si vedono le risonanze in jets ? La ricerca di Higgs a massa M<135 GeV richiede di - ricostruire con precisione decadimenti in jet adronici - comprendere con accuratezza lo spettro di massa invariante di eventi di background, per identificare segnali a rapporto S/N piccolo

Tutto ciò è dimostrabile usando un segnale noto: Zbb

• CDF è riuscito a mettere in evidenza il segnale Zbb

– il segnale è usato per estrarre una calibrazione al 2% nell’energia dei jets

b-jet taggingL’identificazione di b-jets è ancora più importante al Tevatron che a LEP per ricercare l’Higgs a bassa massa invariante Tre metodi sono usati con successo:

– Soft lepton tagging– Secondary vertex tagging– Jet Probability tagging

Quando si richiedono 2 tags, i fattori di efficienza vengono elevati al quadrato sia CDF che D0 hanno sviluppato versioni strette e lasche per la selezione di b-jets L’efficienza degli algoritmi cala a bassa energia trasversa e alta rapidità ma è 45-50% per jets centrali da decadimento di Higgs Le probabilità di mistag (falsi positivi) sono tipicamente dello 0.5-1%

I.P.B

SV tagging: tracce conparametro d’impatto significativo sono usate in una procedura iterativada un fit per ricostruire il vertice secondario nel jet

D0

CDF

Tight/loose

Secondary vertex tagging

Questo event display mostra come le tracce cariche sono usate per ricostruire un vertice secondario nei jets di un evento di produzione di coppie top-antitop Le lunghezze di decadimento per b-jets di 50 GeV sono tipicamente dell’ordine di alcuni millimetri, e possono essere ricostruite facilmente con tracce identificate nei rivelatori al silicio (risoluzione sulla posizione della traccia: 10-20 m)

Identificazione di leptoni di alto PtLa maggior parte degli stati finali ad alto Pt studiati al Tevatron includono leptoni

- Facili da triggerare- Alta purezza del segnale- Facili da calibrare usando le

“candele standard (bosoni W,Z).

I leptoni di alto Pt in CDF e D0 provengono quasi esclusivamente da decadimenti dei W e Z

Anche i leptoni tau sono usati, soprattutto per ricerche di nuova fisica (generation-dependent). Il problema con i tau è che decadono spesso in adroni difficile da separare da jets adronici

D0

CDF

Ricerche di Higgs leggeroCDF e D0 ricercano il bosone di Higgs a massa M<135 GeV soprattutto nel decadimento dominante, Hbb

La produzione diretta non è indagabile per via dell’enorme background di QCD:• A 105 GeV (ppH)=1 pb, B(Hbb)=0.8;• A 130 GeV (ppH)=0.6 pb, B(Hbb)=0.5; (ppZ)=6nb, B(Zbb)=0.15. Quanti Higgs prodotti in 1/fb ?

- a 105 GeV ?- a 130 GeV ?

Difficoltà di raccolta:- trigger- selezione eventi con 2 b-jets

- tagli cinematici

determiniamo la significatività del segnale in 10/fb a 105 e 130 GeV usando come riferimento la frequenza di eventi osservata nel grafico a lato

Jet Et Resolution

L’altro fondamentale ingrediente per aumentare la sensibilità di CDF a un Higgs leggero: migliorare la risoluzione energetica dei b-jets.

La misura dell’energia dei jets adronici dipende dalla rivelazione della ionizzazione che le particelle causano nei calorimetri

La risoluzione è tipicamente dell’ordine del 10-15% per jets di Et compresa fra 50 e 200 GeV

Si può migliorare la risoluzione, e aumentare quindi il rapporto S/N in uno spettro di massa invariante, con algoritmi che cercano di utilizzare oltre alla lettura calorimetrica anche tutte le altre informazioni del detector

Una r isoluzione del 10% sulla massa di coppie di b-jets è stata dimostrata nel 2003 (HSWG), e replicata con simili strumenti nel 2006.

