Recherche et tude du boson de Higgs du

Recherche et étude du boson de Higgs du modèle standard Groupe 1: Modèle standard, mesures de précision, brisure électrofaible u Introduction u Modes de production et de désintégration u Recherche du boson de Higgs u au Tevatron u au LHC u Mesures des propriétés du boson de Higgs: u au LHC u au futur ILC P. Verdier – IPN Lyon - Journées de prospectives IN 2 P 3/IRFU – Giens – 2 avril 2012 1

Contraintes indirectes u Nouvelle mesure de la masse du boson W au Tevatron. Moyenne mondiale: M(W) = 80. 385 ± 0. 015 Ge. V u Masse du quark top: M(t) = 173. 2 ± 0. 6 ± 0. 8 Ge. V u Contraintes sur la masse du boson de Higgs: M(H) = 94 +29 -24 Ge. V 2

Largeur et désintégrations du boson de Higgs u Largeur: Faibles masses: Le boson de higgs est très étroit: (H) < 10 Me. V Très inférieure aux résolutions expérimentales Cette largeur atteint 1 Ge. V pour M(H)=2 M(Z) A haute masse: Sa largeur devient presque aussi grande que sa masse: le boson de Higgs ne peut plus être considéré comme une résonance u Canaux de désintégration: M(H) < 135 Ge. V: u H→bb dominant u BR(H→cc, ττ, gg) de qq % u BR(H → , Z ) de qq ‰ M(H) > 135 Ge. V: u BR(WW)=2/3 et BR(ZZ)=1/3 u H→tt s’ouvre à très haute masse 3

Recherche au LEP u Recherche au LEP : e+e- → HZ u u M(H) > 114. 4 Ge. V L’excès à ~115 Ge. V correspond à ce qu’on attendrait pour un boson de Higgs du MS 4

Production aux collisionneurs hadroniques gluon fusion vector boson fusion associated W/Z production associated tt production Fusion de gluon: processus dominant incertitude de ~15% au LHC (gluons dans l’état initial) Fusion de boson vecteurs (VBF) incertitude de ~5% au LHC signature spécifique avec 2 jets à l’avant Production associée WH/ZH (VH) incertitude de ~5% au LHC désintégration semi-leptonique du W ou du Z Production associée ttbar. H incertitude de ~15% au LHC Incertitudes théoriques: variation échelles renormalisation & factorisation, valeur de s, PDFs (NNLO) 5

Recherche au Tevatron u Résultats préliminaires basés sur ~10 fb-1 de données enregistrées entre 2002 et 2011 u Les canaux H→bb et H → WW sont très largement dominants (transition à 135 Ge. V): canaux avec une « mauvaise » résolution en masse 6

Recherche au Tevatron u Excès observé entre 115 et 135 Ge. V compatible avec l’amplitude attendue d’un boson de Higgs standard u Dominé par le canal H→bb, difficile à voir au LHC. u Les données favorisent l’hypothèse signal+bruit à basse masse depuis 2007, mais significatif seulement avec les données complètes du Tevatron. 2010 2012 7

Canaux de recherche au LHC u Désintégration en bbar: u Fond QCD important u Production associée WH/ZH pour avoir un lepton dans l’état final u Pas suffisant au LHC: système « boosté » u Désintégration en ττ: u Au LHC, besoin d’une caractéristique supplémentaire: production VBF et VH u Désintégration en : u Faible rapport d’embranchement u Mais canal dominant à basse masse au LHC u Excellente résolution en masse de Higgs u Désintégration en WW: u Canal dilepton lνlν dominant, puis lνqq u Faible résolution en masse de Higgs u Désintégration en ZZ: u Canal 4 leptons: faible BR, mais s/b élevé au LHC u Canal llqq: fond MS plus élevé u Canal llνν 8

Recherche au LHC: hautes masses u Grâce aux canaux H→WW et H→ZZ, exclusions importantes au delà de ~130 Ge. V: u u Exclusion jusqu’à ~550 Ge. V Limites solides : 99% C. L. pour M(H) entre 130 et 500 Ge. V 9

