Ricerca del Bosone di Higgs a LHC

Ricerca del Bosone di Higgs a LHC
H (N
NLO
+NN
LL Q
CD
10
+N
LO
E
W)
pp A
1
-1
10
qqH
(NNL
O QC
pp
D+N
pp
A
LO E
A
W)
W
ZH
H
(N
(N
NL
NL
O
O
QC
QC
pp
D
A
D
+
+N
ttH
LO NLO
(N
LO
EW
EW
QC
)
)
D)
1
bb
ZZ
10-1
gg
oo
10-2
10-2
200
300
tt
cc
aa
80 100
WW
LHC HIGGS XS WG 2011
pp A
s= 8 TeV
Higgs BR + Total Uncert
m(pp A H+X) [pb]
102
LHC HIGGS XS WG 2012
Experimental View
400
1000
MH [GeV]
10-3
100
Za
200
300
400 500
1000
MH [GeV]
Daniela Rebuzzi
per i gruppi ATLAS e CMS di Pavia
Pavia - 4 luglio 2012
Il bosone di Higgs nel range di basse masse
Il Modello Standard non predice la massa del bosone di Higgs, ma predice la sua sezione d’urto, nota la massa
10
LHC HIGGS XS WG 2012
m × BR [pb]
• Canali di produzione
s = 8TeV
o+o-
WW A l± iqq
1 VBF H A o+o-
-
WW A l+il i
WH A l± ibb
-
ZZ A l+l qq
-1
10
-
ZZ A l+l ii
-
1
-1
10
10
bb
LHC HIGGS XS WG 2011
Higgs BR + Total Uncert
• Canali di decadimento
WW
gg
oo
10
10-4 100
ZZ
aa
100
120
150
aa
ttH A ttbb
200
250
Canali principali in 120<MH<130 GeV:
W/ZH→W/Z bb - H→γγ - H→ττ
H→ZZ(*)→4l/2l2ν - H→WW(*) →lνqq/lνlν/llqq
Za
140
-
ZH A l+l bb
l = e, µ
i = ie,iµ,io
q = udscb
MH [GeV]
cc
10-2
10-3
-3
-
ZZ A l+l l+l
-2
160
180
200
MH [GeV]
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2
Quanto è probabile un evento Higgs?
La produzione di un bosone di Higgs ha una sezione d’urto 10-10 volte più piccola di quella di un generico evento di background
proton - (anti)proton cross sections
9
9
10
10
8
8
σtot
10
7
10
10
Tevatron
LHC
5
σb
4
10
4
10
3
3
10
10
jet
σjet(ET
1
10
0
10
jet
σjet(ET
10
> √s/20)
2
10
σW
σZ
10
> 100 GeV)
10
1
0
-1
10
-1
-2
10
-3
σt
10
σggH(MH=125 GeV)
10
σWH(MH=125 GeV)
10
10
-2
10
-3
10
-4
10
-5
10
-2 -1
10
10
33
5
sezione d’urto MOLTO piccola
6
events / sec for L = 10 cm s
10
2
• L produzione di un bosone di Higgs ha una
7
10
6
10
σ (nb)
HE
LHC
• Gli eventi di background (per di più QCD
driven) sono estremamente più probabili
• Occorre una reiezione molto alta O(10-7)
-4
-5
-6
-6
10
10
√s = 7 → 8 TeV:
Higgs cross-section increases by
∼1.3 for MH ∼125 GeV
Similar increase for several
irreducible backgrounds
→ Expected increase in Higgs
sensitivity: 10 - 15%
WJS2012
-7
10
-7
0.1
1
10
10
√s (TeV)
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Complessità di un evento a LHC
1600 particelle cariche nel detector per evento e un evento ogni ∼10-7 s
• Hard process + ISR, FSR +
underlying event
• Circa 30 interazioni pp di
questo tipo per bunch
crossing
p
p
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• Collisioni a 20 MHz
4
Dalle interazioni di LHC alle analisi
• Selezione - quali e quanti eventi salvare (1 su 106)
• Ricostruzione - dalla risposta dei rivelatori agli oggetti fisici (e, mu, τ, γ, etc.)
• Analisi - dagli oggetti fisici all’evento
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5
H→γγ - massa invariante
Entrano nell’istogramma tutti gli eventi con due fotoni che sopravvivono ai tagli dell’analisi, segnale + bkgr
mγγ =
�
2E1 E2 (1 − cos α)
After all selections (10.7 fb-1, MH∼126 GeV):
∼170 signal events (total signal efficiency ∼40%)
∼6340 background events in mass window
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6
H→γγ - plot di esclusione
Con plot simili, combinando tutti i canali si osservazione, si arriva ad escludere la quasi totalità dello spettro di massa
dati
Sezione d’urto divisa per la
sezione d’urto aspettata in
caso di produzione di bosone
di Higgs del MS in funzione
del valore di MH
limite atteso in
assenza di Higgs
Limite medio (mediana)
aspettato in assenza di Higgs:
Higgs escluso al 95%CL sotto
questa linea!
Eccesso!
