3. Il bosone di Higgs SM:
Introduzione
▪Con la scoperta del bosone di Higgs, il confronto tra mH misurato e la misura
indiretta permetterà una verifica di consistenza essenziale della rottura spontanea
della simmetria elettrodebole
!
▪ L'ipotesi innovatrice di Higgs fu formulata indipendentemente anche da Robert
†
Brout e François Englert dell'Université Libre de Bruxelles e da G. S. Guralnik, C. R.
Hagen e T. W. B. Kibble dell'Imperial College, ed era quella di dare massa ad un
bosone vettore (detto anche bosone di gauge) mediante l'accoppiamento con un
campo scalare, poi denominato campo di Higgs
→ Meccanismo di Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble
Pubblicazioni:
G. S. Guralnik, C. R .Hagen, T.W. B. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 585 (1964)
†
F. Englert, R. Brout , Phys. Rev. Lett. 13 321 (1964)
P.W. Higgs, Phys. Lett. 12 132 (1964)
P.W Higgs, Phys. Rev. Lett. 13 508 (1964)
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1
3. Il bosone di Higgs SM:
Introduzione
Pubblicazioni:
F. Englert, R. Brout†, Phys. Rev. Lett. 13 321 (1964)
P.W. Higgs, Phys. Lett. 12 132 (1964)
Phys.Rev.Lett.13 508 (1964) G.S. Guralnik, C.R.Hagen, T.W.B. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 585 (1964)
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2
3. Il bosone di Higgs SM:
Cosa sappiamo oggi ?
▪Necessario nello SM per generare la massa delle particelle
▪ Massa non predetta dalla teoria salve un limite superiore per non violare l’unitarietà in certi
processi. Questo limite si ottiene dal contributo del bosone di Higgs alle correzioni radiative
dei calcoli agli ordini superiori (next to leading order, NLO: mH < 1000 GeV)
▪ Limiti indiretti dal fit SM a:
1. misure di precisione di LEP1/SLD a √s = mZ
2. misura di mW a LEP2/Tevatron
3. misura di mtop a Tevatron/LHC
!
▪ La misure di precisione permettono di vincolare la massa del bosone di Higgs. Il fit globale
può essere espresso in funzione della massa dell’unica particella predetta e non ancora
osservata: il bosone di Higgs
Input tutte le misure insieme per provare ad estrarre il parametro sconosciuto principale: la
massa del bosone di Higgs: mH < 155 GeV al 95% C.L.
!
▪ Mentre dalle ricerche dirette dell’Higgs, si ha il limite inferiore di:
mH > 114.4 GeV al 95% C.L.
mH=121+17
GeV
-6
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3
3.1 Il bosone di Higgs SM: Produzione a LHC
fusione gg
Produzione associata WH, ZH
fusione WW/ZZ
Produzione associata t t
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4
3.1 Il bosone di Higgs SM: Sezione d’urto pp→H+X
▪La fusione gluone-gluone e la VBF sono i due processi dominanti a LHC
▪ Il principale meccanismo di produzione del bosone di Higgs a LHC è la fusione
gluone-gluone, attraverso un loop di quark t
gg fusion
WW/ZZ fusion
WH
tt
ZH
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5
3.1 Il bosone di Higgs SM: Sezione d’urto pp→H+X
▪Ci sono larghe incertezze teoriche sul calcolo delle sezioni d’urto legate
all’ordine a cui si fa il calcolo (cioè al numero di vertici considerati)
▪ Ci sono anche incertezze teoriche sul calcolo delle sezioni d’urto
legate alle PDF o all’incertezza su αs
▪ In definitiva c’è un’incertezza teorica di almeno il 20−25% sulla sezione
d’urto
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6
3.2 Il bosone di Higgs SM:
Decadimenti
▪Il bosone di Higgs si accoppia a particelle con una costante proporzionale alla loro
massa
→ decade preferibilmente nelle particelle più pesanti cinematicamente permesse
▪ Il profilo, le firme del bosone di Higgs sono determinate dalla sua massa
▪ La costante di accoppiamento di Yukawa del bosone di Higgs è fissata dalla massa
dei fermioni, mj, oppure dalla massa al quadrato dei bosoni vettoriali, MV in cui decade:
1/2
! g =⎡ 2 G ⎤ m
ffH ⎣
F⎦
f
!
!
1/2
⎡
⎤
! gVVH=2 ⎣ 2GF ⎦ M2V
!
!
H
W +, Z, t, b, c, τ+, (g, γ)
W − , Z, t, b, c, τ - , (g, γ)
▪Gli osservabili fisici, la larghezza totale di decadimento, la vita media, i rapporti di
decadimento in stati finali specifici sono fissati da questi parametri
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7
3.2 Il bosone di Higgs SM:
Decadimenti
▪mH < 130 GeV: H → bb domina
▪ mH ≥ 130 GeV: H → WW(*)
ZZ(*) dominano
▪ Importanti decadimenti rari: H → γγ
!
!
