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
BACKUP 19
Recherche au Tevatron 20
Recherche au Tevatron 21
Higgs en ATLAS CMS 22
Higgs en ZZ* → 4 leptons 23
Higgs en tautau 24
Higgs en WW 25
LHC: sensibilité 26
Canaux ATLAS 27
Auto-couplage du Higgs au HL-LHC 28
- Slides: 28