Previsioni pre-Run IIPrima di discutere i risultati fin qui ottenuti dalle ricerche del bosone di Higgs SM, diamo un’occhiata a quanto si era previsto nel 1999 e 2003.– Varie assunzioni:

• risoluzione10% su massa dijet • B-tagging ad alta rapidità • Copertura angolare massima per

leptoni• Combinazione dei risultati di CDF

e D0• Zero sistematiche (nel 2003)• Significato delle curve: “nel 50%

dei casi, il Tevatron esclude al 95% il range di massa [x,y] con L raccolta per esperimento pari a…”; “ottiene evidenza a 3-sigma…”; “osserva con significanza di 5-sigma…”

–

7/fb

115

Ricerca di WHlbb

• La produzione associata ppWH, con successivo decadimento We o W e dell’Higgs in due b-jets, è la segnatura più propizia al TeVatron.– I leptoni di alto impulso permettono un efficiente trigger– La richiesta di missing ET riduce il background da processi di

QCD– Rimane necessario richiedere che i jets provengano da b-quark

• Doppio b-tagging: riduce molto i backgrounds (tranne Wbb) ma l’efficienza sul segnale ne risente

• Singolo b-tagging: maggiore efficienza, minor reiezione di backgrounds. L’uso di un addizionale loose b-tag migliora la sensibilità di questo canale.

– Per aumentare il rapporto S/N si usano sofisticati metodi di discriminazione basati sulla cinematica del segnale e quella osservata

CDF: WHlbb, signal acceptance

• La richiesta di base è semplice, e riflette la topologia dello stato finale cercato

• Quando solo uno dei due jets ha un vertice secondario, si ricerca un tag di Jet Probability– Meno reiezione dei fondi,

ma l’efficienza aumenta dell’80%

Backgrounds• Si prendono in

considerazione tutti i processi noti che possono contribuire al campione selezionato– Backgrounds “fisici”: da

Monte Carlo– Backgrounds strumentali: si

stimano con campioni di controllo

• I backgrounds dominanti sono Wbb (blu) e top production (giallo)

La neural network• Riceve in input la cinematica del processo, inclusa la massa invariante dei

due b-jets, e produce in output un singolo numero, NNO – NNO~0: background-like– NNO~1: signal-like

• La rete è istruita a riconoscere il segnale rispetto alla mistura attesa di backgrounds, e ottimizzata per dare il miglior possibile risultato in termini di significatività dell’eventuale segnale estraibile ad alto valore di NNO

Risultati del canale WH• Un fit permette di estrarre la probabilità della distribuzione di NNO

osservata in funzione della normalizzazione della componente di segnale. Si ottiene così un limite al 95% CL. La procedura è ripetuta per diversi valori di massa (e diverse ottimizzazioni della selezione e della rete neurale).

• I risultati sono descrivibili dalle curve qui sotto

Ricerca di ZHllbb

In questo canale è già in uso un metodo di correzione della massa con reti neurali, che riduce (M)/M dal 16% al 10%:il segnale passa dalla forma in giallo a quella in rosso

L’uso di una seconda rete neurale bidimensionale discrimina il segnale dai backgrounds (Z+jets e top pair production), e incrementa di un fattore 2.5 la sensibilità rispetto a una semplice analisi dello spettro di massa invariante.– 2 loose b-tags oppure 1 tight b-tag– 1 loose e 1 tight lepton (ee, )

La rete neurale ha due outputs in questo caso: discriminano il segnale dai due backgrounds dominantiLa piccolezza del segnale atteso rende difficile questo canale (il BR Zll è del 7%!)Senza ulteriori miglioramenti, con 8/fb SMx5 @120 GeVSi stanno studiando metodi per ridurre le sistematiche e per aumentare l’accettanza

Ricerca di ZHbb

Lo stato finale con due neutrini e due b-jets riceve una parte di accettanza dal canale WHlbb ove il leptone carico non viene identificato L’analisi corrente di CDF (1.7/fb) usa la seguente selezione di partenza:

MEt>50, Et1>35, Et2>25, Nj=2, tight b-tags La sensibilità al segnale viene poi ottimizzata con tagli più

duri su Et1>60 GeV, MEt>70 GeV, MEt/Ht>0.45, (j,MET)>0.8.L’accordo con le simulazioni viene studiato in due regioni di controllo: una ricca di QCD (veto su leptoni, <0.4 fra missing ET e secondo jet), e una ricca di processi elettrodeboli (>=1 leptone, >0.4)..

Grazie al discreto BR di Z in neutrini, questo canale è promettente ma risulta critica la raccolta degli eventi a livello di trigger

Da questi numeri si ricava un limite a SMx20 al 95%cl., meno stringente di quanto atteso (ci sono più candidati della somma dei backgrounds!)

