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I l bosone di Higgs a LH C

I l bosone di Higgs a LH C. La fisica di LHC - sommario. il bosone di Higgs nel MS; produzione di Higgs a LHC; decadimento ed osservabilit à dell’Higgs a LHC, in funzione di m H : m H < 150 GeV : ppHX, H  ; m H < 150 GeV : ppW ± HX, ZHX, ttHX, W/Z/tt ℓ ± , H ;

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I l bosone di Higgs a LH C

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Presentation Transcript

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

  2. La fisica di LHC - sommario • il bosone di Higgs nel MS; • produzione di Higgs a LHC; • decadimento ed osservabilità dell’Higgs a LHC, in funzione di mH : • mH < 150 GeV : ppHX, H  ; • mH < 150 GeV : ppW±HX, ZHX, ttHX, W/Z/ttℓ±, H ; • mH < 120 GeV : ppW±HX, ZHX, ttHX, H  bb; • 120 < mH < 150 GeV : ppHX, H  ZZ*  4ℓ±; • 150 < mH < 200 GeV : ppHX, H  WW(*),  ℓ+ℓ-; • mH > 170 GeV : ppHX, H  ZZ  4ℓ±, ℓ+ℓ-; • mH < 300 GeV : ppHX, H  WW, ZZ  ℓ±jj, ℓ+ℓ-jj; • 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

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

  4. limiti teorici per mH • la massa del bosone di Higgs è un parametro libero del MS; • però, la richiesta di non violazione dell’unitarietà pone un limite superiore mH < 1 TeV (approx.); • la ulteriore richiesta che il MS abbia consistenza fino ad una certa scala di massa  pone un limite superiore a mH (funzione di ); • la stabilità del vuoto pone un limite inferiore a mH. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

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

  6. pp  HX a s = 14 TeV - plot Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  7. pp  HX a s = 14 TeV - diagrammi t q g W,Z q H g H H H t W,Z W,Z g q’ g q bar W,Z t bar ! ! !   ? ? ?       … + altri … + Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  8. 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 : • pertanto, se mH > 2 mW,Z, preferenzialmente H  W,Z; se invece mH < 2 mW.Z, Hƒƒ; ƒè il fermione di massa maggiore cinematicamente permesso; • all’aumentare (ipotetico) di mH si aprono nuovi canali, e pertantoHaumenta. • la somma corre su tutti i valori di j,k cinematicamente consentiti ad una data mH; • per mH >> mz, • tot (TeV)  ½ mH3 (TeV). Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

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

  10. 100 b bbar +- c cbar B.R. (Higgs X) 10-1 gg W+W- ZZ 10-2  Z t tbar 10-3 50 100 200 500 1000 mH [GeV] decadimento del bosone di Higgs Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  11. 100 b bbar +- c cbar B.R. (Higgs X) 10-1 gg W+W- ZZ 10-2  Z t tbar 10-3 50 100 200 500 1000 mH [GeV] decadimento del bosone di Higgs - domande ! ! ! ? ? ? Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  12. 102 101 H [GeV] 100 10-1 10-2 10-3 50 100 200 500 1000 mH [GeV] larghezza del bosone di Higgs ~mH3 a mH1.4 TeV non è più una “particella”. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

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

  14. ATLAS,100 fb-1 H   • piccolo BR (10-3, dovuto ad em2)  ×BR = 3050 fb per mH < 140 GeV; • 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 (GeV); • tagli [ATLAS] : • pT > 40 GeV (1), > 25 GeV (2); • |1| < 2.4; |2| < 2.4; • (m) = 1.3 GeV (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

