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Ricerche dell’Higgs del Modello Standard

Ricerche dell’Higgs del Modello Standard. Fabrizio Palla INFN-Pisa. Sommario. Richiami “teorici” Pre-LEP (<1989) LEP (1989-2000) http://lephiggs.web.cern.ch/LEPHIGGS/www/Welcome.html Tevatron (>2003) LHC (>2007). Teoria: accoppiamenti e massa.

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Ricerche dell’Higgs del Modello Standard

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Presentation Transcript

  1. Ricerche dell’Higgs del Modello Standard Fabrizio Palla INFN-Pisa

  2. Sommario • Richiami “teorici” • Pre-LEP (<1989) • LEP (1989-2000) • http://lephiggs.web.cern.ch/LEPHIGGS/www/Welcome.html • Tevatron (>2003) • LHC (>2007) Fabrizio Palla INFN Pisa

  3. Teoria: accoppiamenti e massa Dal meccanismo di Higgs … e dalla Gauge Invariance : mZ = mW/cosW ; mW = gv/2; ( v  250 GeV). vacuum expectation value m2 /v Vuoto “vuoto” W,Z mf/v -v4/24 (Il nostro vuoto) Tutti gli accoppiamenti predetti (sconosciuto) m2/v m2/v2 H H m2 = v2/3 H Massa sconosciuta Fabrizio Palla INFN Pisa

  4. Fit Globale del Modello Standard a mH (I) Conoscendo mtop, molte osservabili elettrodeboli hanno una dipendenza da mH (mW/mZ)2  (mW /mZ)2(1+Dr) Fabrizio Palla INFN Pisa

  5. Fit Globale del Modello Standard a mH (II) http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG/ Fabrizio Palla INFN Pisa

  6. Fit Globale del Modello Standard a mH (III) Fit globale a mH e mtop: Fabrizio Palla INFN Pisa

  7. Teoria: massa La massa mH non si predice, ma … (Nel Modello Standard)   m2/v2 H Nel Modello Standard: Cosi’ come per ogni costante di accop- piamento, il contenuto delle particelle del Modello Standard determina il running di fino ad una scala , a cui il modello non e’ piu’ valido Occorre che siano realizzate le seguenti condizioni: 115 Vacuum Stability Triviality R.G.E. Fabrizio Palla INFN Pisa

  8. Teoria: Decadimenti dell’Higgs I branching ratios dipendono solo da mH: • mH 2me: H   + grande vita media; • mH 2mb fino a 160 GeV/c2: • mH 2mm: H  e+e- dominante; • mH 2mp: H  m+m- dominante; • mH 3 - 4 GeV: H  gg dominante; p0p0, p+p-, KK, , … etc - • mH 2mb: H  t+t- e cc dominanti; Fabrizio Palla INFN Pisa

  9. La situazione prima di LEP Poche ricerche nei canali adronici NA31, 1990 CLEO, 1989 Nessun eccesso, ma… Nessun limite non ambiguo SINDRUM, 1989 CUSB, 1989 (Grandi incertezze teoriche sui Rate di decadimento) Fabrizio Palla INFN Pisa

  10. Teoria: Produzione dell’Higgs a LEP Dominante a LEP: il processo di Higgs-strahlung (La sezione d’urto di produzione dipende solo da mH) LEP 2: s  mZ + mH LEP 1: s  mZ (grande accoppiamento alla Z) Fabrizio Palla INFN Pisa

  11. CERN DELPHI L3 Electrons Positrons OPAL LEP ALEPH LEP s=90 GeV L=2.4 1031 cm –2 s –1 s=130-208 GeV L= 1032 cm –2 s –1 N eventi/secondo=L*s Fabrizio Palla INFN Pisa

  12. Fabrizio Palla INFN Pisa

  13. Fabrizio Palla INFN Pisa

  14. Fabrizio Palla INFN Pisa

  15. Ricerche dirette a LEP 1 Coppie di leptoni acoplanari Eventi predetti A LEP1 Monojets (per 2 107 Z) Coppie acoplanari Getti acoplanari - BR(Z  Hff) Pochi eventi di fondo predetti Fabrizio Palla INFN Pisa

