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La Recherche du Higgs au TeVatron

La Recherche du Higgs au TeVatron. Phénoménologie du Higgs Modèle Standard Modèle Supersymétrique Minimal Stratégies de recherche Recherche directe du Higgs Outils d’analyse Canaux standard Canaux supersymétriques Prospectives Recherche indirecte du Higgs Observables

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La Recherche du Higgs au TeVatron

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  1. La Recherche du Higgsau TeVatron • Phénoménologie du Higgs • Modèle Standard • Modèle Supersymétrique Minimal • Stratégies de recherche • Recherche directe du Higgs • Outils d’analyse • Canaux standard • Canaux supersymétriques • Prospectives • Recherche indirecte du Higgs • Observables • Les Mesures de précision • Prospectives

  2. Phénoménologie du Higgsau TeVatron 1. Higgs dans le Modèle Standard 2. Higgs dans le MSSM

  3. Le Higgs dans le Modèle Standard • Le Higgs dans le Modèle Standard (MS) • Echelle de brisure de symétrie électrofaible: • v = (2GF)-1/2  246 GeV • v est la valeur moyenne ds vide • Masses des bosons: • Masse des fermions: (couplage de Yukawa) • Contraintes expérimentales: • Vérifie  (  MW/MZcosW)= 1 • Si multiplet i de Higgs (Yi , Ii) avec vi alors: • Solutions possibles: • Pas de courant neutre changeant saveur (Glashow,Weinberg) 0 v <>0  1/2 gv gv 2 2cosW mZ= mW= - Couplage en gfv/2 ff d’où: mf=gf v/2 Masse du Higgs = paramètre libre du MS: mH =  v Ordre 0 du MS !  vi2 l Ii(Ii+1)-(Yi2/4) l  vi2 (Yi2/2)   (Taxil, Gif 90) Ii(Ii+1) = 3(Yi2/4)    1 (I,Y)= (1/2,1) automatiquement OK, i

  4. Masse du Higgs : contraintes théoriques • Unitarité • Diffusion de bosons • VLVL VLVL diverge •  Contribution du Higgs • Unitarité si: • Trivialité • Evolution de (): EGR •  > 1 pour ~ L(landau) •  < 1 valable (L) • Stabilité du vide • V() doit avoir un “minimum absolu” • V() /  > 0 •  () > 0 •  mH() > Mmin Riesselmann, hep/ph-9711456 trivialité mH (2 /GF)½  700 GeV/c2 stabilité du vide R. Cahn / cours GIF mH< 82 v2 / 3 log(2/v2) V() FIG Morgan  v mH > 52 GeV/c2 à =1TeV

  5. Masse du Higgs Standard:contraintes expérimentales • Recherches directes • Recherches LEP: • e+e-HZ • ZH bb ll • ZH bb qq • Contraintes indirectes • LEP+SLAC+TeVatron • Détermination de: • mZ , mW , mt • sin2W, EM • Ajustement dans le MS: • mH , 2 LHWG Note/2001-03 – – – – Exclusion à 95% CL: mH > 114.1 GeV/c2 Candidats « Higgs » mH = 115 GeV/c2 P. Lutz / cours GIF LEPEWWG Note/2001-01 Favorise un Higgs mH < 300 GeV/c2

  6. Désintégrations du Higgsau TeVatron (MS) • Largeurs de désintégration • Modes de désintégration x=4m2/mH2 f HSM (HSMff)  NCGFmH mf2(1-xf)3/2 f V HSM (HSMVV) GFmH3(3xV2-4xV+4)(1-xV)1/2/xV V HSM g (HSMgg)  GF s2(mH)mH3( 1+O(s/) ) g M. Spira / HDECAY BR(HSM) MH [GeV/c2]

  7. Production du Higgsau TeVatron (MS) – • Mode pp (gg)  HSM • ~1 pb ie: ~ 1000 evts / fb-1 • ppbb,  (mH<135GeV) • ppWW* (mH> 135GeV) • Mode pp (qq’V*)  VHSM • ~0.2 pb ie: ~ 200 evts / fb-1 • ppV bb (mH< 135GeV) • ppV WW* (mH> 135GeV) • Sections efficaces • Modes exploitables: • qqHSMW, HSMZ • Modes noyés dans QCD: • qqHSMbb, • Sections [pb]: – – – – – – - – – (ppHSM+X) s = 2 TeV [pb] – – – – M. Spira / HDECAY – – – –

  8. Les fonds au Higgs (MS) • Higgs en VH  llbb (V=W,Z) • Production QCD bb • bb  100 b (~1/1000 dijet) • fond irréductible • Production W+jets • dddd • fond irréductible • Production de bosons • Zbb • Wbb • Higgs en H  WW* • Production di-boson • WW • ZZ • WZ • Production paires tt data / théorie ~ 2 !!

