tevatron verso lhc alla ricerca dell’higgslacaprar/talks/ifae_20020404_richiggstev… · top...

XIV Incontro sulla Fisica delle Alte Energie, Parma 3-5 Aprile 2002

Incontri sulla Fisica delle Alte Energie

Parma, 3-5 Aprile 2002

Alla ricerca dell’Higgs:

Tevatron verso LHCStefano Lacaprara, INFN e Universitá di Padova=)

S. Lacaprara: Alla ricerca dell’ Higgs: Tevatron verso LHC 0


Sommario:

I Stato attuale: dove non é l’Higgs e dove potrebbe essere;

I Ricerca dell’Higgs a Tevatron;

I . . . e a LHC

I Prospettive: confronto Tevatron - LHC

I Conclusioni: quando e dove lo troveremo??



Limiti diretti:I Limite diretto da LEP2;

I mH0 > 114:1 GeV @ 95% C.L.;

I “evidenza” @ 2:2�: mH0 = 115:6 GeV

I Limite diretto Tevatron:

I �(p�p! HW=Z)� BR(H ! b�b)

< 8 pb @ 95% C.L.

I Standard Model:

� � BR � (5� 1)� 10�1 pbper mH0 � 90� 130 GeV;

I =) nessun limite!

-10

-5

0

5

10

15

20

25

100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120

mH(GeV/c2)

-2 ln

(Q)

ObservedExpected backgroundExpected signal + backgroundTest signal + background

LEP



Limiti indiretti:

I Fit S.M. ai parametri EW: mW ;mtop; : : : / log(mH0);

I mH0 = 88+53

�35GeV mH0 < 196 GeV @ 95% C.L.;

I Upper limit da consistenza S.M.: mH0 . 1 TeV.

80.1

80.2

80.3

80.4

80.5

80.6

130 140 150 160 170 180 190 200Mtop (GeV/c

2)

MW

(GeV

/c2 )

100

250

500

1000

Higgs M

ass (G

eV/c2 )

LEP2

D0

CDF

LEP1,SLD,νN data

MW-Mtop contours : 68% CL

80.1

80.2

80.3

80.4

80.5

80.6

130 140 150 160 170 180 190 2000

2

4

6

102

mH [GeV]

∆χ2

Excluded Preliminary

∆αhad =∆α(5)

0.02761±0.000360.02738±0.00020

theory uncertainty



Strategie di ricerca: � produzione

ps = 2; 14 TeV

σ(pp_→hSM+X) [pb]

√s = 2 TeVMt = 175 GeV

CTEQ4Mgg→hSM

qq→hSMqqqq

_’→hSMW

qq_→hSMZgg,qq_→hSMtt

_

gg,qq_→hSMbb

_

bb_→hSM

Mh [GeV]SM

10-4

10-3

10-2

10-1

1

10

10 2

80 100 120 140 160 180 200 0 200 400 600 800 1000.0001

.001

.01

.1

1

10

100p + p H + X s = 14 TeV

mt = 174 GeV

g g t t Hq q W H

q q Z H

M (GeV)

g g H

q q q q H

(p b

)σ

H

106

105

104

103

102

Eve

nts

for

105

pb–

1

CTEQ2L

Eve

nts

for

10

pb5

-1

I Processo dominante: gluon fusion gg ! H : richiede H � decay molto pulito;

I Vector Boson Fusion (VBF) qq ! Hqq: 2 forward jets! riduzione fondo.

I Prod. associata t�t ! Ht�t e qq ! (W=Z)H : riduzione segnale per ricostruzione

W=Z=top e possibilitá trigger su leptoni.



Strategie di ricerca: Higgs branching ratio

100 200 300 400 500 600

100

10−3

10−1

10−2

10−4

10−5

γ γ

Bran

ching

Ratio

Higgs Mass (GeV)

τ +τ −

ZZWW

_bb

_cc

tt_

I Canale puramente adronico molto complesso per background QCD:

�(gg ! H(120)! b�b) � (0:7�30 pb); �(b�b) � (1�500 �b)ps = 2�14 TeV

I Stato finale con �; e; : da H decay o prod. associata H + V (=W=Z)=top;

mH0 . 135 GeV 135 GeV . mH0 . 2mZ mH0 & 2mZ

HV ! b�b+ (l�; : : :) H ! V V � ! 4l; 2�2l; : : : H ! V V ! 4l; 2l2�; l�2j; : : :

H !

