m H

Il bosone di Higgs a LHC
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
1
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
 mH < 120 GeV
: ppW±HX, ZHX, ttHX, W/Z/ttℓ±, H ;
: ppW±HX, ZHX, ttHX, H  bb;
 120 < mH < 150 GeV : ppHX,
 150 < mH < 200 GeV : ppHX,
H  ZZ*  4ℓ±;
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
2
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
3
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
4
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
5
pp  HX a s = 14 TeV - plot
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
6
pp  HX a s = 14 TeV - diagrammi
g
g

q
q’
H
t

W,Z
W,Z
?
?
?
H




t

g
H
g
t bar
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
q
q bar
W,Z
+
H
… + altri …
W,Z
7
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 :
(H  ff ) 
  1
2 3
c
G
m
m
 ;
4 2π F H f
4mf2
mH2
;
1 leptoni
c
;
3
quark

GF mH3
(H  VV )  k
 (1 4 x  12 x 2 );
8 2
  1
4mV2
mH2
;
1 W 
x 2; k
;
mH
1 2 Z
mV2
tot (mH )   j (H  f j f j )
 k (H  VkVk ).
• la somma corre su tutti i
valori di j,k cinematicamente
consentiti ad una data mH;
• per mH >> mz,
tot (TeV)  ½ mH3 (TeV).
• pertanto, se mH > 2 mW,Z, preferenzialmente H  W,Z; se invece mH < 2 mW.Z,
Hƒƒ; ƒ è il fermione di massa maggiore cinematicamente permesso;
• all’aumentare (ipotetico) di mH si aprono nuovi canali, e pertanto H aumenta.
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
8
accoppiamenti “vietati”
ricordare :
•HZZ
•H
•ZH
•Hgg
no (spin-statistica, a tutti gli ordini);
non all’ordine più basso (H neutro !!!);
non all’ordine più basso (Z, H neutri !!!);
non all’ordine più basso (Higgs non ha interazioni forti).
???
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
9
decadimento del bosone di Higgs
100
B.R. (Higgs X)
b bbar
+c cbar
10-1
gg
W+WZZ
10-2

Z
t tbar
10-3
50
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
100
200
mH [GeV]
500
1000
10
decadimento del bosone di Higgs - domande
100
B.R. (Higgs X)
b bbar
+c cbar
10-1
gg
W+WZZ
10-2

?
?
?
10-3
50
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
100
Z
t tbar
200
mH [GeV]
500
1000
11
larghezza del bosone di Higgs
H [GeV]
102
~mH3
a mH1.4 TeV
non è più una
“particella”.
101
100
10-1
10-2
10-3
50
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
100
200
mH [GeV]
500
1000
12
ricerca del bosone di Higgs
• a seconda di mH, l’Higgs
decade in modo differente
WW(*) ℓ+ℓ-
 ricerche differenti della
“stessa” particella;
ttH, Hbb
• in sostanza, tre regimi
separati :
 H (vedi);
W/Z/ttℓ±,H
WW,ZZℓ±jj, ℓ+ℓ-jj
 mH<2mW,
discreta
statistica,
H  ZZ  4ℓ±, ℓ+ℓ-

problemi da reiezione
di fondi;
LEP II
 mH>2mW,
ZZ* 4ℓ±
piccola , problemi da
50 100
200
500
1000
statistica × BR(ℓ±).
mH [GeV]
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
13
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
ATLAS,
100 fb-1
14
CMS : H, mH=130 GeV
CMS, 100 fb-1
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
15
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
16
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).
ATLAS
mH=120 GeV
100 fb-1
non mi sembra il canale più
adatto alla scoperta …
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
17
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) :
ATLAS
1033 cm-2 s-1
 pT1,2 > 20 GeV;
 pT3,4 > 7 GeV;
 |1,2,3,4| < 2.5;
•  dipende da L (pile-up).
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
18
H  Z Z*  4ℓ± - 2
ATLAS, 1033 cm-2 s-1
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
19
H  Z Z*  4ℓ± - 3
 (risoluzione di massa) in GeV, in funzione di mH;
“Low” = 1033 cm-2 s-1;
“High” = 1034 cm-2 s-1.
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
20
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
ATLAS
21
sommario : 110 < mH < 2 mZ
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
22
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.
ATLAS,
mH=300 GeV
se potessi scegliere io,
deciderei mH = 300 GeV.
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
23
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
ATLAS,
100 fb-1
24
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 :
ATLAS,
30 fb=1,
mH=600 GeV
 ×BR  1/6;
 tagli simile (ETM  pT2ℓ);
 vincolo m() = mZ  no fondo t t.
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
25
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-);
ATLAS,
300 fb-1
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
26
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
ATLAS,
300 fb-1
27
Significanza statistica (s/b)
significanza statistica per ricerca di higgs
100
H, WH, ttH (H)
ttH (Hbb)
HZZ(*) 4ℓ±
HWW(*) ℓ+ℓ-
HZZ ℓ+ℓ-
HWW ℓ±jj
totale
in realtà, nel MS, 30 fb-1
sono sufficienti per 5  …
10
5
ATLAS
Ldt = 100 fb-1
1
100
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
mH [GeV]
1000
28
significanza statistica di CMS
CMS,
L=100 fb-1
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
29
arrivederci presto (nel 200?)
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
30
Fine - Higgs a LHC
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC
31