Post on 04-Apr-2015
J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 1
Le Higgs au Tevatron, LHC et ILC
OUOUQUANDQUANDCOMMENTCOMMENT
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Accélérateur 2009 2010 2013 ≥2015 ≥2018
TevatronTevatron 5 à 9 fb-1
LHC 30 fb-1 300 fb-1
S-LHC 1000 fb-1/an 1000 fb-1/an
200 fb-1/an 500 fb-1/an
Accélérateur Collision Energie c.d.m Statut
Tevatron Tevatron p p 2 TeV En fonctionnement (FNAL), arrêt probable en 2009
LHC p p 14 TeV Démarrage en 2007
S-LHC p p 14 TeV Upgrade du LHC en Lumi. , priorité du CERN
e+e− ≤1 TeV Démarrage en 2015 ??
Avec quelles machines ?Avec quelles machines ?
Pour quelles luminosités ?Pour quelles luminosités ?
« « International nternational Linear inear Colliderollider », Machine proposée , non encore décidée », Machine proposée , non encore décidée Même si l’ECFA, L’ACFA et la DOE en approuvent la priorité. Même si l’ECFA, L’ACFA et la DOE en approuvent la priorité.
basse lumi. 10 fbbasse lumi. 10 fb-1/an/an
haute lumi. 100 fbhaute lumi. 100 fb-1/an/an
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LHC LHC ILCILCTemps entre croisement 25 ns 200 ns
Taux d’empilements
par croisement 20 1
Réduction du « trigger » électronique
≈106 pas de trigger
Radiations
(vers l’avant ≈)1016 n/cm2/y 109 n/cm2/y
Énergie de l’interaction
au niveau partonique
distribué, en moyenne 1/6 des 14 TeV
Fixé à la demande jusqu’à 1 TeV (vrai à 98%
)
Conditions expérimentalesConditions expérimentales
Le détecteur est dans un environnement bien plus facile sur le ILC. (radiations ionisantes !!)
Les performances s’en ressentes
Performances sur Performances sur l’étiquetage des quarks bl’étiquetage des quarks b
ILCILC
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H
e+
e− e
eW*
W*
H
e+
e−
Z
Z
e+
e−
He+
e− Z
Z*
gg→H
VBF
Production du HiggsProduction du Higgs
H
H e+e−
H Z
H t t
H H Z H H
et production diffractive
pp→pp(TOTEM)
et collisionphoton-photon
→→
gg→H
A.Djouadi A.Djouadi A.Djouadi
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2 ordres de grandeur
Pour un Higgs de 120 GeVPour un Higgs de 120 GeV
1400 sont produits au Tevatron en 2009 sont produits au Tevatron en 2009
500 000/an au LHC à basse luminosité au LHC à basse luminosité
30 000/an au ILC au ILC
9 ordres de grandeur 11 ordres de
grandeur
MAIS
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on utilise des productions on utilise des productions associées, par exempleassociées, par exemple pp → WH → ℓ pp → WH → ℓ b b b bou pp ou pp →→ Z H Z H →→ b b b b
bb WW
ZZ
tt
cc
gg
A cause de ce niveau de bruit de fond
Btag, Energie manquante
Désintégrations du HiggsDésintégrations du Higgs(dans le modèle standard)
On utilise des On utilise des modes rares ,modes rares ,Mais au faible bruit de fondMais au faible bruit de fondPar exemple Par exemple
H → ou ou H → ZZ → 4 ℓ H → ZZ → 4 ℓ
Quelques 10Quelques 10-3-3
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Bruits de fonds en
q
q
g
g
) (
)(
H
~30 à 120 GeV
Irréductible mais pasde pic attendu, intérêt à unetrès bonne résolution en masse
q
g
(s)
0q)(
Hjj
~ 108
Un jet ou deux ressemblant à un photon, nécessité d’une excellenteidentification
Laurent Serin (Roscof 2003)
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Ça marche !!Exclue Exclue Par LEPPar LEP
LEP2
5
1 an basse lumi. !!!