  16. - Ricerca di getti acoplanari (e+e- H) 20 Hnn eventi da ricercare (4 esperimenti, if mH = 65 GeV/c2) - 400,000 Full Data Sample Massa  mH 4.5 milioni Getti acoplanari 200,000 Missing Energy and Momentum Da distinguere tra 20 milioni di altri eventi dal decadimento della Z (o da altri processi) Fabrizio Palla INFN Pisa

  17. - • Due campioni principali: • Alta molteplicita’ (selezionati) • Bassa molteplicita’ (scartati) Ricerca di getti acoplanari (e+e- H) 70,000 eventi con MVIS 70 GeV/c2 : CUT 4.5 Million Z  hadrons ALEPH Tanti Z  adroni con missing energy - + 5 Hnn events ? (mH = 65 GeV/c2) Visible Mass (GeV/c2) Lots of gg interactions Pochi Z  t+t- con alta molteplicita’ Z  e+e- Z  m+m- Z  t+t- Poche interazioni gg Visible Mass (GeV/c2) • Origine della missing energy nel Z  adroni • Energia persa nella beam pipe • Radiazione nello stato iniziale • Decadimenti semileptonici dei quark b - Hnn aspettato ( 100) Fabrizio Palla INFN Pisa

  18. (Non instrumentata) Energia persa nella Beam Pipe ALEPH (70 736 eventi) - Z  qq : Due jets opposti Fascio Cut - - simulazione Hnn (a partire da 10 000 eventi) Hnn Fascio - Predetti nei dati: n Cut 5  67.09%  3.4 events n X30 60% X30 = Frazione dell’energia misurata Sopra 30 gradi dall’asse dei fasci Fabrizio Palla INFN Pisa

  19. - Energia persa nei decadimenti Semi-Leptonici del quark b Z  bb : Il n e’ nel jet ALEPH Data (26,041 events) n Cut Acollinearity  180 degrees - Hnn - - Hnn simulation (2.8 events expected) n Acollinearity << 180 degrees n Cut Acoll.  165deg. Acollinearity Angle (Degrees) Fabrizio Palla INFN Pisa

  20. Con i 4 esperimenti di LEP combinati, 4.0 eventi di segnale predetti. 1 evento di fondo. Nessuno osservato. Ricerche dell’Higgs a LEP 1: risultati Evoluzione temporale Fine di LEP1 70 60 50 40 30 20 10 0 1995 1994 1993 1992 1991 1990 Inizio di LEP1 1989 10-2 10-1 1 10 102 Million Hadronic Z decays 0.0  mH 65.6 GeV/c2 Escluso al 95% C.L. GO FOR LEP 2 ! Fabrizio Palla INFN Pisa

  21. Fabrizio Palla INFN Pisa

  22. Produzione a LEP2 206 204 202 208 e+e-  HZ Scoperta a 3s: mHs-mZ Fabrizio Palla INFN Pisa

  23. - Hnn He+e- Ricerche dirette a LEP 2 s = mZ Z  Hff - s  mH+mZ Hm+m- - Hqq • Sensibilita’ a 5s200 pb-1: • s = 192 GeV per mH = 100 GeV/c2; • s = 210 GeV per mH = 115 GeV/c2; Fabrizio Palla INFN Pisa

  24. Segnalecontro fondo (I) Occorre valutare quanto gli eventi candidati assomigliano al segnale e+e- ZZ s ~ 2 pb e+e- HZ s = 0.1 pb • Massa ricostruita del candidato H • altre variabili cinematiche; • b-tagging (lifetime, leptoni, …); Segnale Fondo - e+e-W+W- s ~ 20 pb e+e-qq s ~ 100 pb Fondo ++ Fondo + Zoom di 1cm attorno al punto d’interazione Fabrizio Palla INFN Pisa

  25. Identificazione di quark pesanti I quark b e c decadono debolmente Vita media lunga (~1.6 ps per i b)  ~pochi mm a LEP  10 cm Parametro d’impatto Masse dei vertici secondari mb5 GeV/c2, e mc1.5 GeV/c2. Leptoni: BR(bl)~10%  1 cm Fabrizio Palla INFN Pisa

  26. Identificazione di quark pesanti Rivelatori di vertice (Si m-strips) ALEPH VDET Fabrizio Palla INFN Pisa

  27. Traccia decadimento del B l~2.5 mm a LEP d0~400 mm l d0 Elementi di b tagging (I) Parametro d’impatto rispetto al vertice primario Dalla cinematica del decadimento il massimo pT ~ mb/2 Impulso trasverso del leptone rispetto all’asse del b Fabrizio Palla INFN Pisa

