Contraintes directes et indirectes sur le boson de

Contraintes directes et indirectes sur le boson de Higgs Introduction l la recherche directe du Higgs La recherche indirecte du Higgs l Rappels méthodologiques l Les observables électrofaibles Interprétation l le Modèle Standard l la Supersymétrie l Les modèles alternatifs Perspectives l Te. Vatron + LHC + ILC etc… Conclusion A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

La recherche directe du Higgs A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Le boson de Higgs Standard : contraintes expérimentales Recherches directes à LEP l Luminosité : L = 2461 pb-1 l l Energie √s = 189 – 209 Ge. V/c 2 Canaux de recherche : e+e- HZ HZ bbll - - etc… HZ bbqq CERN-EP /2003 -11 m. H ≥ 114. 4 Ge. V/c 2 @ 95% CL A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Le boson de Higgs du MSSM : contraintes expérimentales Recherche directe de Higgs SUSY l Luminosité L = 870 pb-1 l l l Energie √s = 200 -209 Ge. V Canaux : £ e-e+ Zh £ e-e+ h. A Dépendance en m. A et tanβ Cas le moins contraint Scénario ~ ~ £ Mélange maximal entre t 1, t 2 LHWG Note /2004 -1 mh ≥ 93 Ge. V/c 2 @ 95% CL m. A ≥ 92. 4 Ge. V/c 2 @ 95% CL A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Sur la trace du Higgs. . . via les mesures indirectes A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Les mesures indirectes du secteur de Higgs : principe Choix du contexte théorique l Théorie renormalisable (Modèle Standard, SUSY etc…) l Calcul/prédiction de toutes les observables £ à partir d’un ensemble fini de paramètres £ à tous les ordres de corrections radiatives Choix des observables mesurées pour le Higgs l Observables électrofaibles : £ clairement définies théoriquement & sensibles au (secteur de) Higgs £ “précisement” déterminées (~ 1/1000) Interprétation des mesures dans le cadre théorique l Ajustement des mesures aux prédictions £ Optimisation de l’ajustement global ( 2/d. o. f. ). . . avec la masse du Higgs comme paramètre libre A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Choix du contexte théorique : Le Modèle Standard l Calcul/prédiction de toutes les observables £ à partir d’un ensemble fini de paramètres : m. Z GF = Masse du boson Z = Constante de Fermi EM s = Constante de couplage EM = Constante de couplage forte £ = Masse des 6 fermions = Masse du Higgs (LIBRE) A mfermions m. H Ordre 0 ordres à tous les ordres de corrections radiatives : Formalisme des “couplages effectifs” du Z aux fermions & absorbant les corrections radiatives : g. Vf = √ρ (T(3)f – 2 Qf sin 2θeff ) g. Af = √ρ T(3)f …qui absorbe les corrections dues à mf, m. H : Ordre 1… Ordre 0 t + Z t Z + Z H H Z Z Z Les corrections électrofaibles : − dépendent de mt et m. H − sont de l’ordre de ~1% A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Choix des observables : LEP + SLAC Observables électrofaibles l Mesures de précision (1989 -2000) : Haute statistique: L = 160 pb-1 x 4 au “pic du Z” L = 700 pb-1 x 4 entre 130 -209 Ge. V Bon contrôle des erreurs systématiques 4 expériences LEP: ~16 millions Z 4 expériences LEP: ~35000 W 4 expériences LEP: 0 Higgs ? A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

