Simone Gennai Scuola Normale Superiore INFN Sez. di Pisa

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1 Simone Gennai Scuola Normale Superiore INFN Sez. di Pisa

2 2 Le previsioni del Modello Standard sono state verificate fino ad un precisione di 10-5 L unica particella predetta e ancora non scoperta rimane il bosone di Higgs, le misure di precisione condotte a LEP più la misura della massa del top quark a Tevatron suggeriscono un Higgs di massa: M H <196 GeV (C.L.=95%) Per evitare un poco elegante fine tuning dei parametri del MS si è portati a pensare che la scala della nuova fisica non sia a GeV ma intorno al TeV L esistenza di questa nuova fisica verrà studiata nei prossimi decenni, in quasi tutte le possibili forme, al Large Hadron Collider (LHC) attualmente in costruzione presso i laboratori del CERN

3 3 M H < 196 GeV (95% CL)

4 Aprile 2007: prima collisione, L=5x x10 33 cm -2 s -1 Agosto Febraio 2008: Physics run, Ldt = 10 fb : L= cm -2 s -1 1, per anno. Ldt Rate degli eventi: = 100 fb 100 khz dopo il L1 trigger. 100 Hz scritti su disco per analisi offline.

5 5 ATLAS: A Toroidal Lhc ApparatuS -Preciso sistema di tracciatura centrale -Buona copertura calorimetrica EM -Buona accettanza per i µ -Calorimetria adronica ermetica (buona misura jet e E t miss) CMS: Compact Muon Solenoid

6 6 CMS: HCAL ATLAS TileCal:

7 7 ATLAS: Magnete Toroidale CMS: Calorimetro Adronico

8 Detector Description 8 Magnet (s) Tracker EM Calo Had Calo Muon ATLAS Air-core toroids + solenoid inner cavity. Calorimeters outside field 4 Magnets Si Pixel + strips TRD for particle identification B=2T σ/p t p t 0.01 Pb - liquid argon σ/e 10%/ E uniform longitudinal segmentation Fe-scintillator +Cu liquid argon (10λ) σ/e 50%/ E 0.03 Air σ/p t 7% at 1TeV standalone CMS Solenoid Calorimeter inside field 1 magnet Si Pixel + strips B = 4T σ/p t p t PbWO4 crystals σ/e 3-5%/ E no longitudinal segmentation Cu scintillator (>5.8λ + catcher) σ/e 65%/ E 0.05 Fe σ/p t 5% at 1TeV combining with tracker

9 9 Modelli supesimmetrici (MSSM) Sono previsti 5 bosoni di Higgs (h,a,h,h +- ) che possono decadere sia in particelle del MS sia in quelle supersimmetriche (χ +,χ 0 ) A LO le sezioni d urto e i BR dipendono unicamente da M A e Tan(β). Scenari che comprendono Extra Dimensioni Possibilità di scoprire nuove particelle scalari attraverso il loro decadimento in bosoni di Higgs del MS.

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11 11 Il meccanismo prevalente è il gluon fusion h La teoria prevede una massa inferiore ai 130 GeV Le modalità di ricerca sono identiche allo Higgs del modello standard. Gli accoppiamenti però dipendono anche da Tan(β)

12 12 Sono 2 i meccanismi di produzione

13 13 I fondi di QCD sono i più pericolosi e i più difficili da controllare bb, χχ Canali più promettenti: A/H ττ ττ, µµ, bb Migliore risoluzione in m A 2% σ(bba+bbh)*br(ττ) pb tanβ = 45 tanβ = 30 tanβ = 10 H/A. ττ, stati finali con : 2 leptoni + ν: BR~ 12% leptone + τ jet + ν: BR~ 35% 2 τ jet + ν: BR~25%, 1 prong BR~44%, 1+3 prongs

14 14 I fondi principali sono: Z,γ* ττ tt Z,W+jet QCD Strategie di ricerca: Identificazione dei τ jet (isol., tracce alto P T ) : QCD, W+jets B-tagging (forward jet tagging) : Z,γ* ττ, QCD τ -tagging : QCD, Z ll, tt central jet veto : tt E t miss cut : QCD

