Il bosone di Higgs a LHC Paolo Bagnaia

Il bosone di Higgs a LHC Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 1

La fisica di LHC - sommario Ø il bosone di Higgs nel MS; Ø produzione di Higgs a LHC; Ø decadimento ed osservabilità dell’Higgs a LHC, in funzione di m. H : v m. H < 150 Ge. V : pp HX, H ; v m. H < 150 Ge. V v m. H < 120 Ge. V : pp W±HX, ZHX, tt. HX, W/Z/tt ℓ±, H ; : pp W±HX, ZHX, tt. HX, H bb; v 120 < m. H < 150 Ge. V : pp HX, H ZZ* 4ℓ±; v 150 < m. H < 200 Ge. V : pp HX, H WW(*), ℓ+ ℓ- ; v m. H > 170 Ge. V : pp HX, H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- ; v m. H < 300 Ge. V : pp HX, H WW, ZZ ℓ± jj, ℓ+ℓ-jj; Ø riassunto dei valori di significanza statistica. [NB – Modello Standard Minimale, cioè una sola particella fisica nel settore di Higgs]. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 2

Nota bene Ø 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); Ø 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; Ø l’argomento teorico basato sul bosone di Higgs serve a dimostrare che, per valori di ŝ 1 Te. V non ci può essere un “deserto” : la non esistenza del bosone di Higgs con m. H 1 Te. V sarebbe una inconsistenza del Modello Standard e, quindi, una grande scoperta di per sé (che nessuno si augura); Ø 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; Ø [argomento analogo per la ricerca di SUSY, non trattata qui]. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 3

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 Te. V (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. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 4

limiti sperimentali per m. H • [già discusso per LEP II]; • tutte le misure mondiali (LEP, Te. Vatron, , Spp. S, …); • ipotesi : MS minimale; • se no, il limite dipende dal modello (ex. tan in SUSY). Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 5

pp HX a s = 14 Te. V - plot Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 6

pp HX a s = 14 Te. V - diagrammi g g H t ! ! ! q q’ W, Z ? ? ? H t g H g t bar Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC q q bar W, Z + H … + altri … W, Z 7

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 : • la somma corre su tutti i valori di j, k cinematicamente consentiti ad una data m. H; • per m. H >> mz, tot (Te. V) ½ m. H 3 (Te. V). • 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. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 8

accoppiamenti “vietati” ricordare : • H Z Z • H • Z H • H g g forti). Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC no (spin-statistica, a tutti gli ordini); non all’ordine più basso (H neutro !!!); non all’ordine più basso (Z, H neutri !!!); non all’ordine più basso (Higgs non ha interazioni ? ? ? 9

decadimento del bosone di Higgs 100 B. R. (Higgs X) b bbar + c cbar 10 -1 gg W+ WZZ 10 -2 Z t tbar 10 -3 50 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 100 200 m. H [Ge. V] 500 10

decadimento del bosone di Higgs - domande 100 B. R. (Higgs X) b bbar ! + - ! 10 -1 c cbar ! gg W+ WZZ 10 -2 ? ? ? 10 -3 50 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 100 Z t tbar 200 m. H [Ge. V] 500 1000 11

larghezza del bosone di Higgs H [Ge. V] 102 ~m. H 3 a m. H 1. 4 Te. V non è più una “particella”. 101 100 10 -1 10 -2 10 -3 50 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 100 200 m. H [Ge. V] 500 1000 12

ricerca del bosone di Higgs • a seconda di m. H, l’Higgs decade in modo differente WW(*) ℓ+ ℓ- ricerche differenti della “stessa” particella; tt. H, H bb • in sostanza, tre regimi separati : Ø H (vedi); W/Z/tt ℓ±, H WW, ZZ ℓ± jj, ℓ+ℓ-jj Ø m. H<2 m. W, discreta statistica, H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- problemi da reiezione di fondi; LEP II Ø m. H>2 m. W, ZZ* 4ℓ± piccola , problemi da 50 100 200 500 1000 statistica × BR( ℓ±). m. H [Ge. V] Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 13

H • piccolo BR (10 -3, dovuto ad em 2) ×BR = 30 50 fb per m. H < 140 Ge. V; • 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 (Ge. V); • tagli [ATLAS] : Ø p. T > 40 Ge. V ( 1), > 25 Ge. V ( 2); Ø | 1| < 2. 4; | 2| < 2. 4; • (m ) = 1. 3 Ge. V (ATLAS); • canale difficile, richiede alta statistica [s piccolo s/ b piccolo]; • di fatto, questo canale ha condizionato la costruzione degli esperimenti (specie CMS]. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC ATLAS, 100 fb-1 14

CMS : H , m. H=130 Ge. V CMS, 100 fb-1 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 15

H W / Z ℓ± AT LA S • richiesta : pp HW oppure HZ oppure tt. H, H ; • ~ 1/50 di pp HX (se si richiede ℓ± nello stato finale); • vantaggi : Ø minore fondo; Ø determinazione migliore del vertice d’interazione dal ℓ±; Ø forse possibile anche W/Z jet (vincolo di massa); Ø studio degli accoppiamenti (HW oppure HZ), test del MS; Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 16

