i l bosone di higgs a lh c
DESCRIPTION
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: ppHX,H ; m H < 150 GeV: ppW ± HX, ZHX, ttHX,W/Z/tt ℓ ± , H ; - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 1
Il bosone di Higgs a LHC
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 2
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 : ppHX, H ; mH < 150 GeV : ppW±HX, ZHX, ttHX, W/Z/ttℓ±, H ; mH < 120 GeV : ppW±HX, ZHX, ttHX, H bb; 120 < mH < 150 GeV : ppHX, H ZZ* 4ℓ±; 150 < mH < 200 GeV : ppHX, H WW(*), ℓ+ℓ-; mH > 170 GeV : ppHX, H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- ; mH < 300 GeV : ppHX, 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].
La fisica di LHC - sommario
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 3
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].
Nota bene
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
• [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).
limiti sperimentali per mH
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
q
q’
W,ZW,Z
H
q bar
qW,Z
W,Z
H
t
t bar
Hg
g
gHt
g
+
… + 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,
Hƒƒ; ƒ è il fermione di massa maggiore cinematicamente permesso;• all’aumentare (ipotetico) di mH si aprono nuovi canali, e pertanto H aumenta.
;Z21
W1;;41
);1241(28
)(
;quark3leptoni1
;41
;)(
2
2
2
2
23
2
2
3224
k
mmx
mm
xxmGkVVH
cmm
mmGffH
H
V
H
V
HF
H
f
fHFπc
.)(
)()(
k kk
j jjHtot
VVH
ffHm
• la somma corre su tutti i valori di j,k cinematicamente consentiti ad una data mH;
• per mH >> mz,
tot (TeV) ½ mH3 (TeV).
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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).
???
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decadimento del bosone di Higgs
50 100 200 500 100010-3
10-2
10-1
100
mH [GeV]
B.R
. (H
iggs
X
)
b bbar
+-
c cbar
gg
W+W-
ZZ
Z
t tbar
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decadimento del bosone di Higgs - domande
50 100 200 500 100010-3
10-2
10-1
100
mH [GeV]
B.R
. (H
iggs
X
)
b bbar
+-
c cbar
gg
W+W-
ZZ
Z
t tbar
???
!!!
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larghezza del bosone di Higgs
50 100 200 500 100010-3
10-2
10-1
100
101
102
mH [GeV]
H [G
eV]
~mH3
a mH1.4 TeV non è più una “particella”.
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 13
ricerca del bosone di Higgs
1000
• 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±).50 100 200 500
mH [GeV]
LEP II
W/Z/ttℓ±,H
ttH, Hbb
ZZ* 4ℓ±
H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ-
WW,ZZℓ±jj, ℓ+ℓ-jj
WW(*) ℓ+ℓ-
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H • piccolo BR (10-3, dovuto ad em
2)
×BR = 3050 fb per mH < 140 GeV;
• piccoli fondi (º, Zee|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].
ATLAS,100 fb-1
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CMS : H, mH=130 GeV
CMS, 100 fb-1
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H W / Z ℓ±
• richiesta : pp HW oppure HZ oppure ttH, H ; ~ 1/50 di ppHX (se si richiede ℓ± nello stato finale);• vantaggi :
minore fondo; determinazione
migliore del vertice d’interazione dal ℓ±;
forse possibile anche W/Zjet jet (vincolo di massa);
studio degli accoppiamenti (HW oppure HZ), test del MS;
ATLAS
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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).
ATLASmH=120 GeV
100 fb-1
non mi sembra il canale più adatto alla scoperta …
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H Z Z* 4ℓ± - 1• per HZZ, 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) : pT
1,2 > 20 GeV; pT
3,4 > 7 GeV; |1,2,3,4| < 2.5;
dipende da L (pile-up).
ATLAS1033 cm-2 s-1
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H Z Z* 4ℓ± - 2
ATLAS, 1033 cm-2 s-1
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 20
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.
ATLAS
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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; ET
M > 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”).
ATLAS
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sommario : 110 < mH < 2 mZ
ATLAS
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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) pT
1ℓ,2ℓ > 20 GeV; pT
3ℓ,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.
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H ZZ 4ℓ±, ℓ+ℓ- - 2 : mH > 600 GeV
• canale ℓ+ℓ-;• fondo dominante : Z/* Z/* 4ℓ± (come a LEP II);
• tagli (ATLAS) pT
1ℓ,2ℓ > 40 GeV; |1ℓ,2ℓ| < 2.5 nessun altro ℓ±; m(ℓ+ℓ-) = mZ ± 6 GeV; pT
ℓℓ > mH – 350 GeV; ET
M > 150 GeV; 1 jet a || > 2.
• osservabilità facile, ma richiede molti fb-1.
ATLAS,100 fb-1
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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, Wjj > 350 GeV;
m(jj) = mW ± 2 (1=57 GeV);
• per ℓ+ℓ-jj : ×BR 1/6; tagli simile (ET
M pT2ℓ);
vincolo m() = mZ no fondo t t.
ATLAS,30 fb=1,
mH=600 GeV
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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 27
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, …
ATLAS,300 fb-1
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 28
significanza statistica per ricerca di higgsS
igni
fican
za s
tatis
tica
(s/
b)
H, WH, ttH (H)ttH (Hbb)HZZ(*) 4ℓ±
HWW(*) ℓ+ℓ-HZZ ℓ+ℓ-HWW ℓ±jjtotale
100 10001
10
100
5
mH [GeV]
ATLAS
Ldt = 100 fb-1
in realtà, nel MS, 30 fb-1
sono sufficienti per 5 …
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 29
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 30
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.
CERN H8, estate 2001
Paolo Bagnaia - L'Higgs a LHC 31
Fine - Higgs a LHC