  9. Phénoménologie du Higgs standard – – – – – – – –

  10. Phénoménologie du Higgsau TeVatron 1. Higgs dans le Modèle Standard 2. Higgs dans le MSSM

  11. Le Higgs dans SUSY Minimal (MSSM) • Le secteur de Higgs dans le MSSM • Secteur de Higgs: • 2 doublets I=1/2 et Y=1 • Vérifie  = 1 (ordre 0) • Pas de courant neutre changeant la saveur • 5 états physiques: • 2 Higgs neutres (CP=+1): h,H • avec angle de mélange  • 1 Higgs neutre (CP=-1): A • 2 Higgs chargés: H+,H- • Structure du MSSM • 1 degré liberté MS  1 degré liberté SUSY (Taxil, Gif 90) ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

  12. Masse des Higgs MSSM:contraintes théoriques • Spectre à l’arbre • 2 paramètres libres • tan = vu/vd • mA (ou masse d’1 Higgs neutre) • Spectre / ordres supérieurs + 3 paramètres libres: • Mt = Masse des s-top • Xt = angle Mélange t •  = Masse des Higgs • Contribution à mh: mH2= mW2 + mA2 mH,h2= ½ (mA2+ mZ2  (mA2+mZ2) - 4mZ2mA2cos22 ) hep-ph/0010338   Mt = 1 TeV Xt max.  = -200 GeV  H h H+  Higgs Mass[GeV] t t t t h h h h    SUSY est brisée : Mtmt MA [GeV/c2]  3g2mt4Mt2Xt2 82 mW2 mt2 12 mh2mZ2+ ln +Xt2 1-  0 si Mt = mt augmente avec Xt

  13. Masse des Higgs MSSM:contraintes expérimentales • Higgs neutre h • Recherche directe à LEP • Luminosité L = 870 pb-1 • Energie s = 200-209 GeV • Canaux: • e-e+ Zh • e-e+ hA • Scénarios : • mélange maximal entre t1,t2 •  Cas le plus conservatif ~ ~ LHWG / Note 2001-04 LHWG / Note 2001-04 mh  90.1 GeV/c2 mA  91.0 GeV/c2 à 95% CL

  14. Masse des Higgs MSSM:contraintes expérimentales • Higgs chargés • Recherche directe à LEP • Luminosité L = 870 pb-1 • Energie s = 200-209 GeV • Canaux: • e-e+ H-H+ • H+cs, + • Scénarios : • fonction des hypothèses sur BR(H+ +) - Limite indirecte LHWG/Note 2001-04 LHWG / Note 2001-05 Recherche directe L=870 pb-1 mH+  78.6 GeV/c2

  15. Couplages des Higgs MSSM • Couplages des Higgs neutres • Couplages aux bosons: • ghVV2 + gHVV2 = (gHVV )2SM (unitarité) • ghVV = sin()(gHVV )SM & gHVV = cos()(gHVV )SM • Couplages aux fermions: • ghuu=[sin(-)+ cot cos()] (gHuu )SM • ghdd= [sin(-)– tan cos()] (gHdd )SM • gAuu5cotan et gAdd5tan Couplages MSSM < couplages standard !! – – – uu,cc,tt – – – bb,dd,ss,ll tan=3 tan=30 sin2(-) sin2(-) mA [GeV/c2] mA [GeV/c2] mA> 2 mZ (“découplage”):  h se comporte comme HSM  A,H et H dégénérés et M ~ 1 TeV/c2