  15. CMS : H, mH=130 GeV CMS, 100 fb-1 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

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

  17. ATLAS mH=120 GeV 100 fb-1 H  b bbar  W / Z / t tbar  ℓ± • il canale prediletto a LEP II, a LHC ha troppo fondo; • inoltre BR diminuisce bruscamente per mH 2 mW; • utilizzabile, se un ℓ± aiuta la selezione; • b-tag fondamentale (discusso in precedenza). non mi sembra il canale più adatto alla scoperta … Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  18. H  Z Z*  4ℓ± - 1 • per HZZ, tre differenti regioni cinematiche (questa è la n. 1) : • mH < 2 mW, H  Z Z*, 1 vincolo m(ℓ+ ℓ-) = mZ; • 2 mW < mH < 2mZ, H Z Z depresso ~ 5%; • mH > 2 mZ, H Z Z, 2 vincoli m(ℓ+ ℓ-) = mZ; • tagli (ATLAS, 4) : • pT1,2 > 20 GeV; • pT3,4 > 7 GeV; • |1,2,3,4| < 2.5; •  dipende da L (pile-up). ATLAS 1033 cm-2 s-1 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

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

  20.  (risoluzione di massa) in GeV, in funzione di mH; “Low” = 1033 cm-2 s-1; “High” = 1034 cm-2 s-1. ATLAS H  Z Z*  4ℓ± - 3 Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  21. ATLAS H  WW(*)  ℓ+ℓ- • meglio se prod. associata WH (/100, no fondo); • tagli (ATLAS) • pT1ℓ > 20 GeV (se alta L, > 30); • pT2ℓ > 10 GeV; • |1ℓ,2ℓ| < 2.5; • leptoni isolati; • ETM > 40 GeV; • 1ℓ,2ℓ > 1 rad; • ℓept sys < 0.9 rad; • 1ℓ,2ℓ < 1.5 ; • no jets pT > 15 GeV |jet| < 3.2; • mT window [mH-30GeV, mH]; • riconoscimento statistico (no “picco”). Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  22. ATLAS sommario : 110 < mH < 2 mZ Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  23. ATLAS, mH=300 GeV H  ZZ  4ℓ±, ℓ+ℓ- - 1 : mH < 700 GeV • per mH < 700 GeV, meglio 4ℓ±, poi meglio ℓ+ℓ- (BR più alto); • fondo dominante : Z/* Z/*  4ℓ± (come a LEP II); • tagli (ATLAS) • pT1ℓ,2ℓ > 20 GeV; • pT3ℓ,4ℓ > 7 GeV; • |1ℓ,2ℓ,3ℓ,4ℓ| < 2.5; • larghezza sperimentale (rivelatore) ~ comparabile con tot; • osservabilità facile anche con pochi fb-1. se potessi scegliere io, deciderei mH = 300 GeV. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  24. ATLAS, 100 fb-1 H  ZZ  4ℓ±, ℓ+ℓ- - 2 : mH > 600 GeV • canale ℓ+ℓ-; • fondo dominante : Z/* Z/*  4ℓ± (come a LEP II); • tagli (ATLAS) • pT1ℓ,2ℓ > 40 GeV; • |1ℓ,2ℓ| < 2.5 • nessun altro ℓ±; • m(ℓ+ℓ-) = mZ ± 6 GeV; • pTℓℓ > mH – 350 GeV; • ETM > 150 GeV; •  1 jet a || > 2. • osservabilità facile, ma richiede molti fb-1. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  25. ATLAS, 30 fb=1, mH=600 GeV H  WW, ZZ  ℓ±jj, ℓ+ℓ-jj • fondo dominante : W+jet, t tbar  ℓ±, WW ℓ±; • tagli (ATLAS, ℓ±jj) • pTℓ > 100 GeV; • ETM > 100 GeV; • pT1j, 2j > 50 GeV; • pTW ℓℓ, Wjj > 350 GeV; • m(jj) = mW ± 2 (1=57 GeV); • per ℓ+ℓ-jj : • ×BR  1/6; • tagli simile (ETM pT2ℓ); • vincolo m() = mZ no fondo t t. Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

  26. ATLAS, 300 fb-1 misura di mH • test cruciale dello SM (ovvio); • richiede molta L; • dipende anche crucialmente dalla conoscenza della scala di massa (ex. da Z ℓ+ℓ-); Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC

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

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

  29. CMS, L=100 fb-1 significanza statistica di CMS 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

  30. arrivederci presto (nel 200?) CERN H8, estate 2001 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

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

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