Back to Higgs Searches - Meccanismi di produzione a LEP 2

Back to Higgs Searches - Meccanismi di produzione a LEP 2 A 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 e+ e-

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 carica • Dipende anche dall’inverso del raggio di curvatura al quadrato • La 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 eeZH sono condizionati dal fatto che nel range di massa accessibile il decadimento in coppie di b-quarks è dominante (85%): • 4 JETS: Zqq, Hbb • 2 JETS+missing E: Znn, Hbb • 2 leptoni + 2 JETS: Zll, Hbb • 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 Hbb 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 HZbbll

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.

differenza di chiquadro equivalente 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. • Nel plot qui a destra e nei seguenti si mostra il rapporto Q=LSB/LB fra likelihoods delle due ipotesi h=1, h=0 • Il rapporto è esprimibile come un numero che equivale approssimativamente alla variazione del chiquadro del fit se si include il segnale

La likelihood usata per descrivere le due ipotesi (h=0 background-only, h=1 signal + background) è il prodotto di fattori di Poisson e di fattori che descrivono la probabilità di osservare una certa configurazione cinematica per ogni evento studiato Qui N è il numero di canali, sk e bk sono segnale atteso e background atteso (nk eventi effettivamente osservati) in ciascun canale (diversi stati finali, diversi esperimenti, diverse sottoselezioni); Sk e Bk sono le PDF di segnale e fondo per le variabili discriminanti x. Con i valori di likelihood si calcola -2ln(Q)=-2ln(Lsb/Lb), che discrimina le due ipotesi h=0 o h=1. Valori molto negativi di -2ln(Q) corrispondono a campioni di dati che sono maggiormente “signal-like”

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 ogni singolo evento nell’ipotesi “ZH”. • CLs è definito come il rapporto fra verosimiglianza dell’ipotesi B+S e dell’ipotesi B da solo: CLs=CLb+s/CLb • 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.

a A Sottoprocesso partonico di Hard scattering σ(abX)|s=xaxbs Fasci di protoni E=√s ^ ^ b B 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 fa/A(xa,Q2) “Underlying Event” fb/B(xb,Q2)

Terminologia ai colliders adronici • “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] • tutta l’attività rimanente dall’interazione adronica oltre all’eventodi interesse • condivide il vertice primario con l’interazione “interessante” • Minimum Bias (online Pile-Up) • interazioni pp nello stesso bunch crossing dovute all’elevata luminositàdel collider (Tevatron: fino a 4x1033 cm-2s-1, LHC: >2x1033 cm-2s-1) e al rate di interazione (Tevatron: 2.5MHz, LHC: 40 MHz) • vertici di interazione diversi (rivelatori traccianti fondamentali) • (offline) Pile-Up • effetto strumentale dovuto all’alto rate di interazioni

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!

Range cinematico al Tevatron e LHC • Ogni sezione d’urto a livello partonico dipende dalle PDF • ΔσH,SUSY(CTEQ)~5% a CDF • Le incertezze teoriche maggiori sono date dalla conoscenza delle PDF • 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 trigger ATLAS & CMS

e n q W W* H q b b Produzione di H al Tevatron 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 WW La produzione associata fornisce sensibilità nella regione dove LHC avrà più problemi a identificare l’Higgs (lo vedremo più avanti) 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 • Stato dell’arte della ricerca nei vari canali a CDF e D0 • WHlnbb • ZHllbb • ZHnnbb • Altre ricerche • Ricerche di Higgs per Mh>135 GeV • HWW • HZZ • Limiti combinati alla produzione di Higgs • Prospettive del Run II al Tevatron

Fermilab

Il Tevatron collider Il 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 ppppp 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 = 4 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 |h|<1.1 • EM calorimeters for electrons (|h|<2) and photons; HAD calorimeters • An extended system of muon chambers covering |h|<1.5 La struttura originale è stata progettata 31 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 s=N/L  con L=3E32/cm2s, N=100/s  s=1 mb • 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 5ms • Accept rate max 35 kHz • L2: hardware e software, asincrono • In media decisione in 30 ms • Accept rate max 600 Hz • L3: software • Farm di PC • Algoritmi offline ottimizzati • Accept rate max 100 Hz

Il rivelatore D0 • D0 è il fratello minore di CDF • Anch’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|h|<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 decidono quanta parte dei 14 TeV disponibili ai protoni è usata per la “collisione dura”

Impulso trasverso Ogni 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,p+, p-,K+, K-, K0L, g,e, m

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 • Wen, mn • Zee, mm • gee,mm (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. tWb) • decadimento di bosoni di Higgs (HWW, 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

Identificazione di leptoni di alto Pt La 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 CDF D0

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gg, 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 trova MEt = [(SEx)2 + (SEy)2]0.5 e si misura anche l’angolo nel piano trasverso: F = atan2(-SEy, , -SEx) 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 Midpoint Sia CDF che D0 utilizzano un algoritmo a cono per identificare i jets adronici Tuttavia 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

b-jet tagging D0 L’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% Tight/loose SV tagging: tracce con parametro d’impatto significativo sono usate in una procedura iterativa da un fit per ricostruire il vertice secondario nel jet CDF I.P. B

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 mm)

Esercizio per casa: calcolo eventi con W e Z • Al Tevatron collider la sezione d’urto totale di produzione di W è di 20 nb, quella di Z è di 6 nb. • Assumendo un’efficienza complessiva di rivelazione per muoni del 60%, e del 50% per elettroni, calcolare: • Il numero di candidati p-antipWen, p-antipWmn (p-antipZmm, p-antipZee) identificabili con la richiesta di uno (due) leptoni e,m con una luminosità integrata pari a L=100 pb-1 • L’errore statistico sulla sezione d’urto di W e Z ottenibile; • L’errore totale, assumendo che la luminosità integrata sia nota con una precisione relativa del 6% e le efficienze di identificazione di elettrone abbiano un errore relativo del 2%; • L’errore totale raggiungibile sul rapporto di produzione s(W)B(Wen)/s(Z)B(Zee) nelle condizioni viste sopra.