▪ Canali “gold-plated” ad alta
luminosità:
Nella regione di bassa massa:
H → γγ
Nella regione di massa alta:
H→ ZZ→ llll
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8
Rapporti di decadimento (BR)
3.1 Il bosone di Higgs SM: Decadimenti
▪Dobbiamo cercare il bosone di Higgs nei
decadimenti dove ce ne sono di più
compatibilmente con i fondi !
▪ Gli stati finali completamente adronici
dominanti:
H →WW → 4 jet, H → ZZ → 4 jet, H → bb
non possono essere estratti dal fondo di QCD
▪ BR dominante per mH < ~2mZ:
σ ( H → bb ) ≈ 20 pb per mH = 120 GeV
σ ( bb ) ≈ 100 μb
6
Fattore 5⋅10 → Non c’è speranza di estrarre
questi eventi completamente adronici
▪ Dobbiamo cercare stati finali con leptoni (l =
e, µ) e fotoni. Si ricerca: H → γγ
H → ZZ → 4l
H → WW → lν lν
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9
3.3 Il bosone di Higgs SM:
σ x BR
▪Nel canale di decadimento H → ZZ → 4l (con l=e, μ) la presenza di 4 leptoni carichi nello
stato finale costituisce una firma
sperimentale unica all'interno del
rivelatore
Questo canale è denominato golden
channel, grazie alla risoluzione in
massa raggiungibile (~1%) per il
candidato 4l
▪ Questo canale corrisponde a una
frazione limitata della sezione d'urto
totale di produzione del bosone di
Higgs. Di conseguenza, un'elevata
efficienza di ricostruzione è necessaria
H → ZZ→ 4l
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10
3.4 Il bosone di Higgs SM:
Larghezze
G
Γ (H → ff ) = N
g m (M )M
4 2π
F
c
(
ffH
)
GF
)
3GF2α 2
Γ H → VV = δ V
2
f
2
H
H
(
)
MH3 1- 4x + 12x 2 β V
16 2π
2
2
dove x=MV /MH and δ V = 2 or 1 for W or Z
(
4
Γ H → γγ =
MH3 Nce2t - 7
3
128 2π 3
2
@Low mass
Narrow!
Observed width dominated by
detector resolution (1-2%)
@High mass
Higgs becomes a broad
resonance dominated by natural
width
Theory input is critical
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
11
3.5 Il bosone di Higgs SM: Roadmap
95% CL Excluded Mass range
LEP+Tevatron
Tevatron
158 175
Lo studio di diversi canali è cruciale per estrarre un segnale convincente !
▪ Nella regione di massa bassa: mH < 2 mZ:
H → γγ : BR piccolo ma buona risoluzione
H → ZZ* → 4l
▪ Nella regione mH > 2 mZ:
H → ZZ → 4l
Con VBF:
H → ZZ → ll νν
H → ZZ → ll jj
H → WW → ll ν jj
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
12
3.6 Definizione di una scoperta
▪ Immaginiamo una particella con larghezza stretta X → γγ sia prodotta
Larghezza del picco dovuto alla
risoluzione del rivelatore
NS
Significatività del segnale: S =
NB
!
NS = numero di eventi di segnale NB = numero di eventi di fondo
nella regione del picco √NB = errore sul numero di eventi di fondo (per
numeri grandi). Nel caso di numeri piccoli, si usa la
statistica di Poisson
▪ S > 5: se il segnale è più grande di 5 volte l’errore sul fondo, la probabilità
gaussiana che il fondo fluttua di più di 5σ è uguale a 10-7
▪ Si può allora affermare una scoperta !
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
13
3.7 H → γγ
86 GeV
CMS
▪Per mH ≈ 115-150 GeV, il canale
H → γγ resta comunque il più
importante nonostante il basso
rapporto di decadimento (10-3)
56 GeV
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
14
3.7 H → γγ
Experimental signature
!
Narrow (1-2%) diphoton
resonance
Hard diphoton pT spectrum
Isolated photons
VBF: spectacular diphoton
+dijet
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
15
3.7 H → γγ
▪Fondi principali
!
Produzione γγ: irriducibile (i.e. stesso
stato finale che il segnale)
Produzione γ jet e jet jet dove uno/due
jet sono scambiati per fotoni: riducibile
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
16
3.7 H → γγ
▪ Si selezionano eventi con 2 fotoni nel rivelatore con pT alto
▪ Si misura l’energia e la direzione di ogni fotone
▪ Si misura la massa invariante della coppia di fotoni:
mγγ = 2 E1 E2 (1 - cos θ12)
▪ Si grafica la distribuzione di mγγ: l’Higgs dovrebbe apparire come un picco a mH
▪ È il canale più difficile per i calorimetri elettromagnetici di LHC; è
essenziale un’ottima risoluzione del calorimetro e.m.:
σ E/E ≈ 1-2 %
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
17
3.7 H → γγ
arXiv:1207.7235
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18
3.8 H → ZZ* → 4l
▪ Canale “gold-plated” per la
scoperta dell’Higgs a LHC
Candidato H → 4µ registrato
dall’esperimento CMS
!