  16. Phénoménologie de h/H (tan=6) BR(h/H) • Désintégration des h/H • Higgs léger h: • BR(bb) > 90% • BR(+-) < 8% • Higgs lourd H: • BR(bb) > 80% • BR(W+W-)< 12% • BR(+-) < 8% • Production des h/H • Higgs léger h: • (ppbb)~1 pb •  inexploitable • (ppWh)~0.15 pb • = analyse du MS • Higgs lourd H: • (ppHbb)~10 fb •  état final bbbb – H h – Mh/H [GeV/c2] [pb] (pph/H+X) h H – – – – – – – Mh/H [GeV/c2] tan=6:  Higgs h: analyse standard  Higgs H: analyse difficile

  17. Phénoménologie de h/H (tan=30) BR(h/H) • Désintégration des h/H • Higgs léger h: • BR(bb) > 90% • BR(+-) < 8% • Higgs lourd H: • BR(bb) > 90% • BR(+-) < 10% • Production des h/H • Canaux standards impossibles: • (hbb)~ 30(HSMbb) • Mais noyé par QCD • (Wh)/(WHSM) < 0.1 •  devient négligeable • Seuls canaux d’analyse: • (pphbbbbbb)~1-10 pb • (ppHbbbbbb)~0.1-1pb bb bb –   – h H HWW disparait Mh/H [GeV/c2] [pb] (pph/H+X) – – h H – – – – – – – – Mh/H [GeV/c2] – – tan=30:  Higgs h/H: seul canal possible  bbbb  Higgs h/H: canaux standard impossibles

  18. Phénoménologie du Higgs A • Modes de production • Bénéficie de couplages: • ggA, Abb  tan2 • Sections efficaces: • (bb,ggA) ~10-100pb • (gg,bbAbb)~1-10 pb • Désintégration du A • Rapport de Branchement: • BR(bb) > 90% • BR() < 8% • Faible dépendance en tan – – Etat final bb noyé par QCD bb ! – – – (ppAX) [pb] tan=30 (ppAX) [pb] tan=6 gg,qqAbb – gg,qqAbb – mA [GeV/c2] mA [GeV/c2] – bb BR(A) tan=6 –  – – Etat final bbbb ! Recherche du A : mA < 200 GeV/c2 – Recherche d’état final  bbbb – – mA [GeV/c2]

  19. Phénoménologie des Higgs H • Modes de production • 2 modes directs: • annihilation: <10 fb • associée W-H+ : <1 fb • 1 mode indirect: • pptt avec tH+b • possible si: • mH< mt-mb • tan ~ 1 et tan>>1 • Diminue avec mH+ (top off-shell) Modes ~ inaccessibles car  trop faible – (ppH+X) [fb] (tt)xBR(tbH+) – mH+=140GeV qqH+H- (ppH+X) [fb]  [pb] – bbH+W- mH+=200 GeV tan – – Recherche du Higgs chargé : mH< 200 GeV/c2 Production par paires de Top

  20. Phénoménologie des Higgs H • Modes de désintégration du Top • Désintégrations du Top: • Standard: tW+b • SUSY: tH+b • dépend de tan • Modes de désintégration du H • fonction (mH+ ,tan) • mH< mt-mb • BR(H )>90% • BR(H cb)~1% • mH>mt-mb • BR(Htb)~50% BR(tbH+) vs tan mH+=100 GeV/c2 mH+=120 GeV/c2 mH+=140 GeV/c2 mH+=160 GeV/c2 BR(tbH+) > BR(tbW+)  tan <1 et >30 tn tn BR(H+) tan=6 BR(H+) tan=30 tb tb cb cb cs cs Recherche du Higgs chargé:  indirecte: mesure de (ttW+bW+b)vs tt(theorique)  directe: apparition de H++ ?

  21. Phénoménologie du Higgs MSSM – – – – – – – –

  22. Recherche directe du Higgs: Les outils d’analyse 1. Le déclenchement 2. L’étiquetage des b 3. La résolution en énergie des jets

  23. Le déclenchement • Enjeu pour l’analyse: • Fond « dijet » • Discrimination basée: • topologie différente: • ddijetvers grand  •  recherche de jet de grand ET • nature des objets physiques •  recherche de leptons, • vertex déplacés • Limitations due à dijet : • Performances d’1 algorithme: • efficacité de sélection du signal • taux de dijets sélectionnés dijet ~ 106signal !! Il y aura **toujours** des fonds dijets dans la sélection declsignal (%) taux (Hz) Définition d’un déclenchement: – propre à l’analyse Higgs – en terme de (%) vs taux dijet (Hz)

  24. Déclenchement leptonique • Objectifs • Leptons mous ~ 3-5 GeV • Sélection de jet b: • bl+X • bJ/( ll)+X • Leptons durs ~ 10-100 GeV • Sélection W/Z: • HW(l), HZ(ll) • HW(l)W*(l) • Algorithme électron • Niveau 1: • Cluster dans calorimètre EM • Association avec gerbe dans preshower • Au moins 1 trace associée / secteur – Niveau 2: • • Cluster EM: isolation • • Association +précise: • preshower/EM • trace/Preshower • trace/Vertex

  25. Déclenchement leptonique: exemple des électrons • Performances • Electrons: • 1 e de haut pT • 2 e de faible pT • (BJ/Xee X)

  26. vertex primaire Déclenchement sur les Vertex déplacés • Objectifs et principe • Sélection de jets de b: • c(B) ~ qques mm • Vertex déplacé: • Traces à grand • paramètre d’impact • Algorithme • Niveau 1: • Jets avec ET >10-30 GeV dans calorimètre HAD • Lepton (blX) si possible – Niveau 2 • • Extrapole trace dans VTX • • Ré-ajuste traces :d0, pT • • Calcule l’erreur :d0 • • Calcule la Significance: S  d0/d0 > Smin Vertex primaire vertex secondaire d0 d0/d0

  27. Déclenchement sur les Vertex déplacés • Performances attendues • Réjection des jets provenant de VP • Efficacité typique: ZH bb • Vertex+énergie manquante • Efficacité ~ 30% • Autre processus: • Echantillons Zbb de contrôle: taux (Hz) declsignal (%) – – – – ~25,000 Zbb attendus / 1 fb-1

  28. Recherche directe du Higgs: Les outils d’analyse 1. Le déclenchement 2. L’étiquetage des b 3. La résolution en énergie des jets

  29. Etiquetage du b au Run I • Méthodes traditionnelles • Algorithme Lepton mou (CDF+DØ) • Lepton mou: • BR(BeX) = BR(BX) ~10% • Spectre pTl / jet • Algorithme Probabilité-Jet (CDF) • TPi: Proba. que trace i vienne • du VP (paramètre d’impact) • JETPROB: • plat (0,1) pour primaire • 0 pour jets de b,c e, pT JETPROB =TP1TP2... bottom charm primary VS VP d0

  30. Etiquetage du b au Run II • Séparation b/c • Différences entre jet b et c: • Temps de vie (Lxy/xy) • Masse Vertex (Mvtx) • Fragmentation / topologie: Fraction d’Energie chargée SumPtrel / axe du jet: jet pTrel SumDR / axe du jet jet R(tr, jet) = 2+2 • Combinaison par méthode de vraisemblance / Réseau Neurones DØ preliminary DØ preliminary Pavel Demine / ISN Combinaison : temps de vie + cinématique

  31. Etiquetage du b : Réseaux de Neurones • Réseaux de Neurones • Combinaison multi-variables • Basée sur simulation du signal et Fonds • Evaluation des corrélations • Sortie d’une variable unique § continue par jet: • « bottom-ness » (1 pour jet b,~0 pour c, uds) • « charm-ness » (1 pour jet c,~0 pour b,uds) • « Jet primaires » (1 pour jet uds,~0 pour b,c) charmness bottomness Primariness Output N(traces) SumDR JetProb SumPtrel Input M(cluster) yjet Npos-Nneg Zjet bottom charm “uds” Gain efficacité de +60% dans le double b-tag vs Run I Courtesy of Regina Demina / FNAL

  32. Etiquetage du b:Résumé au Run II • Algorithmes au Run II Bénéficient: • Reconstruction de vertex + performantes: • acceptance en z accrue jusqu’à 30 cm (CDF+DØ) • acceptance en  jusqu’à ||~ 2.0 • Reconstruction de traces améliorées: • deux systèmes autonomes, large acceptance (CDF) • nouveau détecteur de traces (DØ) • Performances attendues • Etudes sur simulations simplifiée: • étiquetage sévère: Vertex ~50% + 2lepton ~8% (CDF) • étiquetage « soft »: ~60% (pureté moindre) • Efficacité vs réjection:

  33. Recherche directe du Higgs: Les outils d’analyse 1. Le déclenchement 2. L’étiquetage des b 3. La résolution en énergie des jets

  34. Etalonnage de l’énergie des jets • Motivations • Erreurs dans la mesure de Ejet: • Ejet(particules)  Ejet(parton) • Sources d’erreurs: • échelle d’énergie du calo • définition d’1 jet: parton vs particules • Procédure 3 étapes : • Stabilité et uniformité du calo • pulser (source lumière) • flux d’énergie symétrique • en azimuth • muon • Echelle d’énergie absolue • trace/énergie: E/p • résonances 0, • J/ee, Zee • Lien entre Echelle Hadronique et Electromagnétique • modèles de fragmentation • contraints par faisceau-test • sur hadrons isolés • événements jet HAD calorimètre hadrons EM  K particules g parton q p p q

  35. Etalonnage de l’énergie des jets • Algorithme (DØ+CDF) Effets pris en compte: • Biais du calorimètre Eoff • Bruit électronique+fission Ur • Interactions multiples (~1 GeV / bin ,) • Quarks spectateurs (~0.6 GeV) • Réponse du calorimètre Rjet: • Emes/Evrai •  Calibration avec jets • Modèles hadronisation Scone: • Perte en-dehors du cone Calorimètre jet  Facteur Correctif Emesjet — Eoff Ejet = Rjet Scone Uncorrected jet energy [GeV]

  36. Résolution des Jets • Algorithmes et performances (DØ ) • Utilise les événements 2-jets / data • Mesure l’asymétrie: • Résolution: • ET/ET = A jet 1 ET(j1)—ET(j2) ET(j1)+ ET(j2) A= jet 2 0.20 0.15 E / ET 0.1 0.05 0 50 100 150 200 250 300 (ET1+ET2)/2 [GeV]

  37. Résolution sur M(jj) • Motivations • Reconstruction de Mbb=mH • Les problèmes: • radiations gluon ISR • radiations gluon FSR • étiquetage des jets • (combinatoire) • dépendance aux algorithmes de jets • Performances Montrent l’importance du: • étiquetage des jets b • interactions multiples • choix des algorithmes • de jets Besoin de corrections de Ejet: – spécifiques aux jets b – pour les faibles valeurs Etb~25GeV

  38. Résolution sur M(jj) avec Zbb • Motivations • Sélection de Zbb indispensable pour Hbb • étiquetage des b • résolution de Mbb • Echantillon disponible important • déclenchement spécifique • Algorithme (CDF Run I) • Sélection: • 1 single muon (b X) • 2 jets étiquetés-b dos-à-dos • Coupures Cinématiques – Optimisation de S/B: • • Minimise p(jet-b)mes–p(b)MC • • Utilisant pmes , mET • fraction chargée – Analyse **très** délicate: • • S/B ~ 1 / 106 avant coupure • • S/B ~ 1 / 30 après sélection CDF S ~ 50 evts / 0.1 fb-1 Mbb/Mbb ~ 15 %

  39. Résolution des jets avec Zbb • Performances attendues • Echantillon de Zbb • déclenchement single muon • déclenchement 2jet+vertex • Energie flow pour Ejet: • inclusion de p (traces) • mesure de gerbe EM à • l’extension maximale • (“shower Max”) S ~ 500 evts / fb-1 S ~50000 evts / fb-1 Technique de énergie-flow améliore /M de 30%

  40. Recherche directe du Higgs: Le Higgs Standard Higgs de masse < 135 GeV/c2 HWbbl HZbb HZbbl-l+ Higgs de masse > 135 GeV/c2 HWW* WH WWW* – – – – –

  41. Le canal WHlbb (1)  • Caractéristiques • Topologie Signal • 1 lepton dur • Energie manquante mET • 2 jets de b • Sections efficaces • Sélection • Pré-sélection: • Lepton ET, énergie mET • 2 jets b étiquetés • Veto 3ème jet • Variables discriminantes: • Lepton: ETl et l et mET • Energie des b: ETb • Masse Mbb (=mH  2m) • Energie totale jets HT • Sphéricité b e, b 

  42. Le canal WHlbb (2)  • Paramètres clef • Détecteur: • Résolution sur Mbb • Efficacité étiquetage b • Analyse NN: • Gain S/B de ~30% • Bonne connaissance • des fonds (MC) • Théorie • Section efficace (Wbb) • Performances attendues • Significance pour 1 fb-1 • Résolution M/M ~ 10% • Fonds dominants: Wbb et tt M/M ~ 159%  Gain de 1 Significance Résolutions: (mbb)= 9% (mbb)=12% (mbb)=15% 1 2 3 4 5 6 S ~ 5 evts / fb-1 S/B ~ 10%

  43. Le canal ZHbb (1)   • Caractéristiques • Topologie Signal: • Energie manquante mET • 2 jets de b • Sections efficaces: • Sélection • Pré-sélection: • Energie mET • 2 jets b étiquetés • Veto 3ème jet • Variables discriminantes: • Energies ETb et mET • Masse Mbb (=mH  2m) • Energie totale jets HT • Sphéricité , Centralité • (mET,jet)>0.5 b   b

  44. Le canal ZHbb (2)   • Paramètres clef • Détecteur: • Résolution sur Mbb • Efficacité étiquetage b • Résolution mET • Fonds principal: • QCD bb: data • (~106 x HZ et  << 1) • Analyse NN: • Gain S/B de ~30% • Théorie: • Calcul (Zbb) • Performances attendues • Résultats pour 1 fb-1 • Résolution M/M ~ 10% • Fonds dominants: Zbb, QCD bb R.Jesik / DØ S ~ 2 evts / fb-1 S/B ~ 15% distribution de MH

  45. Le canal ZHllbb (1)  • Caractéristiques • Topologie: • Energie manquante mET • 2 jets de b • Sections efficaces: • Sélection • Pré-sélection: • 2 leptons haut pT • 2 jets b étiquetés • Veto 3ème jet • Variables discriminantes: • Energie des b: ETb • Energie des leptons: ETl • Masse M(ll) • Masse M(bb) • Energie totale des jets HT • Ecart lepton,b : R(l,b) b e, b e,

  46. Le canal ZHl+l-bb (2)  • Paramètres clef • Détecteur: • Résolution sur Mbb • Efficacité étiquetage b • Résolution M(ll) • Analyse NN: • Gain S/B de ~30% • Etudes fonds sur data • Performances attendues • Significance pour 1 fb-1 • M/M ~ 10% • Fonds dominants: ZZ, Zbb ZHllbb+bb S ~ 0.4-0.9 / fb-1 S/B ~ 30-45% distribution de MH

  47. Le canal HW*W* l+l- (1) – • Caractéristiques • Topologie Signal: • 2 leptons durs • énergie manquante mET • Sections efficaces: • Sélection • Pré-sélection: • 2 leptons haut pT , mET • veto de jet de haut pT • Variables discriminates • Masse invariante m(ll) • Corrélations entre leptons: • (ll) , (ll) (H = spin-0!) • Paire leptons: • pT(ll) , cos (ll-mET) • Masse des clusters: • MC = pT2(ll)+m2(ll) + mET l- l+ E

  48. Le canal HW*W* l+l- (2) – • Sélection Utilisation de Fonction de Vraisemblance: • Choix de variables discriminantes ~ indépendantes • densités de probabilité: • Probabilité individuelle d’être S ou B: • pour chaque variable vi (/bin) • Fonction de Vraisemblance: • Produit des probabiblités • Représentation: • hautes valeurs pour S • Coupure en f(vraisemblance) vi(xi) hypothèse d’indépendance des variables

  49. Le canal HW*W* l+l- (3) –

  50. Le canal HW*W* l+l- (4) – • Performances • Reconstruction de Masse des “clusters”: • MC = pT2(ll)+m2(ll) + mET • Résultats pour 1 fb-1 • Fonds dominants: • WW, W+faux électrons, tt A.Turcot / BNL S ~ 1-3 / fb-1 S/B ~ 10-45% Pas de distribution mH

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