2. Choix des observables : LEP + SLAC Observables électrofaibles l Mesures de précision (1989 -2000) : Haute statistique: L = 160 pb-1 x 4 au “pic du Z” L = 700 pb-1 x 4 entre 130 -209 Ge. V Bon contrôle des erreurs systématiques Observables du Z Masse m. Z Largeur ΓZ Section efficace Rapport Γhad/Γl Asymetrie A 0 l. FB etc. . . A. Lucotte / LPSC 4 expériences LEP: ~16 millions Z incertitude ± 0. 002% ± 0. 09% ± 0. 12% … … 4 expériences LEP: ~35000 W Observables incertitude Masse m. W Largeur ΓW ± 0. 05% ± 4. 1% 4 expériences LEP: 0 Higgs ? Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

2. Choix des observables : Le Te. Vatron Observables électrofaibles l Observables de hautes énergies : £ 2 expériences (DØ, CDF) £ Mesures réalisées entre 1989 -1995 l 3 observables mesurées : DØ+CDF : Run 1 ~140 000 W Run 2 ~ 5. 6 millions W 1500 Transverse Mass m T W μν 1000 DØ+CDF : Run 1 ~200 top Run 2 ~10000 top 500 60 80 100 m. WT(Ge. V/c 2) σ(pb) 0 σ(pp tt) vs √s 1750 A. Lucotte / LPSC 1800 1850 1900 1950 2000 √s (Ge. V) Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

2. Choix des observables : Le Te. Vatron Observables électrofaibles l Observables de hautes énergies : £ 2 expériences (DØ, CDF) £ Mesures réalisées entre 1989 -1995 l 3 observables mesurées : Observable Précision m. W(Run 1) ΓW(Run 1) ± 0. 07% ± 5. 0% m. W(Run 2) ΓW(Run 2) ± 0. 02% ? ± 1. 5% ? A. Lucotte / LPSC DØ+CDF : Run 1 ~140 000 W Run 2 ~ 5. 6 millions DO+CDF : Run 1 ~200 top Run 2 ~10000 top Observable Précision mtop(Run 1) ± 2. 4% mtop(Run 2) ± 1. 3 % ? Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Observables électrofaibles : la résonance du Z Observables de la résonance du Z l Courbe de résonance e+e- ff £ Mesure des σf £ Extraction de : σ0 had, σ0 l 12π ΓeΓf σ0 ff = m 2 Z Γ 2 Z R 0 l = 1990 -92 1993 ● ΓZ Γhad Γl+l- 1994 1995 ● ● Sensibilité à m. H via : Γf α (g 2 V+g 2 A) MZ ● A 0, f. FB (M 2 Z)= ¾ Ae. Af A 0, f. FB √s (Ge. V) Asymétries au pic o Mesures de : σ(cosθ>0)-σ(cosθ<0) σ(cosθ>0)+σ(cosθ<0 ) Extraction de : A 0, f. FB = o A 0, f. FB = ¾ Ae Af MZ A. Lucotte / LPSC Sensibilité à m. H via : Af α g. Vfg. Af / (g 2 Vf+g 2 Af) Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Observables électrofaibles : la résonance du Z Observables de la résonance du Z l Courbe de résonance £ Mesure des σf £ Extraction de : σ0 ff = 12π ΓeΓf m 2 Z Γ 2 Z R 0 l = Γhad Γl+l- Sensibilité à m. H via : Γf α (g 2 V+g 2 A) mesures (68% CL) ● Asymétries au pic o Mesures de : σ(cosθ>0)-σ(cosθ<0) σ(cosθ>0)+σ(cosθ<0 ) Extraction de : A 0, f. FB = o A 0, f. FB = ¾ Ae Af Sensibilité à m. H via : Af α g. Vfg. Af / (g 2 Vf+g 2 Af) A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Les observables électrofaibles : la masse du boson W (m. W) Masse du W à LEP l Canaux de recherches : Préliminaire e+e- W+W- qqqq, qql , l l Reconstruction de la masse invariante Minv ~36000 evénements m (LEP) = 80412 ± 42 Me. V/c 2 W Masse du W au Te. Vatron l Canaux de recherche Run 1 Final pp W+X μ /e +X Reconstruction de masse transverse m. T = √ 2 Ee. T Ev. T cosΦ(e, ) ~70000 évts/exp. m. W(Run 1)= 80452 ± 59 Me. V/c 2 A. Lucotte / LPSC ∆m = ± 20 W(Run 2) Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Les observables électrofaibles : la masse du quark top (mt) Masse du quark Top au Te. Vatron l Luminosité : L ≈ 110 pb-1 l l Préliminaire Canaux de recherche pp tt Wb. Wb lvb qqb « lepton+jets » Wb. Wb lvb « di-lepton » Combinaison Run 1 £ Incertitudes = 2. 