Esercizio per casa Al Tevatron la sezione d’urto di produzione di coppie di bosoni vettori è la seguente: s(ppWW) ~ 12 pb s(ppWZ) ~ 3 pb s(pp ZZ) ~ 1.5 pb. 1) Assumendo una luminosità integrata da CDF pari a 4 fb-1, calcolare: • Il numero di candidati WWenen, enmn, mnmn; • il numero di candidati WZenee, eemn, enmm, mnmm; • il numero di candidati ZZeeee, eemm, mmmm. ove ogni stato finale si intende identificato dai leptoni carichi prodotti nel decadimento, per i quali le efficienze globali di rivelazione sono e(e)=50%, e(m)=60%. 2) Usando poi la distribuzione di Poisson calcolare la probabilità di osservare almeno 5 candidati ZZ con una luminosità pari a 1,4, e 10 fb-1.

Osservazione di produzione WZ e evidenza di produzione ZZ • Il processo ppWZllln è facilmente separabile dai pochi fondi elettrodeboli • Identificati 16 candidati, fondo atteso 2.7±0.4 eventi • Risulta s(WZ) = 5.0+1.8-1.6 pb (NLO: 3.7±0.3 pb) • Il processo ppZZ è ricercato nei canali con 4 leptoni carichi o con 2 leptoni e energia trasversa mancante • Fondi dominanti: DY, WW • Si trova s(ZZ)=0.75+0.71-0.54 pb

Previsioni pre-Run II Prima 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 escludeal 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 del bosone di Higgsper MH<135 GeV • Si ricerca principalmente il processo di “higgs-strahlung” da W o Z • Il bosone W/Z viene identificato nel suo decadimento in leptoni, o Znn • H viene ricostruito dal decadimento in coppie di b-jets • I backgrounds vengono ridotti imponendo che i jets contengano “b-tags” • La ricostruzione della massa dell’Higgs a partire dall’energia misurata dei jets adronici è il fattore cruciale • Il rapporto S/N al Tevatron è molto inferiore a 1  la ricerca è estremamente complicata • Mettendo assieme i risultati di tutti gli stati finali diversi si riesce comunque a limitare la sezione d’urto

e+ n W+ n W- e- Ricerche ad alta M: HWW(*) 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,m) e alta missing Et sono selezionati (rimuovendo candidati Zee, mm) Gli esperimenti usano la preferenza di decadimento dell’Higgs in leptoni carichi emessi nella stessa direzione per discriminare HWW dai backgrounds SM

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 risultato Le tecniche statistiche per fare questo in modo corretto, tenendo conto delle sistematiche correlate e indipendenti, dei relativi backgrounds, diverse luminosità integrate, diverse sensibilità sono complesse L’esercizio viene rifatto ogni sei mesi: quello mostrato è il limite ottenuto dal Tevatron per l’estate 2009

Esercizio: limite a s(H) dal conteggio di eventi WW • Il processo HWW è un canale proficuo per massa MH~150-180 GeV • B(WW) è alto • MH non è direttamente ricostruibile; problema principale: background reduction Supponiamo di usare 4/fb di dati al Tevatron per cercare eventi ppbarWWlnln (l=e,m) Supponiamo anche che ci sia solo il background da produzione standard di WW Supponiamo infine che con una Neural Network si riesca a selezionare l’80% di HWW e il 10% di background WW Che limite dovremmo riuscire a mettere a s(H) ?

Abbiamo visto prima che in totale NWW=250+150+100=500 nei canali leptonici con 4/fb • Con una e(NN)=10% ci aspettiamo 50 eventi • Se vediamo 50 eventi e ce ne aspettiamo 50 dal background, il segnale non può eccedere ~2 sqrt(50)=14 • Quindi abbiamo che eNNBWWellBllsH95L<14 • Da questo si trova, con i numeri già citati, che sH95<0.33 pb. Siamo vicini alla sezione d’urto teorica (0.3 pb): possiamo mettere un limite a R=sH/sH(SM) < 1.1 • Combinando un risultato simile a quello calcolato come esempio qui sopra con altri, CDF e D0 sono riusciti finora ad escludere, al 95% di confidence level, l’esistenza del bosone di Higgs in un range di massa fra 160 e 170 GeV, ovvero nella regione dove il limite su R è risultato essere inferiore a 1.

Prospettive delle ricerche al Tevatron • Quelli visti sono i risultati di CDF e D0 con statistica di 3-4/fb. Entro la fine del Run II i due esperimenti dovrebbero raggiungere 8-9/fb ciascuno. • Il fattore di miglioramento implica una sensibilità doppia nel 2010-2011; 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 155-180 GeV entro il 2010, 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: • 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 0.04% 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…

LHC, CMS, ATLAS

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