ObservationObservation AttenduPour 2009
Hx4
CMS
- Le bkg est au niveau attendu- Le bkg est au niveau attendu- Le détecteur est sous contrôle - Le détecteur est sous contrôle
SI
La résolution en énergie est cruciale
La résolution sur la position du vertex La reconstruction des conversions
Le niveau du bruit de fond irréductible (NNLO , fragmentation,etc..) Le niveau du bruit de fond réductible ( isolé+jets)
Fermilab-pub-03/320E
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Étiquetage de jets à l’avant
Higgs
Proposé par Rainwater, Zeppenfeld et al.
Jet
Jet
Etude récente :Etude récente :Utiliser la production par fusion de boson (VBF) au LHCUtiliser la production par fusion de boson (VBF) au LHC
Le potentiel pour 300 fb-1
Performances à haute luminosité (pile-up, jets vers l’avant…)
Le niveau du bruit de fond QCD, la définition des jets à l’avant, etc…
Reste à voir H → qqZ
qqH
S/B
mm
30 fb-1
CMS
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e+e−→ ZZ HH
Observabilité indépendante des désintégrations du Higgs
Observation Observation
Pas de sélection sur le HiggsSignal observé dansla masse de recul au Z !!!
1 an haute lumi.
Masse de recul GeV
ZZ
ZH
140Higgs en particules non détectées (invisibles)observable jusqu’à un BR de 2. %
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Quelle est la masse Quelle est la masse (précision)
Quelle est la largeur totale
Quels sont les couplages(quel higgs ?)
Est-ce bien le Higgs(Spin parité, Violation de CP, couplage au quarks , autocouplage )
Après l’observation d’un pic en masse , il reste Après l’observation d’un pic en masse , il reste
EXEMPLE de EXEMPLE de complémentarité LHC-ILCcomplémentarité LHC-ILC
M< 200M< 200 ILC indirecte ILC indirecte à partir de à partir de BR(H→WW*) et ΓWW* extrait de extrait de
e+e− → WW*→ H
M> 200M> 200 mesure directe du mesure directe du LHCLHC H→ ZZ → 4leptonsH→ ZZ → 4leptons
ModèleModèleStandardStandard
mmHH
10-3
∆∆m
/mm
/m
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Γ(H→ff) = Nc g2 mf2 mH
32 mw2
=1 – 4 m=1 – 4 mff22/m/mHH
22
CouplagesCouplages
Γ(H→ff) = F( mH, mf2)
Connaissant précisément la masse du Higgs, etla masse des fermions, bosons, la mesuredes couplages est un test fort du modèle
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Mesure des couplagesMesure des couplages
Quelques unes des systématiques Mélange entre canaux (e.g. GF dans une sélection VBF)
Effets du détecteurs: Luminosité, efficacité sur l‘étiquetage des b, des
tau, des jet(s) à l‘avant, la reconstruction des photons et électrons
Estimation du BKG: sidebands + shape + prédiction théorique
Incertitudes sur le niveau de signal (PDFs et corrections de QCD)
Désintégration Précision (%)b b 1.6c c 8.0
5.0g g 1.4
W W 2.0 5.4 30
mmHH
Mesures aux niveaux de 15-40% au niveau de quelques %
Physique du Tau …
Physique du Tau …
des années de travail
des années de travail
sur les systématiques
sur les systématiques
pour avoir
pour avoir ∆∆ SYSTSYST <
<<< ∆ ∆ STATSTAT
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Illustrations expérimentales des mesures des couplagesIllustrations expérimentales des mesures des couplages
L = 30 fb-1
k = 1.5
M ~ 15 GeV
MH=160 GeV
WWe
ATLAS
10 fb-1
H H → b b → b b H H →WW →WW
B tagB tagRésol. MRésol. Mbbbb Niveau du fondNiveau du fond
Production
VBFVBFProduction
VBFVBF
Très bonTrès bon S/B !!!S/B !!!