  28. Elementi di b tagging (II) Parametro d’impatto rispetto Al vertice primario Combinazione con Reti Neurali Impulso trasverso del leptone Rispetto all’asse del b Altre variabili di “shape” Fabrizio Palla INFN Pisa

  29. Segnalecontro fondo (II) Combinazione di b-tagging e della cinematica in una singola variabile: Neural Network / Likelihood / … : 103 102 10 1 Segnale di Higgs (mH = 100 GeV/c2) Data e+e- Z Z e+e- qq e+e- W+W- Backgrounds Segnale di Higgs (mH = 115 GeV/c2) In ogni bin, si puo’ definire la Probabilita’ che un evento i venga dal segnale(si) o dal fondo(bi), ed il peso per l’evento wi = si/bi 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 GLOBAL NEURAL NETWORK OUTPUT Fabrizio Palla INFN Pisa

  30. N Segnalecontro fondo (III) • Likelihood globale di un dato campione di eventi: Q = e-s(sibi)/bi; • Piu’ grande in presenza di segnale; • Log-Likelihood negativa L = -2 Log Q(piu’ piccola in presenza di segnale). i = 1 Signal + Background Background only 100 GeV/c2 (Expected) 107 GeV/c2 115 GeV/c2 Segnale? (Expected) Four Experiments s = 206 GeV One Experiment Fabrizio Palla INFN Pisa

  31. Modo di funzionamento di LEP (288) (272) • Notes: • 372 cavities: •  E = 220 GeV; • 4 straight sections • E = 240 GeV. (240) 206.5 GeV (176) 205 GeV (144 cavities) 208+ GeV mH 114.1 GeV/c2 esclusa al 95% C.L. Fabrizio Palla INFN Pisa

  32. Primi pb-1 sopra a 206 GeV First Candidate Event (14-Jun-2000, 206.7 GeV) _ _ e+e-  bbqq • Massa 114.3 GeV/c2; • Buon candidato HZ; • Non con WW o ZZ; • P(Background) : 2% • s/b(115) = 4.7 Missing Momentum High pT muon • b-tagging • (0 = light quarks, 1 = b quarks) • Higgs jets: 0.99e 0.99; • Z jets: 0.14e 0.01. Fabrizio Palla INFN Pisa

  33. Altri candidati a 115 GeV/c2 27-Jun-2000 Mass: 113 GeV s/b115 = 0.52 31-Jul-2000 Mass: 112 GeV s/b115 = 2.0 _ _ ALEPH DELPHI 21-Aug-2000 Mass: 110 GeV s/b115 = 0.9 e+e-  bbnn 14-Oct-2000 Mass: 114 GeV s/b115 = 2.0 L3 21-Jul-2000 Mass: 114 GeV s/b115 = 0.4 Fabrizio Palla INFN Pisa

  34. Limite combinato CERN-EP 2003-011 Fabrizio Palla INFN Pisa

  35. Tevatron • Operation 1985 - ora, FERMILAB, Chicago • Circonferenza 4 miles • Particelle protoni - antiprotoni • Energia del fascio 0.9 TeV  1 TeV • Luminosita’ 1030 - 1032 cm-2 sec-1 • Lint Run Ia+Ib : 110 pb-1 • Esperimenti CDF, DØ • Caratteristiche: • Ambiente ‘sporco’ (cfr LHC) • Alto rate d’interazione Fabrizio Palla INFN Pisa

  36. Fabrizio Palla INFN Pisa

  37. 8.56 fb-1 design plan 4.41 fb-1 base plan Fabrizio Palla INFN Pisa

  38. LHC • Operazone 2007 - ??, CERN, Geneva • Circonferenza 27 km (LEP tunnel) • Particelle protoni – protoni, ioni-ioni (Ca,Pb) • Energia del fascio 7 TeV • Luminosita’ 2*1033 - 1034 cm-2 sec-1 • Lint ?? • Esperimenti ATLAS, CMS, LHC-b, ALICE • Caratteristiche: • Ambiente ‘molto sporco’ • Rate molto alto (40 MHz) • Magneti superconduttori (8T) Fabrizio Palla INFN Pisa

  39. Fusione gg Fusione WW/ZZ Produzione associata WH, ZH Produzione associata Produzione dell’Higgs a LHC Sezione d’urto per pp  H + X Fabrizio Palla INFN Pisa