Advantages
Very clean channel
Excellent mass resolution
!
Challenges
High S/B, but very low S for
Higgs masses near 125 GeV
Must maintain high lepton
trigger and reco efficiencies
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19
3.8 H → ZZ* → 4l
Candidato H → 4µ registrato
dall’esperimento CMS
µ-(Z1) pT: 28 GeV
!
Four muon (+ 1 photon)
event from 7 TeV dataset
Mass of 4µ + γ = 126.1 GeV
γ(Z1) ET: 8 GeV
µ+(Z2) pT: 6 GeV
µ-(Z2) pT: 14 GeV
µ+(Z1) pT: 67 GeV
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
20
3.8 H → ZZ* → 4l
▪Candidato H →
4e registrato
dall’esperimento
ATLAS
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21
3.8 H → ZZ* → 4l
1. Selezione dei leptoni (µ, e): 4 leptoni isolati, ricostruiti e identificati come
provenienti dal vertice primario di interazione, sono selezionati evento per evento
tra i leptoni all'interno dell'accettanza del rivelatore
!
2. Ricostruzione dei candidati Z: i 4 leptoni sono combinati 2 a 2 per ricostruire una
coppia di candidati Z1 e Z2, ove Z1 è identificato come il più vicino in massa ad
un bosone Z reale. Uno, o entrambi i candidati Z possono essere off-mass shell
!
3. Ricostruzione del candidato 4l: infine, i 4 leptoni selezionati sono utilizzati per
ricostruire un candidato 4l, con massa invariante:
! 2
2
2
m =
∑E
i
i
- (∑ pi )
i
4. Si grafica la distribuzione della massa invariante 4l:
5. → Segnale dell’Higgs apparirebbe come un picco nella distribuzione in massa
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22
3.8 H → ZZ* → 4l
!
Un nuovo bosone è stato
osservato, con una massa diL
125.6 ± 0.4 (stat.) ± 0.2 (syst.) GeV
Events / 3 GeV
CMS: L'analisi è stata condotta sui
dati raccolti nel 2011 e nel 2012, a
un'energia nel centro di massa di 7 TeV (L=5.1/fb) e di 8 TeV (L=19.7/fb)
35
Data
mH=126 GeV
Zγ *,ZZ
Z+X
30
25
Events / 3 GeV
s = 7 TeV, L = 5.1 fb-1 ; s = 8 TeV, L = 19.7 fb-1
CMS
16
Dkin
bkg > 0.5
14
12
10
8
6
4
20
2
0
110
120
130
140
150
m4l (GeV)
15
10
5
0
80 100
200
300
400
600
800
m4l (GeV)
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23
3.8 H → ZZ* → 4l
Events / 3 GeV
4-lepton mass for each event,
including the uncertainty
CMS
-1
s = 7 TeV, L = 5.1 fb ; s = 8 TeV, L = 19.7 fb
-1
Data
35
Z+X
30
*
Zγ ,ZZ
25
mH=126 GeV
20
15
10
5
0
80
100
120
140
160
180
m4l (GeV)
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24
3.9 H → WW* → 2l2ν
High sensitivity, low resolution
!
Advantages
2nd largest σ x BF
Candidato H → 4µ registrato
dall’esperimento CMS
Charged leptons for trigger
Controllable backgrounds
Kinematic handles
!
Challenges
Only real drawback is no sharp
mass peak (20% resolution in MT)
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25
3.9 H → WW* → 2l2ν
Kinematic handles: Spin-0 Higgs + V-A weak int.
= small angle between
charged leptons and
neutrinos
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26
3.9 H → WW* → 2l2ν
Back.
subtracted
Significance = 4.3 σ @ 125.6 GeV
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27
3.9 H → WW* → 2l2ν
Back.
subtracted
Significance = 6.8 σ @ 125.7 GeV
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28
4. Modello Standard: Missione compiuta ?
Sylvie Braibant - Fenomenologia delle Interazioni Fondamentali
29
5. Search for a high mass Higgs boson
No sign of a SM Higgs boson up to ~ 1000 GeV
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6. Prospettive
Experimentalist’s perspective: Use the new particle, h(126) o search for other particles
“Invisible” or exotic decays: h → ?? (e.g. dark matter)
Decays of heavier particles: X → hh
Unexpected production: pp → hX
Theorist’s perspective: the SM is not complete, there are specific
questions to answer, some examples
Fine-tuning? Hierarchy problem? Dark matter?
MSSM: H, h, A, H+, HNextMSSM: add a singlet
General two-Higgs-doublet models (2HDM)
CMS and ATLAS are pursuing with both perspectives in mind!
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31
7. Summary
The new particle @ “126 GeV” is observed to decay to all
gauge bosons with the expected relative branching
fraction
Consistent mass between CMS and ATLAS
Spin-parity measurements disfavor alternative
hypotheses
Signal strength and couplings consistent with the SM
No sign for any other SM-like Higgs boson
No sign of (any of) the BSM Higgs bosons
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32