7(stat. ) + 3. 3(syst. ) mt(Run 1)= 178. 0 ± 4. 3 Ge. V/c 2 A. Lucotte / LPSC ∆mt(Run 2) = ± 2. 0 Ge. V/c 2 Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Ajustement des observables au Modèle Standard LEP : m. Z, ΓZ , σ0 had, Rhad , A 0, l. FB Ptau Al QFB sin 2θeff m. W , Γ W SLD : Al LEP+SLD : Rb, Rc, A 0, b. FB A 0, c. FB Ab, Ac Ajustement MS: ZFITTER TOPAZØ Output : m. H et/ou mt , m. W… TEVATRON : m. W, ΓW, mtop Nu. Te. V : sin 2θW ee qq- basse énergie: ∆α(5)had A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interpretation dans le cadre du Modèle Standard Ajustement des Mesures 2/d. o. f. = 15. 8/13 Probabilité ~ 26% l Interprétation: £ Aucune mesure n’est à plus de 3 du MS £ Différence de 2. 8σ entre Ab. FB et Al (fluctuation? ) Ab. FB (2. 4 σ) augmente m. H , Al baisse m. H A. Lucotte / LPSC Les mesures n’ont jamais été en aussi bon accord avec le MS Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation dans le cadre du Modèle Standard Interprétation dans (m. W , mt) l Mesures de m. W et mt £ Cohérence entre mesures directes & indirectes l Comparaison aux prédictions du MS : £ Les mesures directes favorisent un Higgs léger Mesures actuelles (LEP 2+TEV) Modèle Standard Contraintes indirectes (LEP 1+SLD) Incertitude due à Δα Les mesures de mt et m. W favorisent de faibles valeurs de m. H A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation dans le cadre du Modèle Standard Contraintes sur la masse du Higgs l Ajustement des 17 observables au MS Valeurs les plus probables de m. H (libre) m. H = 114+65 -49 Ge. V/c 2 m. H < 260 Ge. V/c 2 @ 95% l Source des incertitudes : [ log(m. Higgs)]2 = [ exp]2 + [ mt]2 + [ s]2 [0. 21]2 = [0. 12]2 +[0. 13]2 +[0. 10]2 + [0. 04]2 La sensibilité est limitée par les incertitudes sur mtop A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation dans le cadre supersymétrique La supersymétrie l Extension du MS la plus “attractive” : £ Unification des constantes de couplages £ Explication de la forme du potentiel de Higgs £ Prédiction d’une “LSP” = candidat “matière noire” l Conséquences phénoménologiques : £ Doublement du spectre des particules Fermions + partenaires bosoniques bosons + partenaires fermioniques Corrections radiatives différentes Prédiction des observables électrofaibles ≠ MS l Conséquences sur le secteur de Higgs £ Plusieurs Higgs (H+, H-, H, h, A) £ Le spectre des masses de Higgs est PREDIT Higgs le plus léger : mh < 135 Ge. V/c 2 l Les observables électrofaibles permettent de tester : £ Modèle SUSY + supergravité (m. SUGRA) £ Modèle SUSY + Gauge Mediated SB (m. GMSB) £ Modèles SUSY non contraint (~100 paramètres) A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation dans le cadre supersymétrique Interprétation dans (m. W , mt) l Comparaison MS vs MSSM £ Zone SUSY légerement favorisée vs MS £ Recouvrement faible entre le MS et le MSSM Correspondant à mh < 135 Ge. V/c 2 M M SS MS vy ea mesures m. W, mt (68% CL) H Lig ht MSSM SM hep-ph/0307177 Recouvrement MS et MSSM Modèle Standard m. H de 114 à 1000 Ge. V/c 2 m. H [Ge. V] 114 300 1000 l Zone MSSM non contraint “Light MSSM” : MSUSY ~ valeur limites inférieures “Heavy