HV ! V V V � ! 3l3� qqH ! V V ! 2l2�; l�2j

t�tH ! t�tb�b HV ! V V V � ! 2l2�2j + forward jets



Tevatron: strategie di ricerca

I Run I: limitata luminositá

RL � 100 pb�1

I Run II: aumento L , improved detectors: tracking, accettanza, trigger, . . .Run IIa 2001� 03 � 2 fb�1

Run IIb 2003� 05 � 5 fb�1

Run IIb 2003� 07 � 15 fb�1

Run III(?) 2007� � 30 fb�1 (?)

I Canali piú promettenti: HW ! l�b�b, HZ ! 2�b�b, HZ ! 2lb�b

I Key-features: eff. b-tag, b-mistag, �mb�b=mb�b, MET , . . .

Significativitá

combinata per

tutti i canali



Tevatron: qq0 ! WH ! l�b�b

Trigger:

� l isolato alto pT ,

� MET,

� b-tag;Selezione:

l isolato pt > 20 GeV,

MET > 20 GeV,

2 b�tag jetsEt > 10GeV, j�j < 2:0,

jet veto,

top veto (

PET < 175 GeV),

utilizzo Neural Network.

Fondi:

? Wb�b non risonante: fondamentale

�mb�b=mb�b,

? WZ importante se mH0 � mZ ,

? t�t; tb; tqb

Risultati:

I Segnale: � �BR� �(� 2%) �

8� 4 fb (mH0 � 90� 130 GeV)

I Fondo: � � � � 50� 30 fb (tagli-N.N.)

Significativitá (N.N., 2 esperimenti):

RL dt 2 fb�1 5 fb�1 15 fb�1 16:5 fb�1

S=p

B (mH0 = 120 GeV) 1:74 2:7 4:76 5S. Lacaprara: Alla ricerca dell’ Higgs: Tevatron verso LHC 7


Tevatron: qq0 ! WH ! l�b�b, ZH ! 2�b�b; 2lb�b

Se �mb�b=mb�b � 15%! 10%

=) S=p

B * 20� 30%

ZH !

2�b�b

� Selezione: MET+2 b-tag, seleziona anche WH ! l�b�b l perso;

� fondi: ZZ; Zb�b; t�t; QCD(b�b), ultimo difficile da stimare.

� S � 10� 6 fb;B � 60� 20 fb, (mH = 90� 130 GeV), �2 da QCD(b�b)

ZH !

2lb�b

Selezione: 2 l isolati, ml� � mZ , 2 b� tag, top-veto,. . .

Fondi: ZZ; Zb�b; t�t

S � 1:3� 0:6 fbB � 2:5 fb (mH = 90� 130 GeV)

RL dt 2 fb�1 5 fb�1 15 fb�1 S=p

B = 5

S=p

B ZH(120)! 2�b�b 1:4 2:3 3:8 25 fb�1

S=p

B ZH(120)! 2lb�b 0:9 1:5 2:6 55 fb�1S. Lacaprara: Alla ricerca dell’ Higgs: Tevatron verso LHC 8


Tevatron: 130 . mH0 . 190 GeV

I Produzione: gluon-fusion, vector boson fusion;

I Decadimento: H !WW �=ZZ�

I � �B:R:(H !WW ! 2l2�) � 10 fb�efficienza! ) Alta luminositá!

H !WW ! 2l2� :

Signal� 2:6� 1:1� 0:8 fb,

Background� 44� 3� 8 fb,

mH0 = 140� 170� 190 GeV

Alta luminositá anche per significativitá

3�

I Canale (W=Z)H ! (W=Z)WW ! l�l�jj +X : 2 leptoni stessa carica.

S=p

B � 3 per mH0 = 170 GeV e

RL = 30 fb�1.



