J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 1 Le Higgs au Tevatron, LHC et ILC OUQUANDCOMMENT.

J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 1

Le Higgs au Tevatron, LHC et ILC

OUOUQUANDQUANDCOMMENTCOMMENT


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


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


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


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


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


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)


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


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


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. %


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


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


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


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−−


∆∆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


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).


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


AutocouplageAutocouplage(potentiel de Higgs)potentiel de Higgs) HH

Dans le modèle standardDans le modèle standard

HH = F(MH)


∆∆// 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)


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


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


Dans le secteur Higgs Il n’y aura peut être qu’un seul Higgs à se mettre sous la dent

Et maintenant

J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 1 Le Higgs au Tevatron, LHC et ILC OUQUANDCOMMENT.

Documents

Transcript of J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 1 Le Higgs au Tevatron, LHC et ILC OUQUANDCOMMENT.