MSSM” : MSUSY ~ O(Te. V/c 2) (limite découplage) A. Lucotte / LPSC Le modèle du MSSM est compatible avec les données électrofaibles Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation dans le cadre de Modèles alternatifs l Ensemble de modèles £ Incluant le groupe de jauge SU(2)x. U(1) En accord avec les mesures de précision l Prédiction d’un secteur scalaire modifié £ Higgs plus lourd (500 -1000 Ge. V/c 2) £ Sans Higgs Mesures electrofaibles (68% CL) Modèle Standard (S=T=0) m. H=114 Ge. V/c 2 mt = 178 Ge. V/c 2 Accord conservé avec mesures par compensation dans des effets d’un Higgs lourd par : £ de bosons supplémentaires (Z’ de M Z’≈ 1 -1. 5 Te. V/c 2) extension du groupe de jauge (E 6, SO(10). . ) £ des fermions suplémentaires, doublet et singulet SU(2) avec M ≈ 1 -5 Te. V/c 2 A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation MS versus SUSY : prospectives Observables électrofaibles l Gain en sensibilité £ Te. Vatron RUN II + LHC (ATLAS+CMS) + ILC Now Run. II (2 fb-1) Run. II (8 fb-1) LHC (30 fb-1) LC Δsin 2θeff δm. W(Me. V) 17 33 78 27 78 20 14 -20 15 1. 3 7 δmt(Ge. V) δm. H(Me. V) 5. 1 --- 2. 7 --- 2. 0 ? 1. 0 100 0. 13 50 MSSM SY SU ht lig e. V 3 G 11 M H= Le LHC et le ILC devraient permettre de distinguer les modeles A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Conclusion : Contraintes sur le boson de Higgs Les mesures de précision l Le secteur des interactions électrofaibles des hautes énergies a été sondé précisement par LEP/SLD+Te. Vatron Sensibilité des mesures aux corrections électrofaibles Les interprétations l Le MS décrit avec une précision sans précédent les interactions électrofaibles : £ Accord remarquable observé avec les prédictions £ l l La masse du Higgs est un paramètre libre du MS L’ajustement global donne : m. H < 260 Ge. V/c 2 @ 95% La supersymétrie offre un cadre théorique + satisfaisant. Expérimentalement : £ L’ajustement aux observables électrofaibles est au moins aussi satisfaisant que pour le MS £ La masse du boson de Higgs est prédite mais en fonction de paramètres non fixés. Cependant : m. H < 135 Ge. V/c 2 Il existe toujours des modèles alternatifs qui garantissent l’accord avec les mesures électrofaibles A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Perspectives Le Te. Vatron permettra… l d’affiner le test du MS vs MSSM par une meilleure connaissance de mtop et m. W l Peut-être de mettre en évidence (3 σ) un Higgs léger (< 130 Ge. V/c 2) pour une luminosité ~ 8 fb-1 Le LHC permettra … l La découverte (5σ) de(s) Higgs(es) et une mesure de ses (leurs) propriétés (masse, largeur, couplages) l D’apporter les premières réponses quant à l’identification du modèle sous-jacent Le ILC devrait permettre. . . l La mesure précise des propriétés du(es) Higg(ses) l Les tests de cohérence des modèles par le biais des mesures de (très grande) précision A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

