Il Bosone di Higgs E parte del Modello Standard per mantenere l invarianza di gauge locale anche con bosoni W e Z massivi attraverso la rottura spontanea della simmetria Il modello non prevede la massa dell Higgs Prevede invece i suoi accoppiamenti
Il modello elettrodebole e la massa Ricordiamoci della rottura spontanea della simmetria esempio di densita di Lagrangiana di un semplice campo scalare del bosone di Higgs
Potenziale e simmetrie v = vev, vacuum expectation value
Nel modello SU(2)xU(1) L approccio perturbativo richiede una massa dell Higgs sotto il TeV Inoltre per masse piu grandi la diffusione WW WW diventa forte
ma con i dati sperimentali si puo fare di piu
Risultato di un fit globale delle osservabili elettrodeboli nel piano (m top, m higgs )
Blue band plot Winter 2007
Accoppiamenti dell Higgs Sono calcolabili dal modello fermioni bosoni (es.: ZZ) Tende a decadere nella coppia di particelle piu massive per cui il decadimento e permesso (ma non per il top )
Larghezza totale
Rapporti di decadimento Sotto la soglia di produzione di elettroni va in γγ attraverso loop (lunga vita media) Poi passa via via le soglie degli elettroni, mu, eventi a bassa moltiplicita (monojet), charm e tau Tra 10 e 130 GeV in bb (e ττ) Oltre i 130 GeV e il turno dei WW e ZZ
SM Higgs : decay B.R. Decay at LEP dominated by b s and to a lesser extent by tau s The same is true for h and A in MSSM
Higgs non solo nello Standard Model (Es.: MSSM) Two fundamental Higgs Doublets, five physical states Two CP-even neutral Higgs bosons, h and H (m h <m H ) One CP-odd neutral Higgs boson, A A pair of charged Higgs bosons (H + and H - ) H is too heavy for LEP H + and H - at tree level are higher than the W Many features depending on α, mixing angle in the CP-even Higgs sector tanβ, ratio of the vacuum expectation values of the two Higgs field doublets
Ricerca dell Higgs pre-lep Coperta la regione ma in maniera model dependent, a causa delle incertezze sul modo di produzione Unica regione coperta in modo sicuro da un beam dump experiment
Beam dump experiment and higgs-strahlung Elettroni da 1.6 GeV tungsteno L Higgs non interagisce ed esce dal bersaglio Si cercano decadimenti, cioe coppie e+e-, fuori dal bersaglio Il limite in questo caso e solido perche la sezione d urto di produzione e calcolabile con accuratezza
L Higgs a LEP1 (al picco della Z) Higgstrahlung dalla Z -->Hff Analisi con fondi molto bassi Fino a M Higgs =20 GeV/c 2 semplici topologie permettono una ricerca senza fondi I leptoni acoplanari Permettono di escludere Anche M Higgs =0 Monojet danno sensibilita fino a 20 GeV Z Z*
Esclusione a 95% CL per analisi senza fondi con risultato negativo (nessun evento) La probabilita di trovare 0 in un conteggio quando mi aspetto s e e -s Una ipotesi e esclusa con confidenza CL se Esclusione a 95% CL equivale a s=3
Sensibilita LEP1 per analisi senza fondi Prodotte 18 milioni di Z 3 eventi aspettati
Oltre M H =10 GeV produzione in coppie di B dominante I tagli di selezione non eliminano del tutto il fondo (topologie con background). Statistica finale : 13 eventi / 20.6 di fondo aspettati Escluse masse fino a 65.6 GeV/c 2 (a 95% Confidence Level)
Esclusione a 95% CL per analisi con fondi Problema: una fluttuazione negativa del background puo dare un limite artificiosamente alto si definisce
Produzione dell Higgs a LEP2 Higgstrahlung by far dominating IVB fusion Higgsstrahlung
Backgrounds X-sect g b b γ γ (*) more difficult when qqg with gluon splitting to bb or double radiative (a) (c) qq(γ) WW (b) ZZ HZ 100 pb 17 pb 1 pb (a) qq and Z return (qqγ), large but easy to reject (*) (b) ZZ, irreducible background for neutral Higgs (c) WW, irreducible for charged Higgs (d) Single W, missing energy but small ~ 50 fb
Backgrounds : the ZZ If we see the ZZ why should we miss the HZ?? Questo e anche un fondo irriducibile!