H H → b b → b b
H H →WW→WW
e+e−→ Z H
Z → qqZ → qq Z → Z → ℓℓ++ℓℓ−−
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∆∆ggttHttH/g/gttHttH 15-20% 15-20%
Couplages de YukawaCouplages de Yukawaau topau top
∆∆gg
ttH
ttH// gg
ttH
tt
H (%
)(%
)
e+e− → t t H t t Het Hbb,WW
∆∆ggttHttH/g/gttHttH 5-105-10%%
Hypothèses :► Pas de couplage à de nouvelle(s) particule(s)
► un seul boson de Higgs
ou sans hypothèse,ou sans hypothèse,mais normalisé au mais normalisé au ggHWWHWW
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H→ZZExp. Results after
L=100fb-1
CP angle analyser
e+e−→ ZH au seuil , Z μμ , qq
H +– ρ π
spin, CPspin, CP
Mesure du spin (2 semaines/points)Mesure du spin (2 semaines/points)
CP+ CP–
δδφφ~~ππ/(2/(2√N)√N)
Quelques degrésQuelques degrésde précision !!!de précision !!!
Violation de CP Violation de CP à quelques %à quelques %
- angle between decay planes in the rest frame of the Higgs boson
- angle between leptons and the momentum of the Z in the rest frame of the Z (Gottfried Jackson angle).
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H→ZZExp. Results after
L=100fb-1
Mesure du spin (2 semaines/points)Mesure du spin (2 semaines/points)
CP angle analyser
CP+ CP–
δδφφ~~ππ/(2/(2√N)√N)
Quelques degrésQuelques degrésde précision !!!de précision !!!
e+e−→ ZH au seuil , Z μμ , qq
H +– ρ π
spin, CPspin, CP
Violation de CP Violation de CP à quelques %à quelques %
- angle between decay planes in the rest frame of the Higgs boson
- angle between leptons and the momentum of the Z in the rest frame of the Z (Gottfried Jackson angle).
Le spin et CP du Higgs se mesurent
Le spin et CP du Higgs se mesurent a priori s
ans problème
sans problème
Plus fort e
ncore,
Plus fort e
ncore,
une violation de CP de quelques %
une violation de CP de quelques %
est mesurable dans la désintégratio
n du Higgs
est mesurable dans la désintégratio
n du Higgs
Au ILCAu ILC
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AutocouplageAutocouplage(potentiel de Higgs)potentiel de Higgs) HH
Dans le modèle standardDans le modèle standard
HH = F(MH)
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∆∆// 10% 10%
e+e−→ZHH, HH à 1 TeVHH à 1 TeV
Mea
sure
d M
easu
red
2 ans de lumi.
∆∆// 30% 30%
Mais pas sur la même zone de masse !!
mmHH
gg→HH
3000 fb-1/exptsS/S/B B 3.8 à 5.4 3.8 à 5.4
Reste une mesure difficile
e+e− → ZHH à 0.8 TeV ZHH à 0.8 TeV
Mbb-MH GeV
AutocouplageAutocouplage(potentiel de Higgs)potentiel de Higgs)
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Le Higgs peut être découvert/observé/exclu à basse masse Le Higgs peut être découvert/observé/exclu à basse masse (la zone de masse dépend de la luminosité)
Découvert/Observé jusqu’au TeV, même à basse lumi.Découvert/Observé jusqu’au TeV, même à basse lumi.⊕ ⊕ Les pLes premières lumières sur ses caractéristiquesremières lumières sur ses caractéristiques
Étude exhaustive au ILC Étude exhaustive au ILC
C’est la pièce manquante du château de carte MS (ou BSM)C’est la pièce manquante du château de carte MS (ou BSM)L’étude de ses caractéristiques est essentielle pour voir plus loinL’étude de ses caractéristiques est essentielle pour voir plus loinPlus précis sera sa connaissance, plus loin nous pourrons extrapoler
Un Higgs de type Modèle Standard (ou proche) ne peut Un Higgs de type Modèle Standard (ou proche) ne peut échapper aux investigations des 15 prochaines annéeséchapper aux investigations des 15 prochaines années
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Exemple de test à base de Exemple de test à base de mesures précises des couplagesmesures précises des couplages
ggttHttH//ggttHttH(SM)
ggW
WH
WW
H// gg
WW
HW
WH
(SM
)
Prédiction MSSM
1
300<mA<1000 GeV
200<mA<300 GeV
100<mA<200 GeV
TEST DE MSSMTEST DE MSSM
11
95%CL95%CL
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Dans le secteur Higgs Il n’y aura peut être qu’un seul Higgs à se mettre sous la dent
Et maintenant