Con un trigger migliore e una selezione basata su neural networks si può migliorare sensibilmente i risultati finora ottenuti

Ricerche ad alta M: HWW(*)La produzione di coppie WW da processi SM è ormai studiata in dettaglio al Tevatron. Costituisce il background dominante alla ricerca di Higgs a massa superiore a 135 GeV

Eventi con due leptoni di alto impulso trasverso (e,) e alta missing Et sono selezionati (rimuovendo candidati Zee, ) Gli esperimenti usano la preferenza di decadimento dell’Higgs in leptoni carichi emessi nella stessa direzione per discriminare HWW dai backgrounds SM

W+ e+

W- e-

Produzione SM di coppie WW

Questi processi costituiscono il background dominante alla produzione HWW

Sia CDF che D0 hanno raccolto cospicui campioni di eventi WW (= O(100 evts))

Risultato recente: CDF, 825/pb di dati– Sezione d’urto in ottimo accordo con le previsioni teoriche

NLO +CTEQ6 PDF [ =12.4±0.8 pb: J.Campbell, R.Ellis, PRD 60 (1999)113006]:

Osservazione di produzione WZ e evidenza di produzione ZZ

• Il processo ppWZlll è facilmente separabile dai pochi fondi elettrodeboli

– Identificati 16 candidati, fondo atteso 2.7±0.4 eventi– Risulta (WZ) = 5.0+1.8-1.6 pb (NLO: 3.7±0.3 pb)

• Il processo ppZZ è ricercato nei canali con 4 leptoni carichi o con 2 leptoni e energia trasversa mancante

– Fondi dominanti: DY, WW– Si trova (ZZ)=0.75+0.71-0.54 pb

Ricerca di HWW a D0D0 ha recentemente prodotto un limite alla produzione HWW considerando stati finali ee, e in 1.7/fb di dati

Dopo una selezione degli eventi con due leptoni carichi, energia trasversa mancante MET>25 GeV, e angolo tra i leptoni carichi <1.25, la cinematica degli eventi è usata in una rete neurale che discrimina il segnale dai backgrounds SM (WW, WZ, ZZ, top…)

Nei plot a lato, l’energia trasversamancante è mostrata per i datidopo la sola selezione di eventicon due leptoni carichi

L’output della rete neurale è confrontato con i dati sperimentali a monte di alcuni tagli di selezione, per verificare l’accordo con le simulazioni dei vari processi

L’istogramma “vuoto” mostra il comportamento degli eventi HWW atteso dalla simulazione

Una diversa configurazione degli input e un diverso training, ottimizzati, sono operati per valori diversi della massa dell’Higgs cercata per ogni valore di MH si ha una selezione diversa e valori di output differenti

Dal numero di eventi osservati e dalla distribuzione in NNO si ricava un limite alla sezione d’urto, non essendo osservato un segnale per nessun valore di MH

• Il risultato è un limite alla sezione d’urto pari a 2.4 volte quella attesa da SM, a 160 GeV (il valore di massa ove l’analisi è maggiormente sensibile, dato il massimo BR(WW))

• Combinando questo risultato con uno analogo di CDF (che ha raggiunto il limite x1.9SM recentemente) si potrà presto escludere l’esistenza di un bosone di Higgs di massa intorno a 160 GeV

Limiti combinati• Nessuna ricerca di segnale di Higgs

di CDF e D0 è singolarmente sensibile a questa particella: Serve maggiore statistica!

• Un modo per raddoppiare la statistica è quello di combinare i risultati dei due esperimenti, come LEP II

Combinando tutte le diverse ricerche, che sono in larga parte indipendenti, si migliora sensibilmente la significatività del risultatoLe tecniche statistiche per fare questo in modo corretto, tenendo conto delle sistematiche correlate e indipendenti, dei relativi backgrounds, diverse luminosità integrate, diverse sensibilità sono complesseL’esercizio viene rifatto ogni sei mesi: quello mostrato è il limite ottenuto dal Tevatron per l’estate 2008

Prospettive delle ricerche al Tevatron

• Quelli visti sono i risultati di CDF e D0 con statistica di 2-3/fb. Entro la fine del Run II i due esperimenti dovrebbero raggiungere 7/fb ciascuno.