  40. mH > 130 GeV: H  ZZ(*)  4, (qq)H  WW (*) Principali canali di ricerca a LHC Fondo QCD proibitivo Molto difficile triggerare e selezionare stati finali totalmente adronici I canali piu’ promettenti sono con stati finali con ,  ( = e, ) mH < 130 GeV: Fabrizio Palla INFN Pisa

  41. Plot di scoperta & K-Factors Significance=S/B Effetto dei K-Factors=NLO/LO Fabrizio Palla INFN Pisa

  42. g g q g q g q g g g g q p0 H •  *BR  90 fb(NLO~2*LO!!) (BR  10-3 ) • Fondi : • - gg(irriducible): • sgg  2 pb / GeV • GH  MeV • - gj+ jj (riducible): • sgj+jj ~ 106sgg con grosse incertezze •  serve Rj > 103 con eg 80% per ottenere sgj+jj << sgg tagli in isolamento • Canale piu` impegnativo per calorimetri EM: • risoluzione in energia ed angolo • Separazione g /jet e g / p0 Occorre un’ottima risoluzione in massa invariante Fabrizio Palla INFN Pisa

  43. H • CMS: Efficienza di ricostruzione di un g ~74% • Perdite: • ~7% nella regione fiduciale • ~6% conversioni non recuperate • ~5% isolamento • ~10% reiezione dei p0 Fabrizio Palla INFN Pisa

  44. Il vertice primario e la ricostruzione in massa CMS: Vertice primario dato dalla traccia a piu’ alto pT Per l’80% degli eventi di Higgs |Zmeas-Zvero|<2mm, 60 mm risoluzione ATLAS:ECAL ha una segmentazione longitudinale che permette di stimare il vertice primario senza bisogno del tracciatore Fabrizio Palla INFN Pisa

  45. H: i primi O(10fb-1) • Controllo dei fondi studiando le side-bands • Con una statistica di ~30 fb-1 si controlla il fondo allo 0.5% • Problemi strumentali • ECAL: • Occorre una calibrazione della scala energia e calibrazione intermodulo conosciuta al meglio del 0.6%, limitata dalla conoscenza del materiale del Tracker • Tracker (per CMS): • Importante per l’isolamento (reiezione del fondo) • Occorre per la determinazione del vertice primario Fabrizio Palla INFN Pisa

  46. CMS: calibrazione di ECAL Dato il ritardo nella costruzione di ECAL, al massimo si potranno calibrare ¼ dei moduli di ECAL nel test beam. Calibrazione intermodulo iniziale sfuttando I trigger di jets e sfruttando la simmetria in f degli eventi in anelli di h. Si puo’ raggiungere il 2% in meno di un giorno di run Calibrazione in-situ usando E/p dai decadimenti del W ~2 mesi Fabrizio Palla INFN Pisa

  47. Scan of a barrel module with 245 GeV e- r.m.s.  0.67% over ~ 500 spots ATLAS: calibrazione di ECAL ctot = cL cLR<0.7% cL  “local” constant term (480 regioni in  x  =0.2 x 0.4) cLR long-range response non-uniformities of the 400 regions (module-to-module variations, different upstream material, etc.) • Dalla costruzione cL 0.5% dimostrato in test beam • Utilizzando le Zee (~1Hz/die) per ottenere cLR<0.4% occorrono pochi giorni a 2x1033 ma un ottima conoscenza del materiale del tracciatore Fabrizio Palla INFN Pisa

  48. H   : full simulation after correction before correction ATLAS: canali morti Requirement : fraction of dead channels < 0.3%  dedicated warm and cold tests of each module and then of the assembled detector in Building 180 (ongoing ..) Fabrizio Palla INFN Pisa

  49. H 100 fb-1/experiment No K-factors Phys. Rev. D 62, 013009 Fabrizio Palla INFN Pisa

  50. H: ATLAS vs CMS • ATLAS ha una peggiore risoluzione energetica ~(1.1 GeV/c2) rispetto a CMS (0.8 GeV/c2) • CMS ha un grosso campo magnetico che fa perdere una buona frazione di fotoni che convertono nel Tracker • Sia ATLAS che CMS hanno circa la stessa potenzialita’,ma non e’ un canale di scoperta con 10 fb-1 di luminosita’ integrata Fabrizio Palla INFN Pisa

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