Recherche au LHC: basses masses u Pour M(H) <~ 130 Ge. V, les modes de désintégration H→ZZ et H→ permettent d’avoir une excellente résolution en masse u Dans le canal H→ZZ, les fonds MS sont très faibles: un seul événement a un impact important u Les autres canaux WW, bb et ττ : moins bonne résolution en masse 10

Recherche au LHC u Un excès d’événements compatible avec ce qui est attendu pour le boson de Higgs du MS est observé pour M(H) ~= 125 Ge. V 11

Recherche aux collisionneurs hadroniques u Exclusions à 95% C. L. : u Tevatron: [147 -179] Ge. V u ATLAS: [110 -117], [117 -122] et [129 -540] Ge. V u CMS: [128 -600] Ge. V attendue: [100 -119] et [141 -184] Ge. V attendue: [114 -540] Ge. V attendue: [120 -555] Ge. V u CMS et ATLAS observent un excès d’événements à M(H) ~= 125 Ge. V : u u ATLAS: CMS : 2. 5 σ local @ 126 Ge. V (1. 5 σ global) 2. 8 σ local @ 125 Ge. V (1. 6 σ global) Les observations sont compatibles avec les prédictions du modèle standard pour M(H)=125 Ge. V Canal WW dans ATLAS Canal ZZ dans CMS : 3 événements à M(H)~= 119 Ge. V u DØ et CDF observent un excès d’événements dans la région [115 -135] Ge. V u 2. 7 σ local @ 120 Ge. V (2. 2 σ global) 12

Production du boson de Higgs à l’ILC u International Linear Collider 13

Mesure de la masse et de la largeur u Mesure de la masse: u Au LHC: les canaux de désintégrations H→ZZ* et H→ permettent d’atteindre une incertitude de ~0. 1% dans la région des basses masses (~120 Me. V pour M(H)=125 Ge. V) u A l’ILC: reconstruction précise de la masse du boson de Higgs dans le processus de Higgs-strahlung. Précision de 40 Me. V pour M(H)=125 Ge. V, facteur 3 par rapport au LHC u Mesure de la largeur: u Mesures indirectes à basse masse car le Higgs est trop étroit LHC: sqrt(s)=14 Te. V et L=200 fb-1 14

Mesure des couplages u Au LHC: u Avec 20 fb-1 à 7 Te. V, précision < 50% u Avec 30 fb-1 à 14 Te. V, précision < 20% u A l’ILC: u Précision de 1 -3 % avec sqrt(s)=350 -500 Ge. V et L=500 fb-1 15

Mesure du spin u Détermination du spin du boson de Higgs: Au LHC: u u l’observation de la désintégration du boson de Higgs en exclut J=1 Etude des corrélations angulaires des leptons dans le processus H→ZZ* → 4 leptons A l’ILC: u u Etude de la distribution angulaire des bosons Z et H dans le processus de Higgs-strahlung Les nombres quantiques de spin et de parité en analysant les corrélations angulaires dans les processus H→ZZ*, WW et e+e- → HZ → 4 f 16

Auto-couplage du boson de Higgs u Reconstruction du potentiel scalaire: u Couplage quartique impossible à tester directement u Le couplage g. HHH : u possible à l’ILC grâce au processus de double Higgs-strahlung pour sqrt(s) > 350 Ge. V u Mesure de g. HHH à l’ILC: u Précision de 20 à 10% pour sqrt(s)=500 Ge. V et L=1 ab-1 17

Conclusion u La zone de masse permise pour le boson de Higgs du MS a été très fortement restreinte: [122 -128] Ge. V u Avec ~20 fb-1/exp. , les données 2012 du LHC devraient permettre de découvrir ou d’exclure le boson de Higgs du MS u En cas de découverte, les mesures des propriétés du boson de Higgs seront une priorité en HEP: u u Mesures au LHC et HL-LHC : contrôler les effets dus à l’empilement (notamment pour VBF) Un ILC permet de gagner un facteur ~10 sur les mesures de précisions par rapport au LHC Compréhension détaillée du mécanisme EWSB Portail vers une éventuelle nouvelle physique 18