• Il fattore di miglioramento implica una sensibilità doppia nel 2009-2010; tuttavia altri fattori sono anche più importanti– Raffinamento delle tecniche di analisi– Miglioramento della risoluzione energetica dei jets

• Tuttavia, è obiettivamente difficile che il Tevatron osservi il bosone di Higgs– Una piccola speranza rimane se MH=160 GeV– A bassa massa invariante rimane difficile ipotizzare un segnale

significativo• Lo scenario più probabile vede il Tevatron ottenere un’esclusione

del range 145-170 GeV entro il 2009, quando LHC comincerà a ottenere i primi risultati con poca statistica

• Se il bosone di Higgs è leggero (come tutto sembra indicare), potrebbero volerci diversi anni ancora per scoprirlo (LHC ha grande difficoltà per M<130 GeV)

Un lascito importante• Senza nulla togliere a LEP e agli altri

esperimenti passati, gli esperimenti CDF e D0 al Tevatron consegnano a LHC un quadro eccezionalmente preciso del modello standard e in particolare della fisica adronica. Di particolare importanza per questo seminario:– Osservazione del quark top, e misura della sua

massa allo 0.7% calibrazione per ATLAS e CMS!

– Una comprensione eccellente della QCD strumento fondamentale per le simulazioni dei processi di fondo a LHC!

– Misura della massa del bosone W con precisione dello 0.05% assieme a Mt danno un input importante per costringere i modelli di nuova fisica e verificare lo SM

– Limiti a SUSY e ad altri modelli da ricerche dirette

• In più, le ricerche del bosone di Higgs sono ancora in corso…

Meccanismi di produzione a LHC

• Quanto visto per la produzione di Higgs al Tevatron vale in larga misura anche per le collisioni protone-protone a maggiore energia fornite da LHC. Tuttavia vi sono importanti differenze:

– La maggiore energia nel CM condiziona alcuni dei canali di ricerca per l’aumento di alcuni backgrounds non riducibili

• Produzione associata WH,ZH per MH<135 GeV: non sono più vantaggiose per via dell’enorme fondo, sia da W+jets, che da tt

– Alcuni canali rimangono possibili • Htau tau

– Altri canali diventano favorevoli a causa della maggiore statistica ed energia nel CM (maggiore sezione d’urto a un dato q2)

• H-> • ttHttbb

• Per MH>130 GeV il decadimento in coppie di bosoni vettori rimane il modo più chiaro per estrarre evidenza della produzione di Higgs

Sezioni d’urto dei processi fisici a LHC

inel 70 mb

bb 500b

WxBR() 15 nb

tt 850 pb

H 1 pb

Rate (Hz)per L=10 nb-1s-1

possibile rate discrittura suMass Storage (100 Hz)

SelezioneOn-line(triggers!)

Meccanismi di produzione dell’ Higgs a LHC

Meccanismi diproduzionepiù importanti

La “produzione associata”Higgs-top, Higgs-Wpuò essere d’aiuto a bassi valoridi massa (dove la ricercaè più difficile)

“gluon fusion”

“Vector bosonfusion”(da quarkscattering)

(dominante a LEP,Tevatron)

H ZZ(*) 4 leptoni

E’ tra i canali più favorevoli (e più studiati in sede di preparazione degli esperimenti)

• Segnale: due picchi ben definiti Z→μ+μ- per mH>2mZ

– Fondi principali:• riducibili: tt, Zbb

– isolamento del μ

– ricostruzione della Z (mμμ=mZ)

• irriducibile: ZZ– domina il meccanismo di

produzione qq – muoni più “soffici”

-

-

-

H ZZ(*) 4 leptoni

Segnale atteso per una luminosita’ integrata di 10 fb-1

( 1 anno di LHC a L = 1033cm-2s-1=1 nb-1s-1; simulazione dell’ esperimento CMS):

Canale H 4

ZZ, Zbb

Ricerca dello SM Higgs a LHC

103

“facile”

“abbastanza facile”

difficile

100fb-1

mH=130

H

Luminosita’integrata cui corrisponde questo plot

molto difficile

Prospettive di LHC con 30/fb

• Scenario A: il Tevatron raccoglie 7-8/fb, LHC subisce ulteriori ritardi prime indicazioni da CDF e D0 (2-3, 2009-2010) permettono a LHC di cercare in maniera mirata il segnale conferma, scoperta comune (come Adone per la J/

Sembra improbabile…• Scenario B: Entrambi gli

esperimenti “on schedule”il Tevatron esclude M intorno a 160, LHC scopre l’Higgs nel 2010 inoltrato

LHC inizierà a prendere dati in autunno 2009 se le cose vanno come dovrebbero, l’Higgs sarà scoperto da CMS e ATLAS nel 2010 (pochi fb-1 dovrebbero bastare se M>130 GeV) Tuttavia se la massà è inferiore, LHC è in difficoltà. Vi sono due scenari verosimili se l’higgs è leggero: