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Fisica del bosone di Higgs a LHC

Fisica del bosone di Higgs a LHC. - Ricerca dell’ Higgs: principali canali di ricerca dell’ Higgs “standard”, problematiche sperimentali e teoriche nel controllo dei fondi. Ricerca dell’ Higgs nel “Minimal Supersymmetric Standard Model” (MSSM):

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Presentation Transcript

  1. Fisica del bosone di Higgs a LHC • - Ricerca dell’ Higgs: • principali canali di ricerca dell’ Higgs “standard”, • problematiche sperimentali e teoriche nel controllo dei fondi. • Ricerca dell’ Higgs nel “Minimal Supersymmetric • Standard Model” (MSSM): • decadimenti degli Higgs supersimmetrici (5 nel MSSM) • in particelle standard e/o in super-particelle leggere Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  2. Le aspettative dal Tevatrone C’è un Higgs a 115 GeV ? Dovremo comunque attendere fino al 2007 ... A tutt’oggi (Maggio ’06): Lint(Tevatrone)~ 1.6 fb-1 Al Tevatrone, il processo rilevante è quello di W-stralung (analogamente a quello di Z-stralung a LEP): q W W* q’ H seguito dal decadimento H bb : non facile... Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  3. Ricerca dello SM Higgsa LHC: i “golden channels” Higgs branching fractions: serve “aiuto” per mH115 ... mH=130 difficile 103 H “facile” 100fb-1 “abbastanza facile” Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  4. Meccanismi di produzione dell’Higgsa LHC: “gluon fusion” La “produzione associata” Higgs-top, Higgs-W può essere d’aiuto a bassi valori di massa (dove la ricerca è più difficile) Meccanismi di produzione più importanti “Vector boson fusion” (da quark scattering) (dominante a LEP, Tevatron) Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  5. Ricerca dell’Higgs a LHC:il caso di “bassa” massa (mH~115-120 GeV) LHC : 1-10 fb-1 per il 2008 ? H  4 leptoni H gg, bb “produzione associata” Htt (trigger di leptone singolo: t  m/e X ) : canale promettente, in aiuto al ”classico” H gg Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  6. Produzione associata: ttH Come a LEP, il b-tagging potrà risultare cruciale (almeno per le ricerche dell’ Higgs a bassa massa): Htt  bb + 4jets l n FAST simulation ... e ancor più negli scenari Super-Simmetrici (vedi dopo; in particolare: t tagging) Tuttavia, studi recenti basati sulla simulazione completa del rivelatore hanno dato risultati meno ottimistici… Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  7. Hgg Per mH 115-130 GeV il canale Hgg resta comunque il più importante, nonostante il basso branching fraction: decadimento: BR(Hgg )  10-3 produzione: t g H0 t t g Essenziale un’ ottima risoluzione del calorimetro e.m.:sE/E  1-2 % la richiesta di 2 jets ( => produzione qqH) diminuisce drasticamente il fondo mH=120 Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  8. HWW  l n l n ( l = e, m) Nella regione mH 130-180 GeV il canale HWW diventa il più importante CMS: selezione di eventi con di-muoni a High Level Trigger segnale HWW  2m 2n Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  9. HWW  l n l n ( l = e, m) Predizione simulazione a LHC (CMS): Dati reali al Tevatrone (D0): segnale segnale Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  10. HWW  l n l n ( l = e, m) tt 2l X H 2l 2n bb 2l X E1stjet • Reiezione dei fondi: • isolamento leptoni • (=> rigetta bb jets, • top) • pT > 25, 20 GeV/c • (=> bb ) • veto su jets “centrali” • (=> top) • ETmiss> 40 GeV/c2 • ( => Z, top) • Fondo “irriducibile”: • produzione incoerente • di WW Importante e’ la risoluzione in ETmiss> del rivelatore: Z/g* DrellYan processes H 2l 2n Corso SM, Dottorato, XX ciclo (next slide)

  11. Signal region Wt/tt region HWW  l n l n ( l = e, m) La produzione incoerente di WW puo’ essere soppressa con un taglio sull’ angolo tra i due leptoni Selezione finale: • Nota: esperimento di conteggio (non c’e’ un segnale risonante) • e’ cruciale il controllo della sistematica dovuta al fondo il levello del fondo deve essere estraploato dai dati (=> mimimo uso delle predizioni MonteCarlo…) Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  12. HWW  l n l n ( l = e, m) Metodo: si definisce per il fondo una “selezione di riferimento”, si usa il MonteCarlo per estrapolare il fondo da questa alla regione di segnale Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  13. H ZZ* 4l ( l = e, m) La regione 130-180 GeV è comunque accessibile anche al canale H ZZ* (ma statistica decisamente inferiore!): Fondi principali: - produzione incoerente di coppie di Z; - tt  4l X - Z + bb jets  4l X Per confronto: qqH, H  WW L=60 fb-1 Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  14. H ZZ* 4l ( l = e,m) Low mass region: The 5s discovery for MH > 130 GeV/c2 with ZZ*->4l: H->ZZ*->4m 20 fb-1 High mass region: H->ZZ->4m 20 fb-1 Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  15. H ZZ ad alte masse (mH>0.5 TeV) • Per mH>0.5 TeV la sezione d’urto di produzionde diventa piccola: - e’ necessario utilizzare anche i decadimenti adronici di una delle due Z • cio’ e’ possibile, perche’ a masse elevate, il fondo da jets di QCD • e’ piccolo • - tuttavia, la ricerca necessita di elevata luminosita’ integrata: 100fb-1 Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  16. Possibilità di scoperta dello SM Higgs: sommario Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  17. Fisica oltre lo SM: bosoni di Higgs in SUSY Nelle teorie SuperSimmetriche (vedi dopo) il settore di Higgs si arricchisce di nuove particelle; nell’ estensione supersimmetrica Minimale del modello standard (MSSM) vi sono due doppietti (complessi) di Higgs che danno luogo a 5 campi scalari fisici (3 neutri e 2 carichi; degli 8 gradi di liberta’ originari, 3 sono assorbiti per dare massa ai bosoni W,Z, come nel Modello Standard) La fenomenologia degli Higgs supersimmetrici comprende : - Higgses prodotti via SM diagrams - decadimenti “standard” - decadimenti in s-particles - MSSM Higgses prodotti in decadimenti di squarks/ gluini L’ importanza relativa dei vari processi dipende dagli spettri di massa delle varie particelle (Higgs e “s-particles”), che a loro volta dipendono dai parametri di input scelti nello spazio dei (molti!) parametri della teoria Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  18. Teorie Supersimmetriche • Supersimmetria (SUSY): postula una nuova simmetria tra fermioni e bosoni; • il generatore (o i generatori) del nuovo gruppo di simmetria, che estende • il gruppo di Poincare’ delle roto-traslazioni, trasforma • i fermioni in bosoni e viceversa: Q|y> = |f>, Q| f> = |y> • Q induce un cambiamento di spin ½ (carica spinoriale), e la sua • conservazione richiede valgano le regole di anticommutazione con i • generatori del gruppo di Poincare’: • [Qa,Qb] = 2gmabpm • [Qa,Mmn] = (1/2)smnQa • [Qa,pm] = 0 • (g matrici di Dirac, s matrici di Pauli, a,b =1,2,3,4indici spinoriali) • La supersimmetria connette i gradi di liberta’ interni con quelli esterni dello spazio-tempo => una sua formulazione locale include automaticamente la gravita’ Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  19. Teorie Supersimmetriche (II) • Per ogni particella ordinaria esiste una controparte • supersimmetrica : fermioni (spin ½) <=> s-fermioni (spin 0) • (quarks, leptoni) (s-quark,s-leptons) • bosoni di gauge (spin 0) <=> gaugini (spin ½) • g, Z, W fotino, Zino, Wino • Higgs Higgsino • Viene risolto il problema della divergenza ultravioletta della massa • dell’ Higgs (problema della “naturalezza”: abnorme ‘fine-tuning’ necessario • nella teoria ordinaria per mantenere finita la massa dello • scalare, “proteggendola” dalle loop corrections: • dmH2 •  g2 d4k/k2 J=1 J=0 J=1/2 + + Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  20. Teorie Supersimmetriche (III) In SUSY, si hanno automatiche cancellazioni dei vari contributi, perche’ particelle e super particelle intervengono nel loop con segni opposti; le cancellazioni sono esatte se tutte le particelle sono degeneri ed hanno le stesse costanti di accoppiamento; una massa dell’ Higgs dell’ ordine o inferiore a 1 TeV richiede che la supersimmetria sia rotta su questa scala (ossia le masse delle Superparticelle si differenzino a questa scala: |mB2–mF2| < 1 TeV2 ) I gaugini, partner supersimmetrici dei bosoni di gauge: fotino, Wino, Zino e i partners dei bosoni di Higgs: “higgsini” H1, H2 non sono autostati di massa. Questi sono i “neutralini” c01,2,3,4e i “chargini” c1,2, che si ottengono da gaugini e higgsini attraverso una matrice di mixing che dipende da tre parametri, la “masse di Maiorana” dei gaugini M1,M2,M3 associate ai Sottogruppi SU1,SU2,SU3 dello standard model alla scala di Grande Unificazione Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  21. Particelle Supersimmetriche Gli autostati di massa (neutralini e chargini) sono misture di higgsini e Wini/Zino,fotino Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  22. Teorie Supersimmetriche (IV) Ulteriori aspetti che rendono attrative le SUSY: Modifica l’evoluzione delle costanti di accoppiamento nelle Equazioni del Gruppo di Rinormalizzazione (RGE) importanti implicazioni cosmologiche (vedi dopo) Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  23. “MSSM” Il “Minimum Supersymmetric Standard Model” (MSSM) e’ l’ estensione minimale del modello Standard, quella cioe’ che prevede il minimo spettro di particelle compatibile con l’esistenza della supersimmetria. Ad esempio, prevede l’ esistenza di due soli doppietti di Higgs (e’ il minimo numero necessario per dare massa sia ai fermioni che agli s-fermioni) Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  24. Settore di Higgs: dallo SM al MSSM Nel Minimal SuperSymmetric Model vi sono due doppietti di Higgs: Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  25. “Constrained” MSSM Nella versione “constrained” (CMSSM), si ipotizza che alla scala di Plank vi sia un unico parametro di massa universale per tutti i gauigini, m1/2 , ed un’ unica massa universale per gli scalari, m0. L’intero spettro di bassa energia (ossia quello osservabile sperimentalmente) delle particelle supersimmetrice dipende da questi parametri e dalle costanti di accoppiamento, ed e’ calcolabile in funzione di questi parametri di input attraverso le equazione del gruppo di rinormalizzazione. Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  26. “Constrained” MSSM Le sezioni d’urto dei processi di produzione di s-particles (e quindi le capacita’ di scoperta , “Physics reach”, per una data luminosita’ integrata per una macchina ad una certa energia) vengono riportate nel piano (m0, m1/2) nel quale vengono scelti dei ‘benchmark points’, per i quali vengono fatti gli studi fenomenologici dettagliati Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  27. “Constrained” MSSM Esempio di “bench-mark point” (punto nello spazio dei parametri scelto per calcolare in dettaglio lo spettro delle s-particelle, simulandone la produzione e le possibili catene di decadimento nei rivelatori) questo scenario implica la possibilita’ di decadimenti dell’Higgs in s-particles e.g. (vedi dopo): A, H  20 20  4l+ ETmiss l+ l- 10 Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  28. Rottura spontanea di simmetria in SUSY • I possibili modelli supersimmetrici si differenziano (anche) per la • modalita’ attraverso la quale avviene la rottura spontanea di simmetria, • ossia per quali sono i campi attraverso cui la rottura di simmetria • viene comunicata dal settore di campi supersimmetrici in cui la • simmetria e’ nascosta (particelle e s-particelle hanno la stessa massa: • cosa evidentemente falsa: un s-elettrone di 511 keV non esiste…) • al settore visibile dello spettro ‘reale’ del MSSM. • Cio’ avviene attraverso interazioni che possono essere: • Gravity mediated: i termini di lagrangiana di ‘susy breaking’ • contengono superpotenziali con il gravitone ( e.g. “mSUGRA”) • Gauge mediated: il superpotenziale e’ costruito da campi di • ordinari di gauge • (+ altri scenari anomali/esotici “ASMB”) • La spettroscopia risultante dipende anche da questo… Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  29. Rottura spontanea di simmetria in SUSY Esempi di spettri in differenti scenari di Susy Breaking Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  30. Settore di Higgs nel MSSM A livello albero, tutte le masse degli Higgs sono determinate da solo due parametri, ad esempio: mA, tanb rapporto tra i v.e.v: <f>/<f’> massa dello pseudoscalare neutro Le correzioni radiative modificano sensibilmente questa predizione (altrimenti lo MSSM sarebbe già stato eliminato da LEP...) Tuttavia... Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  31. Masse degli Higgs nel MSSM Nel MSSM, ci deve essere almeno unHiggs leggero, h0 (mh0 130 GeV per qualsiasi valore di mA, tan b): Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  32. Costanti di accoppiamento mixing stop-sbottom Higgs couplings to fermions: _ f H H f • proportional to mass  3rd generation favoured • tan benhances couplings to down-type fermions Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  33. Sezioni d’urto Le sezioni d’urto dipendono drasticamente da tan b: tg b=1.5 tg b=30. H0 h0 Mh/H(GeV/c2) Mh/H(GeV/c2) Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  34. b q g h/A/H Limiti su MSSM a LEP q b CDF tanb LEP ha già fatto un buon lavoro di esclusione, ma in una regione limitata dello spazio dei parametri...: Maximal Stop mixing 10 1 Mh> 84 GeV 0. mh 140. 0. mA 300. No mixing e+ A Z* LEP 10 e- h 1 0. mA 300. 0. mh 140. Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  35. MSSM a LHC La copertura dello spazio dei parametri viene notevolmente estesa: I decadimenti nel t giocano un ruolo essenziale: h0,A0,H0tt • tt  jet + jet • tt  lepton + jet • tt  lepton + lepton Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  36. BR di h0,A0,H0 I BR (h0,A0,H0tt ) sono dell’ ordine del 10% : Canale “raro” ma non troppo... Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  37. La identificazione del te il b-tagging saranno essenziali per “chiudere” lo spazio dei parametri: MSSM a LHC... Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  38. MSSM a LHC... H+ tn : b t g t t b H+ n g b Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  39. MSSM a LHC... il segnale di h0 dovrebbe sempre essere trovato: stessa tecnica (stessi problemi...vedi sopra) di HSMgg al di sotto di questo “triangolo” nel piano (mA,tanb) si rischia di avere una sola “segnatura” disponibile.... nuove idee per coprire la regione a bassi tan - alti mA Corso SM, Dottorato, XX ciclo

  40. Higgs light sparticles Se i neutralini e/o chargini (mixing delle controparti supersimmetriche dei bosoni di gauge, i gaugini, e dei bosoni di Higgs, gli higgsini) sono sufficientemente leggeri, l’Higgs supersimmetrico puo’ decadere, oltre che in particelle ordinarie, anche in tali s-particelle: ~ = 0 A0 … interesting coupling: (neutralinos) H0 ~ = 0 Z0 Most promising decay channel: A, H  20 20  4l+ ETmiss l+ l- 10 Corso SM, Dottorato, XX ciclo

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