LHC:

10060

5

10

15

20

25

200 300 400 500 700 1000

mH (GeV)

D_D_

990n

Signif

icanc

e

CMSStandard Model Higgs

105 pb-1

γγ

γγ + ≥ 2 jets

S= NSNB

S= NSNB

S= NS

NS + NB

Expected observability of Standard Model

Higgs in CMS with 105 pb-1

H → ZZ, ZZ* → 4 ±

H → WW →

γγ

νν

H → ZZ → νν

40

35

30

1

10

10 2

102

103

mH (GeV)

Sig

nal s

igni

fican

ce H → γ γ + WH, ttH (H → γ γ ) ttH (H → bb) H → ZZ(*) → 4 l

H → ZZ → llνν H → WW → lνjj

H → WW(*) → lνlν

Total significance

5 σ

∫ L dt = 100 fb-1

(no K-factors)

ATLAS

canale mH0 range H0 prod.

t�tH ! t�tb�b 80� 130 ass. prod.

H !

80� 150 gg fusion

(W=t�t)H !

80� 140 ass. prod.

H !

(j=l) 80� 140 gg fusion

WH ! l�b�b 80� 120 ass. prod.

H ! ZZ�

! 4l 120� 180 gg fusionH !WW

�

! 2l2� 150� 190 gg fusionWH !WWW

�

! 2l�2�(l�=jj) 150� 190 ass. prod.

H ! ZZ ! 4l 180� 800 gg fusion

qqH ! ZZ ! 2l2� 400� 1000 WW fusion

qqH !WW ! l�jj 400� 1000 WW fusion

. . .



LHC: H !

I Segnale: � �B:R:(H !

) � 50 fb

I Background irriducibile: qq !

�

� 2 pb=GeV�(m

) � 1:1� 0:6 GeV (ATLAS/CMS);

I Background riducibile: j + jj � 106�

Ottima rejezione =j, =�0;

000

500

000

500

000

105 120 135

mγγ (GeV)

0

500

1000

1500

105 120 135

mγγ (GeV)

Sign

al-b

ackg

roun

d, e

vent

s / 2

GeV

Atlas: 100 fb�1mH0 = 80 100� 120 140

ATLAS+CMS 60 fb�1 4:2 4:9 3:1ATLAS+CMS 100 fb�1 5:5 6:3 4:1



LHC: t�tH ! t�tb�b

I Segnale: � �B:R: � 300 fb

I Stato finale molto complesso:

t�tH ! t�tb�b!WbWbb�b! l�bjjbb�b

I Background: combinatorio (4 b-jets), W+multjets,

t�tb�b non-risonante, t�tjj;

I Necessaria ricostruzione entrambi top-quarks;

0

50

100

150

0 100 200 300

mbb (GeV)

Even

ts / 1

6 Ge

VAtlas: 100 fb�1

S=p

B (mH0 = 120 GeV; 30 fb

�1) � 3 (K = 1)� 5 (K = 1:5)



LHC: WH ! l�b�b

� Segnale: � �B:R: � 60 fb

� Background: Wb�b, WZ , t�t, Wjj, . . .

� S=p

B � 2:3� 1:5� 0:55R

L = 30 fb�1

(mH0

= 100� 120� 140GeV )

� Ricerca non possibile a bassa luminositá)

? Necessaria

RL molto alta per scoperta: +

? S=p

B = 5 per

RL � 100 � 300 � 500 fb�1

mH0 = 100� 120� 130 GeV

? Utile per misura accoppiamentoWWH ;



LHC: H ! ZZ ! l+l�l+l�

� Segnale: � �B:R:(H = 150 GeV) � 5:5 fb

� Segnale molto pulito, facile per trigger e analisi!

� Background: � � B:R: : ZZ� ! 4l � 0:2 fb,

t�t! 4l � 2 fb, Zb�b! 4l � 1:5 fb

� Piccom4l chiaramante visibile sopra fondo continuo:

�m � 1:5 GeV

� Segnale visibile 130 . mH0 . 600 GeV;

� Se mH0 > 2mZ , entrambe Z reali, ulterioreriduzione fondo.