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 Ge. V 100 fb-1 non mi sembra il canale più adatto alla scoperta … Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 17

H Z Z * 4ℓ± - 1 • per H ZZ, tre differenti regioni cinematiche (questa è la n. 1) : Ø m. H < 2 m. W, H Z Z*, 1 vincolo m(ℓ+ ℓ-) = m. Z; Ø 2 m. W < m. H < 2 m. Z, H Z Z depresso ~ 5%; Ø m. H > 2 m. Z, H Z Z, 2 vincoli m(ℓ+ ℓ-) = m. Z; • tagli (ATLAS, 4 ) : ATLAS 1033 cm-2 s-1 Ø p. T 1, 2 > 20 Ge. V; Ø p. T 3, 4 > 7 Ge. V; Ø | 1, 2, 3, 4| < 2. 5; • dipende da L (pile-up). Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 18

H Z Z* 4ℓ± - 2 ATLAS, 1033 cm-2 s-1 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 19

H Z Z* 4ℓ± - 3 S A ATL Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC (risoluzione di massa) in Ge. V, in funzione di m. H; “Low” = 1033 cm-2 s-1; “High” = 1034 cm-2 s-1. 20

H WW(*) ℓ+ ℓ- • meglio se prod. associata WH ( /100, no fondo); • tagli (ATLAS) Ø p. T 1ℓ > 20 Ge. V (se alta L, > 30); Ø p. T 2ℓ > 10 Ge. V; Ø | 1ℓ, 2ℓ| < 2. 5; Ø leptoni isolati; Ø ETM > 40 Ge. V; Ø 1ℓ, 2ℓ > 1 rad; Ø ℓept sys < 0. 9 rad; Ø 1ℓ, 2ℓ < 1. 5 ; Ø no jets p. T > 15 Ge. V | jet| < 3. 2; Ø m. T window [m. H-30 Ge. V, m. H]; • riconoscimento statistico (no “picco”). Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC ATLAS 21

sommario : 110 < m. H < 2 m. Z AS L T A Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 22

H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- - 1 : m. H < 700 Ge. V • per m. H < 700 Ge. V, meglio 4ℓ±, poi meglio ℓ+ℓ- (BR più alto); • fondo dominante : Z/ * 4ℓ± (come a LEP II); • tagli (ATLAS) Ø p. T 1ℓ, 2ℓ > 20 Ge. V; Ø p. T 3ℓ, 4ℓ > 7 Ge. V; Ø | 1ℓ, 2ℓ, 3ℓ, 4ℓ| < 2. 5; • larghezza sperimentale (rivelatore) ~ comparabile con tot; • osservabilità facile anche con pochi fb-1. ATLAS, m. H=300 Ge. V se potessi scegliere io, deciderei m. H = 300 Ge. V. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 23

H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- - 2 : m. H > 600 Ge. V • canale ℓ+ℓ- ; • fondo dominante : Z/ * 4ℓ± (come a LEP II); • tagli (ATLAS) Ø p. T 1ℓ, 2ℓ > 40 Ge. V; Ø | 1ℓ, 2ℓ| < 2. 5 Ø nessun altro ℓ±; Ø m(ℓ+ℓ-) = m. Z ± 6 Ge. V; Ø p. Tℓℓ > m. H – 350 Ge. V; Ø ETM > 150 Ge. V; Ø 1 jet a | | > 2. • osservabilità facile, ma richiede molti fb-1. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC ATLAS, 100 fb-1 24

H WW, ZZ ℓ± jj, ℓ+ℓ-jj • fondo dominante : W+jet, t tbar ℓ±, WW ℓ±; • tagli (ATLAS, ℓ± jj) Ø p. Tℓ > 100 Ge. V; Ø ETM > 100 Ge. V; Ø p. T 1 j, 2 j > 50 Ge. V; Ø p. TW ℓℓ, W jj > 350 Ge. V; Ø m(jj) = m. W ± 2 (1 =5 7 Ge. V); • per ℓ+ℓ-jj : ATLAS, 30 fb=1, m. H=600 Ge. V Ø ×BR 1/6; Ø tagli simile (ETM p. T 2ℓ); Ø vincolo m() = m. Z no fondo t t. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 25

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 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 26

misura di H • stessi commenti di m. H; • per m. H < 200 Ge. V, H troppo piccola per essere misurata (< 1 Ge. V); • misurare anche prod, BR(H X), spin-parità, … Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC ATLAS, 300 fb-1 27

Significanza statistica (s/ b) significanza statistica per ricerca di higgs 100 H , WH, tt. H (H ) tt. H (H bb) H ZZ(*) 4ℓ± H WW(*) ℓ+ ℓ- H ZZ ℓ+ℓ- H WW ℓ± jj totale in realtà, nel MS, 30 fb-1 sono sufficienti per 5 … 10 5 ATLAS Ldt = 100 fb-1 1 100 m. H [Ge. V] 1000 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 28

significanza statistica di 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 … Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 29

arrivederci presto (nel 200? )CERN H 8 , e sta te 20 0 1 NB – a LEP, a posteriori, la realtà è quasi sempre stata migliore della simulazione, usualmente per l’utilizzo di metodi di calcolo più sofisticati. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 30

Fine - Higgs a LHC Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 31