15 15 Dato il boost dei tau, è possibile recuperare quasi completamente l informazione sulla loro energia aggiungendo il contributo dei neutrini Questo permette una migliore ricostruzione della massa invariante dei due jet

16 16 Risoluzione in massa per A/H Massa invariante dei taujet per M A =200 GeV CMS, 30 fb -1 Le tecniche di Btagging migliorano la risoluzione in massa invariante

17 17 Nella regione con tan(β) tra 4 e 10, i decadimenti in neutralini possono aumentare la sensibilità

18 18 Importante per valori intermedi Tan(β). ATLAS ATLAS Massa invariante dei 4l (M A =370 GeV) S+B -B Plot di scoperta (5σ) per H->χχ->4l+X per una L=30 fb -1. (m 0 =50, 100, 150, 250 GeV)

19 19 Principali meccanismi di produzione: gg tbh + gb th + (l unico implementato in pythia) qq H + Canali di decadimento: H + tb H + τν H + Wh, per piccoli tan(β) H + χ 0 iχ + j, ancora in fase di studio

20 20 H + tb, dominante per m H+ >200 GeV Piccola dipendenza da Tan(β) H + τν, BR 10% per m H+ fino a 400 GeV (Tan(β) alti)

21 21 Fondi principali: tt, Wtb and W+jets p π /E τ jet >0.8, E τjet T >100 GeV La correlazione tra spin e direzione di moto migliora la reiezione del fondo: lo spin del τ spin è opposto nei decadimenti da H + e W + I pioni dallo H + sono più energetici di quelli dal W + La possibilità di scoperta è limitata solo dalla statistica

22 Per ottimizzare il trigger e la ricostruzione si utilizzano I decadimenti semileptonici del W Fondi SM: ttb, ttj + b-mistag, ttbb Massa invariante: Top (adonici e semileptonici) Higgs (M H 350 GeV) preliminary 22

23 23 Determinazione della massa tramite la variabile m T (τ jet,e T miss ), per H + τν, tramite un fit su m T. La precisione è dominata dalla statistica Stima dei sistematici: forma dei fondi (10%), rate del fondo (5%), scala di energia (1% jets, 0,1% e,γ,µ) Stat. Error only CMS, 30 fb -1 σxbr tan 2 β at high tanβ tanβ can be measured from event rates. tan β 1 ( σxbr) = tan β 2 σxbr Incertezze sulla luminosità 10%

24 24 bulk Gravitons can be exchanged from brane to bulk branes Le sezioni d urto e i BR dipendono da 3 parametri: M φ, Λ φ, ξ Il modello di R.S. (ed in generale i modelli con E.D.) prevede l esistenza di una particella scalare φ che accoppia allo Higgs (radione). Oltre ai decadimenti di questa particella nelle particelle del MS, a LHC si cercheranno decadimenti di φ hh : γγbb ττbb l ν τ _jet bb

25 25 Massa invariante dei 2 h per m φ =300 GeV, Λ φ =1, ξ=0 signal Bkg Φ hh γγbb Φ hh ττbb lντ jet bb Luminosità minima per la scoperta

26 26 Uno degli scopi principali di LHC è la ricerca di segnali si nuova fisica alla scala del TeV. Tale ricerca comprende l esistenza di bosoni di Higgs in modelli Super Simmetrici e con Extra Dimensioni Nel MSSM sono previsti 5 bosoni di Higgs: A,H,h,H +. Molto lavoro è stato fatto per trovare le segnature migliori per la loro scoperta, tra questi i più interessanti: gb th + con H + tb, H + τν In scenari con E.D. sono stati investigati i decadimenti del Radione in coppie di Higgs.

27 27 h,a,h h,a,h,h ± h,h ± 4 Higgs osservabili 3 Higgs osservabili 2 Higgs osservabili 1 Higgs osservabile 5σ contours H,H ± h (SM -like) h,h Assumendo solo i decadimenti in particelle SM h,h,h ± h,a,h,h ± h,h ± In questa regione solo h può essere osservato