La Recherche du Higgs au TeVatron

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1 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 Les Mesures de précision

2 Phénoménologie du Higgs au 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) v <>0  1/2 gv gv cosW mW= mZ= - 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 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/ – – – – Exclusion à 95% CL: mH > GeV/c2 Candidats « Higgs » mH = 115 GeV/c2 P. Lutz / cours GIF LEPEWWG Note/ Favorise un Higgs mH < 300 GeV/c2

6 Désintégrations du Higgs au TeVatron (MS)
Largeurs de désintégration Modes de désintégration x=4m2/mH2 f HSM (HSMff)  NCGF mH mf2(1-xf)3/2 f V HSM (HSMVV)  GF mH3 (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] mH<135(GeV/c2) BR H bb H   ~50-90% ~8% mH>135(GeV/c2) BR H(W+W-*) l+l-’  lqq’ 4.5% 61%

7 Production du Higgs au 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]: – – – – – – – - – [pb] (ppHSM+X) s = 2 TeV – – – – mH [GeV/c2 ] 120 140 160 180 gg HSM qq HSMW qq HSMZ qq HSMqq 0.70 0.17 0.09 0.08 0.45 0.06 0.30 0.05 0.03 0.21 0.02 0.04 M. Spira / HDECAY – – – –

8 Les fonds au Higgs (MS) Higgs en VH  llbb (V=W,Z) Higgs en H  WW*
Production QCD bb bb  100 b (~1/1000 dijet) fond irréductible Production W+jets dddd 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
mH<135 GeV/c2 pp  WH  lbb pp  ZH  bb Eléments clefs: – déclenchement leptonique – déclenchement mET – étiquetage du b – étalonnage de Ejetb – résolution sur Mbb mH> 135GeV/c2 pp  WH  l+l+l- pp  WH  jj l+l- pp  H  l+l-  – identification leptonique – résolution ET, mET, angles – – – – – – – –

10 Phénoménologie du Higgs au 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) Particules Partenaires SUSY e.p. de jauge e.p de masse q = u,d,s,... l = e, ,  =e,, W , H ,Z,h,H,A g qL,qR lL ,lR  W,H q1,q2 l1, l2 1,2 o1,2,3,4 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

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/   Mt = 1 TeV Xt max.  = -200 GeV  H h H+  Higgs Mass [GeV] t t h h h h   SUSY est brisée : Mt mt  MA [GeV/c2] 3g2mt Mt Xt2 82 mW mt  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 = GeV Canaux: e-e+ Zh e-e+ hA Scénarios : mélange maximal entre t1,t2  Cas le plus conservatif ~ ~ LHWG / Note LHWG / Note 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 = GeV Canaux: e-e+ H-H+ H+cs, + Scénarios : fonction des hypothèses sur BR(H+ +) - LHWG / Note Limite indirecte LHWG/Note 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  5 cotan et gAdd 5 tan 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 (pp bb)~1 pb  inexploitable (pp Wh)~0.15 pb = analyse du MS (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(+-) < 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=6 (ppAX) [pb] tan=30 gg,qqAbb – gg,qqAbb – mA [GeV/c2] mA [GeV/c2] – BR(A) tan=6 bb –  – – 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
Higgs neutres: pp  WH  lbb pp  ZH  bb + états bbbb Eléments clefs: – déclenchement leptonique – déclenchement mET – étiquetage du b – étalonnage de Ejetb – résolution sur Mbb Higgs chargés: pp  tt  H+W-b pp  tt  H+H- – identification leptonique – résolution ET, mET, angles – – – – – – – –

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dijet vers 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 pT (GeV/c)  (b) 2-10 56,590 10-40 580 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 ~ 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) Trigger Fonds (Hz) L1/L2 signal (%) pT(e)>10 GeV 300/50 91% pT(e,e)>2.5GeV 1000/40 15%

26 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 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 (%) Processus Taux Fonds (QCD) Efficacité Z  bb <30 Hz 20% ttbbjjj 110 Hz 90% – – – – ~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
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) bottomness charmness Primariness Output JetProb N(traces) SumPtrel SumDR 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] ET(GeV) Facteur correctif 20 100 450 1.08  0.030 1.15  0.017 1.12  0.025

36 Résolution des Jets Algorithmes et performances (DØ ) ET/ET = A A=
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 ET(GeV) ET/ET 25 50 100 450 0.155 0.105 0.075 0.035 0.1 0.05 (ET1+ET2)/2 [GeV]

37 Résolution sur M(jj) Motivations Performances 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 Data M/M ISR+FSR+Mbias ISR+FSR+Mbias+btag ISR+FSR+b-tag 21 % 18 % 15 % 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 Sélection BR [pb] BR [pb]
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  mH[GeV/c2] BR [pb] 100 110 120 130 0.085 0.062 0.045 0.034 Fonds BR [pb] ppWbb pp  tbq pp  WZ pp  tt 3.500 0.800 0.165 ??