BACKUP SLIDES A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Observables électrofaibles : Asymétries des quarks vs leptons Asymétries des Quarks et leptons l Quantités mesurées : £ Asymétries Ab et Ac de SLD £ Asymétries A 0, b. FB et A 0, c. FB de LEP £ Asymétries Al de SLD+LEP ∆α 1000 mesures (68% CL) 114 Modèle Standard avec m. H ∈[114, 1000] Ge. V/c 2 l Interprétation A 0, b. FB favorise les hautes valeurs de m. H Al favorise les faibles valeurs de m. H A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Observables électrofaibles : couplages effectifs leptoniques Couplages effectifs leptoniques l Quantités mesurées pour Z l-l+ £ Γl Largeurs de désintégration Γl £ Al (polarisation du tau) LEP 1 + SLD £ Al (asymétrie F/B A 0, l. FB) £ Al (asymétrie LR/FB faisceaux polarisés) l Universalité des 3 leptons A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

La recherche Higgs au Te. Vatron : Bilan Revisité … Perspectives l Re-analyses (2003) faites en utilisant les données Run IIa Canaux WH lνbb et ZH ννbb Ré-éstimation des fonds Paramétrage de l’ efficacité d’étiquetage des b Etudes de résolution Mbb Généralisation de l’usage des NN FERMILAB-PUB-03/320 -E LEP exclu 4 fb-1 l Le “Run IIa” est défini par la durée de vie des détecteurs de Vertex Dégradation attendue des performances ~4 fb-1 La direction de Fermi. Lab 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 A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation dans le cadre supersymétrique A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation dans le cadre supersymétrique Interprétation dans (m. W , mt) l Comparaison MS vs SUSY £ Zone SUSY légerement favorisée vs MS £ Recouvrement faible entre le MS et le MSSM Correspondant à mh < 135 Ge. V/c 2 SU SY SU vy ea mesures m. W, mt (68% CL) H Lig ht MSSM SY hep-ph/0307177 Recouvrement MS et MSSM Modèle Standard m. H de 114 à 1000 Ge. V/c 2 l Zone SUSY: MSSM non contraint “Light SUSY” : MSUSY ~ valeur limites inférieures “Heavy SUSY” : MSUSY ~ O(Te. V/c 2) (limite découplage) A. Lucotte / LPSC Les modèles SUSY sont légerement favorisés vs le MS Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Interprétation MS versus SUSY : prospectives Observables électrofaibles l Gain en sensibilité £ Te. Vatron RUN II + LHC (ATLAS+CMS) + ILC Now Run. II (2 fb-1) Run. II (8 fb-1) LHC (30 fb-1) LC Δsin 2θeff δm. W(Me. V) 17 33 78 27 78 20 14 -20 15 1. 3 7 δmt(Ge. V) δm. H(Me. V) 5. 1 --- 2. 7 --- 2. 0 ? 1. 0 100 0. 13 50 MSSM t ligh 113 M H= SY SU Ge. V Le LHC et le ILC devraient permettre de distinguer les modeles A. Lucotte / LPSC Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Les observables électrofaibles : la masse du quark top (mt) Masse du quark Top au Te. Vatron l Luminosité : L ≈ 110 pb-1 l Préliminaire Canaux de recherche pp tt Wb. Wb lvb qqb « lepton+jets » Wb. Wb lvb « di-lepton » Mesure de mt (68% CL) l Combinaison Run 1 £ Incertitudes = 2. 7(stat. ) + 3. 3(syst. ) A. Lucotte / LPSC mt(Run 1)= 178. 0 ± 4. 3 Ge. V/c 2 ∆mt(Run 2) = ± 2. 0 Ge. V/c 2 Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004

Les observables électrofaibles : la masse du boson W (m. W) Masse du W à LEP l Canaux de recherches : Préliminaire e+e- W+W- qqqq, qql , l l Reconstruction de la masse invariante Minv ~36000 evénements m (LEP) = 80412 ± 42 Me. V/c 2 W Mesurede m. W (68% CL) Masse du W au Te. Vatron l Canaux de recherche Run 1 Final pp W+X μ /e +X Reconstruction de masse transverse m. T = √ 2 Ee. T Ev. T cosΦ(e, ) ~70000 évts/exp. m. W(Run 1)= 80452 ± 59 Me. V/c 2 A. Lucotte / LPSC ∆m = ± 20 W(Run 2) Journées IN 2 P 3/Dapnia-10 -10 -2004