M(H) GeV100 200 300 400 500 600

5

10

15

20

25

σ5

30 fb-1



Tevatron vs. LHC: confronto

Prod. H0 �LHC=�Tevatron

gg fusion � 100

t�tH � 100

V BF � 10

Background �Tevatron �LHC

�(WZ) � 2:5 pb � 26 pb

�(WW ) � 8:5 pb � 70 pb

�(t�t) � 6:5 pb � 600 pb

�( QCD jets

pt > 30GeV ) � 1 �b � 100 �b

Canale Tevatron LHC

H !

� �BR . 1 fb + � �BR � 70 fb *

t�tH ! t�tb�b � �BR � 3 fb difficile � �BR � 300 fb *

WH ! l�b�b � �BR � 20 fb * � �BR � 200 fb difficile

H ! ZZ ! 4l � �BR � 0:07 fb + � �BR � 5:5 fb **S. Lacaprara: Alla ricerca dell’ Higgs: Tevatron verso LHC 15


Tevatron vs. LHC: pro and cons

Tevatron

* Grande esperienza a RunI;

* per la massima L , acceleratore, rivelatori, fisica ben studiati e noti!;

* sta giá prendendo dati oggi!

+ per scoperta 5� necessaria alta

RL ) 2006� 2007;

+ difficile coprire range massa& 130 GeV;

I analisi giá in stato molto avanzato (likelihood, N.N., K-factor, . . . ), difficile grande

miglioramento;

I scoperta H0 difficile in un singolo canale, necessaria complessa analisi statistica;

I mH0 = 115 GeV:

esclusione 95% C:L:@ 2 fb�1 (2003);

evidenza 3� @ 5 fb�1 (2005?);

scoperta 5� @ 15 fb�1 (2007?);



LHC

+ Partirá nel 2006, 10 fb�1 per inizio 2007 (salvo ulteriori sorprese . . . );

* con 10 fb�1 scoperta a 5� su tutto il range di masse 100! 1000 GeV;


XIV Incontro sulla Fisica delle Alte Energie, Parma 3-5 Aprile 2002+ In realtá “appena” 5� per mH0 . 130 GeV;

+ Rivelatori nuovi, acceleratori nuovi, trigger complesso, fisica mai vista

p14 TeV,

. . . Servono 10 fb�1 buoni, difficile che siano i primi;

+ per alcuni canali (es. t�tH) stima fondo non é accurata (solo LO, K=1, . . . );

* analisi generalmente basata su semplici tagli: puó migliorare molto (analisi multi-dimensionale, N.N., . . . );

* K factor (di solito non usato) sembra piú alto per segnale che per fondo;

* alcuni canali potrebbero aumentare significativitá: VBF qqH ! qq + x, H !

j,

H ! �� , . . . ;

* assunzioni (efficienza, b-tag, K-factor, . . . ) in genere conservative;

* molti canali diversi e complementari in tutto il range di massa, ognuno con alta significa-tivitá;

I a “regime” sará relativamente facile trovare l’Higgs, ma quanto lavoro/tempo servirá per

arrivare a regime?



Conclusioni:

I Il bosone di Higgs (S.M.) potrá essere scoperto (> 5�)& 2007;

I Se leggero m . 130 GeV giá da Tevatron, altrimenti solo da LHC;

I “Competizione” Tevatron/LHC nel 2006=2007 se LHC sará pienamente operativo

dall’inizio;

I Tevatron potrá dire molto (esclusione e/o evidenza a 3�) giá dal 2003� 2005;

I i primi “buoni” 10 fb�1 all’LHC troveranno (o non troveranno) l’Higgs S.M. su tutto il

range 100� 1000 GeV;

I Quando saranno disponibili? Ritardi possono venire da problemi finanziari ma probabil-

mente anche da tuning rivelatori/acceleratori/analisi/fondi.

I La ricerca dell’Higgs é una vera sfida per tutti: acceleratori (grande

ps, altissima L , ...),

rivelatori (trigger, ricostruzione, risoluzione, P.I.D., . . . ), analisi, teoria:

non possiamo non trovarlo!


tevatron verso lhc alla ricerca dell’higgslacaprar/talks/ifae_20020404_richiggstev… · top...

Documents