42 Le canal WHlbb (2)  Paramètres clef Performances attendues
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% S ~ 5 evts / fb-1 S/B ~ 10% mH GeV/c2 110 120 130 Classique Signal  x BR S/B 5.0 2.3% 0.72 3.7 0.53 2.2 1.9% 0.35 Neurones 1.1 0.87 0.55

43 Le canal ZHbb (1)   Caractéristiques Sélection BR [pb]
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  mH[GeV/c2] BR [pb] 100 110 120 130 0.030 0.022 0.016 0.013 Fonds BR [pb] pp Zbb pp  tbq pp  ZZ pp  tt 0.700 0.800 0.074 0.080

44 Le canal ZHbb (2)   Paramètres clef Performances attendues
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 ZH mH GeV/c2 110 120 130 Classique Signal  x BR S/B 2.7 2.1% 0.84 1.7 1.7% 0.59 0.9 1.2% 0.38 Neurones 0.90 0.73 0.53

45 Le canal ZHllbb (1)  Caractéristiques Sélection 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, mH[GeV/c2] BR [pb] 100 110 120 130 0.015 0.011 0.008 0.006 Fonds BR [pb] pp Zbb pp  tbq pp  ZZ pp  tt 0.350 0.800 0.026

46 Le canal ZHl+l-bb (2)  Paramètres clef Performances attendues
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 ~ / fb-1 S/B ~ 30-45% distribution de MH ZH mH GeV/c2 110 120 130 Classique Signal S/B 0.9 0.5 0.6 0.4 0.3 Neurones

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 mH[GeV/c2] BR [fb] 150 160 170 180 4.4* 5.2* 4.8* 3.6* Fonds BR [fb] pp WW pp  ZZ pp  WZ pp  W+jet pp  tt 130* 2.4* 4.4* 18* 13*

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 mH GeV/c2 150 160 170 180 likelihood Signal S/B(%) S/B 2.8 10% 0.5 1.5 34% 0.7 1.1 45% 1.0 25%

51 Canaux HW/ZW*W* lljj (1)
Caractéristiques Topologie Signal: 2 leptons de même signe 2 jets durs énergie manquante mET Sections efficaces: Sélection Pré-sélection: 2 leptons même signe, pT veto de 3ème jet de haut pT veto de jet de b Variables discriminates masse invariante m(ll) angle lepton pTl1 vs p(ll) cos l1* variables dijets: M(jj) et  lpT(j)l l- l+ E Fonds BR [fb] pp WW pp  WZ pp  ZZ pp  VVV ppW/Zjj+fake 10* 270* 60* 70* 260* mH[GeV/c2] BR [fb] 150 160 170 180 3.6 4.5 4.1 2.9

52 Canaux HW/ZW*W* lljj (2)
Paramètres clefs Fonds “faux électrons”: misidentification d’un jet: hadron+photon etc... estimations Run I: P(jete)= (DØ) Améliorations attendues au Run II: preshower.. Performances Résultats attendus pour 1 fb-1 Incertitudes sur B + importantes que ll Fonds dominants: WZ,W+j+faux e,tt S ~ / fb-1 S/B ~ 30-45% Pas de distribution mH mH GeV/c2 150 160 170 180 Signal S/B(%) S/B 0.5 63% 0.4 54% 0.6 46% 0.3 35%

53 Recherche directe du Higgs: Les Higgs SUSY
Higgs neutres = h,H,A pp  bb bbbb Higgs Chargés H pptt avec tH+b – – – – – –

54 Higgs SUSY: pp bb bbbb
– – – – Caractéristiques Topologie Signal =h,H,A 4 jets de b 2 jets provenant de  Sections efficaces: Sélection Sélection pour  = h,H,A Déclenchement multi-jets ET>125 GeV 4 jets de b:  3 jets b-étiquetés Coupures ET(j) = f(m) Topologie des jets b:  (bb) (rej. gbb) b b b b Fonds BR [pb] qq,gg bbbb pp  Zbb pp  W(jj)bb pp  bbjj 2.40 0.49 2.11 1610.8 Signal (bbh+bbA) [pb]  [pb] (bbH+bbA) [pb]  [pb] Higgs Mass [GeV/c2] élément crucial

55 Higgs SUSY: pp bb bbbb
– – – – Performances Paramètre-clef: l’étiquetage des b Analyses dans le plan (m,tan ) Résultats attendus pour 1 fb-1 A.Belyaev/CDF 100 pb-1 5 95% 2 fb-1 10 fb-1 30 fb-1 Higgs Mass [GeV/c2] Higgs Mass [GeV/c2] mH GeV/c2 100 120 150 200 tan=1 Signal S/B 0.012 0.0013 0.005 0.0006 ---- ----- tan=40 41.0 4.5 19.1 2.2 7.0 1.1 0.3

56 Higgs Chargés: pptt avec tH+b
– – Higgs Chargés: pptt avec tH+b Méthode Selection paires pp  tt: Efficacité grande pour: ttW+bW-b Efficacité réduite pour: ttH+bW+b, H+bH-b Comparaison de mes avec theo Fonction de ( mH , tan ) Sélection Deux analyses: ttW+bW+b WW  l l WW  l jj Variables discriminantes: 1 lepton haut pT énergie manquante mET énergie des jets ET Aplanarité Energie totale hadronique HT – – – – – – – Si accord mes vs theorique  exclusion des régions de BR(tH+b) élevée Fonds à ttW+bW+b ttH+H-bb  cs cs     Wbb Wbb  Wbb   Wbb cs   cs ttW+H-bb  cs  -  W-bb – – – – – – –