Quando i dati si trovano al di
sotto della riga 1 si raggiunge
un livello statisticamente
significante per permettere
l’esclusione
Eccesso = i dati stanno sopra il
background aspettato
Deficit = i dati stanno sotto il
background aspettato
Deficit
Escluso (95% CL): 112-122.5 GeV, 132-143 GeV
Aspettato: 110-139.5 GeV
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H→γγ - significatività statistica
Questo plot ci permette di stimare la rilevanza statistica dell’eccesso di eventi
Probabilità di ottenere
un risultato pari a (o
oltre) quello osservato,
se l’ipotesi di
background-only é vera
Osservazione effettuata su
piccole finestre di massa:
l’osservazione potrebbe essere
significativa solo in quelle
data regioni!
Per compensare si deve
applicare una tecnica
matematico/statistica nota
come Look Elsewhere Effect
(LEE)
Dati 2011+2012: 4.5 σ
Incluso LEE nel range 110-150 GeV: 3.6 σ
Atteso dal MS : 2.4 σ
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8
Evento candidato H→γγ
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9
(
)
H→ZZ * →4l
- massa invariante
Canale a più bassa statistica ma più semplice da ricostruire
In the 125 ± 5 GeV window
2011+2012
4µ 2e2µ
Data
6
5
Expected S/B 1.6
1
4e
2
0.5
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10
(
)
H→ZZ * →4l
- esclusione e p-value
Canale a più bassa statistica ma più semplice da ricostruire
Escluso (95% CL): 131-162, 170-460 GeV
Atteso: 124-164, 176-500 GeV
Dati 2011+2012: 3.4 σ
Incluso LEE nel range 110-600 GeV: 2.1 σ
Atteso dal MS : 2.6 σ
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Evento candidato
(
)
H→ZZ * →4μ
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Risultati combinati
(ATLAS)
L’eccesso è dovuto principalmente a H→γγ (4.5 σ) e H→ZZ*→4l (3.4 σ) - Significanza totale 5 σ
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Risultati combinati
(CMS)
L’eccesso è dovuto principalmente a H→γγ e H→ZZ*→4l (combinati sono già 5σ) - Significanza totale 5 σ
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Compatibilità con lo SM
Ora entriamo nell’era delle misure dei numeri quantici di questa particella!
mH ∼ 126.5 GeV
MH ∼ 126.5 GeV
Dati 2011
Dati 2012
Dati 2011+2012
1.2 ± 0.4
1.4 ± 0.4
1.2 ± 0.3
Buon accordo con un bosone di Higgs previsto
dal MS (con l’attuale statistica)
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SM
15
Conclusioni
Mma non si tratta della conclusione di nulla, au contraire..
ATLAS
• Esclusione al 95% CL dell’esistenza di un bosone di Higgs previsto dal MS fino ad
una massa di 557 GeV, con l’eccezione della finestra [122.7 - 129] GeV
• Eccesso di eventi per MH ∼ 126 GeV con significanza locale 5σ (4.1 - 4.3 σ globale)
- valore atteso dal MS 4.6 σ (probabilità che si tratti di una fluttuazione del
background maggiore di 10-7)
• Compatibilità con il MS: 1.2 ± 0.3
CMS
• Esclusione al 95%CL dell’esistenza di un bosone di Higgs previsto dal MS nei range
di massa 110-122.5 GeV e 127-600 GeV
• Eccesso di eventi ad una massa pari ad 125.3 ± 0.6 GeV con significanza statistica
pari a 5σ sopra il background atteso (probabilità che si tratti di una fluttuazione del
background maggiore di 10-7)
• Compatibilità con il MS: 0.80 ± 0.22
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Ma si tratta del bosone di Higgs del MS?
Non lo sappiamo ancora, la parte interessante della scoperta viene da questo momento in poi!
Dobbiamo misurare i numeri quantici di questa nuova particella:
• Non può avere spin 1 (decade in γγ)
• Non è un vettore (lo vediamo in ττ)
Gluon-gluon fusion:
• H→γγ: discrimina spin 0 e 2 tramite
l’angolo di Gottfried Jackson
• H→VV→4l: discrimina spin 0,1,2 e la
struttura CP tramite la massa invariante
dei due leptoni
è uno scalare o uno pseudoscalare
Produzione associata a due jet/
vector boson fusion
• I decadimenti H→γγ,VV,ττ permettono di
discriminare spin e struttura CP tramite la
differenza azimutale dei due jet, l’event
shapes (thrust, ...) e altri osservabili
• H→ττ discrimina CP (and spin) tramite
le correlazioni angolari
If it is the SM Higgs, it is very kind of him to be there:
accessible at LHC in γγ, ZZ→4l, WW*→lνlν, bb, ττ
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Backup Slides
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verifiche del MS
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dati 2011 at 7 TeV
Excluded at 95% CL
2.9 σ excess observed for mH ∼ 126 GeV
111.4 < mH < 122.1 GeV (except 116.6-119.4)
129.2 < mH < 541 GeV
Excluded at 99% CL 130.7 <mH < 506 GeV
Expected if no signal: 120-560 GeV
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Il meccanismo di Higgs at work
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Una collisione pp ad LHC
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evento candidato
(
)
H→ZZ * →4e
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