The topologies The Physics Tools 63% four jets 7% 20% lepton id missing energy lots of b-tagging b s can be replaced by taus
Ricostruzione Jet a LEP Jet rates
Esempio: b tagging dalla significanza del parametro di impatto
b tagging : lifetime tagging Energia dei B ~ 30 GeV, cammino tipico 3 mm a LEP Risoluzione prim. 50x10x60 µm Risoluzione sec. 300 µm
b-tagging tuned on data btag performance on udsc and b jets calibrated on Z peak data Residual difference taken into account in systematic error computation
Checking the b-tagging Data vs MC with independent selections With the b s... and without! Zγ events Y2K data Semileptonic WW events Y2K data
LEP ha permesso di esplorare la regione in massa fino al oltre 115 GeV
Esempio : Aleph Collected 216 pb-1 in Year 2000 Aleph efficiency is 95.8% SM Higgs evts produced
Example : four jet preselection Rejecting Z radiative returns Selecting four jets: cut un Y34, Ycut value for 3 to 4 jets transition and.1) at least 8 charged tracks cosθ <0.95, 2) at least one track/jet
Example : four jet NN Combine - b tagging - Y34 - mass of Z candidate di-jet - sum of the four smallest interjet angles - event shapes
Mass of Higgs candidates in Y2K si usa un fit cinematico (analogo alla misura di massa del W) NN Cuts
Mass of Higgs candidates in 1999 and with antibtag
Using all available information: the likelihood ratio Reduces to Poisson Statistics if f s =f b =1 (counting experiment) fs and fb are probability density functions that signal and bkg are found in a given final state with set of values Always at least one discriminant (the mass!) then in some channels/streams one more (b-tagging, NN output) discriminants
Are you Bayesian or Frequentist? The Modified Frequentist approach Used to set the 95% CL exclusion In the signal hypothesis the probability that I get a worst result is less than 5% Tool for discovery : The background hypothesis is falsified by a fluctuation of X sigma
Setting the Confidence Level Compatibility of an experiment with bkg hypothesis: Probability of obtaining -2ln(Q) smaller than the observed It is called (1-C b ) Gedanken experiments sig+bkg! bkg! Event weight!
Esempio: CL s dall analisi dell Higgs a LEP nel 1999 It tells us that the observed Higgs mass is > 107.9 GeV @ 95% CL The expected sensitivity on the Higgs mass is > 109.1 GeV @ 95% CL 95% CL
Esempio: CL b dall analisi dell Higgs a LEP nel 1999 It tells us that the bkg is ok and we have not found the Higgs, yet... 5 σ
ALEPH : the Y2K likelihood ratio bkg! NN! Cuts! Envelope of signal minima!
The background Confidence Level (1-C b ) NN! Cuts! Background probability = 1.5x10-3 Background probability = 1.1x10-3 Equivalent to 3.0σ or 3.2σ Equivalent to 3.1σ or 3.3σ (Single sided or Double sided integration)
The origin of the dip : The events weights NN! Cuts! The high purity events
[ [! [ Z Z!! [ Z [!!Z [ Z [[ [ Z [ Z Z!!!Z [[ [ Z [ IA(D2* (.063Q(((((( (((((((.0/3Q UT (!'3Q((((((((. ((((((((('3Q ST 2N0>.(O.P'.((!.P-(((&0*0(<QR0!! '>((MFC ",'5. [ kin. mass fit m H =112.4GeV m Z =93.3GeV ZZ hyp. Z m Z =102 GeV m Z =91.7GeV!! [ Z [ [ [ [! [
LEP Combined Confidence Levels
LEP Cb per esperimento e combinazione
Exclusione finale a 95% CL Esplorata la regione in massa fino a 115.3 GeV Escluso sotto i 114.4 GeV Tre candidati nel canale a 4-jet da Aleph ad alta massa ~ 115 GeV (eccesso solo Aleph 3σ, Lep combinato 1.7σ)
Higgs production at LHC
Higgs decay at LHC and Tevatron
LHC cross sections and rates At High Luminosity (10 34 cm -2 s -1 ) Inelastic: 10 9 Hz bb production: W l ν: 10 2 Hz t t production: SM Higgs (115 GeV/c2): Beam crossing every 25 ns 25 pileup event / beam crossing at High Lumi Need powerful detectors and powerful trigger! 10 6 Hz 10 Hz 0.1 Hz
The SM Higgs Boson should be discovered at the end of the low luminosity phase
Higgs ZZ 4 leptoni
H -> ZZ -> four leptons Clean but low statistics below 130 GeV and ~ 170 GeV
Mass below 130 GeV : H -> γγ
Mass below 130 GeV : H -> γγ Reducible background (γ+jet) Irreducible background (two photons, from quark-antiquark annihilation, or gluon-gluon through box diagrams) Background needs to be evaluated from data!
Mass below 130 GeV : H -> γγ CMS Recent new (2006) evaluation using NLO background (and signal) computations Background needs to be evaluated from data!
Mass around 160 GeV: H -> WW* W + W - Use the fact that H is spin 0 e + µ - Counting experiment : Need to normalize WW and ttbar background from data! Predicting effects from, for instance, jet-vetoes from Monte Carlo is dangerous.