57 Higgs Chargés: pptt avec tH+b
– – Higgs Chargés: pptt avec tH+b D. Chakraborty/Fnal – – ttW+H-bb cs - W-bb – – ttH+H-bb cs cs   WbbWbb Wbb  Wbb cs  cs – – – – – – – – – –

58 Higgs Chargés: pptt avec tH+b
– – Higgs Chargés: pptt avec tH+b Paramètres clefs Efficacité / désintégrations Higgs: plus petite (ex cs: pas de lepton de haut pT etc..) combinée pour tous canaux en f(mH,tan) Étiquetage des b Connaissance de: theo(tt WbWb) Performances Paires tt attendues /exp/1fb-1 Résultats pour 2 fb-1: BR(t bH+)>0.5 Run I exclusion Run II exclusion ~1,900 tt  WbWb  blbjj ~200 tt  WbWb  blbl M(H+) GeV/c2 H+W+bb Dans le MS ! H+ + LEP H+cs tan

59 Recherche directe: résumé
Résultats Luminosité requise pour exclusion / découverte Variation de 30% (syst) L (fb-1) Exclusion à 95% Evidence à 3 Découverte à 5 Higgs Mass [GeV/c2] Exclusion à 95% : jusqu’à mH = 180 GeV/c2 Découverte à 5 : jusqu’à mH ~115 GeV/c2 Attention: études basées sur des hypothèses optimistes: – résolution M(bb) améliorée de 30% vs Run I – efficacité d’étiquetage +50% vs Run I – bonne connaissance des fonds irréductibles

60 inspiré de P. Janot / Blois 99
Comment y arrive t’on ? inspiré de P. Janot / Blois 99 Moyen Effet / Leff Collisionneur – Luminosité L = 15 fb-1 – 2 expériences – Energie s = 2 TeV  150  2  1.2 Détecteurs – Acceptance géométrique – Efficacité déclenchement – Efficacité b-tag – Résolution sur M(jj)  1.3  1.5  1.4 Analyse – Réseaux NN ( ou likelihood ) Gain de sensibilité d’1 facteur 1660 !

61 Contraintes indirectes sur le Higgs
Le Higgs et les observables du SM Paramètres du Modèle Standard Lien entre mH et mt, mW, sin2Weff Les contraintes sur mH Mesures de mt Mesures de mW Bilan

62 Paramètres fondamentaux dans le MS
Les paramètres fondamentaux du MS Choix des paramètres les mieux connus expérimentalement Prédictions à partir de: Les corrections radiatives Formalisme des “couplages effectifs” (LEP+SLC) Paramètre Désignation G (0) MZ Constante de Fermi Constante structure fine Masse du boson Z Ordre 0 de la théorie mf mH Masses des fermions (x6) Masse du Higgs Corrections radiatives em(s) , ( mW2/mZ2 cos2W), sin2Weff(gV,gA) Définition Dépendance en mt et mH  1 +  = 1 +  mt2/mZ2 - 4 ln(mH2/mW2) sin2Weff  ¼(1-gVl/gAl) gAl = -1/2 1- gVl = gAl(1-4 sin2Weff )

63 Observables du MS: lineshape
Observables au pôle du Z Contraintes sur mH dans le MS Observable Role MZ Z 0had had / lep A0lFB input  Ninvl sin2Weff sin2Wef

64 Observables du MS: sin2Weff
Observables au pôle du Z

65 Observables du MS: mW Détermination de mW Indirecte (MS):
Ajustement données LEP I+SLD+nN+mt Directe: Mesure LEP II Mesure TeVatron mW = 0.023 GeV/c2 mW = 0.033 GeV/c2

66 Le Quark Top au TeVatron
Production de paires de quarks Top anihilation de quarks  fusion de gluons Section efficace de production: tt = 5.5 pb / 1.8 TeV tt = 7.5 pb / 2.0 TeV Désintégrations du Top Classification états finaux: bjj+bl  “jets+leptons” bl+bl  “di-leptons” bjj+bjj  “all-jets”  Processus Canal 1 fb-1/exp. tt+X t+X di-lepton l+4jets l+4jets/b-tag l+4jets/bb-tag 100 900 700 300 170

67 Le Quark Top au TeVatron
-

68 Masse du Top: “lepton+jets”
Sélection des événements (type “Run I”) 1 lepton isolé, E  4 jets “leading jets” Etiquetage du b Ajustement cinématique (2C): 24 variables, 1 libre 3 contraintes: M(l)= MW , M(qq’) = MW M(lb) = M(bqq’)  combinaison de meilleur mfit ,2 Fonction de vraisemblance: densité probabilité D =  S/B per evt b t e,m n b “Aplanarité” “centralité” “vs gluon rad”

69 Masse du Top: “lepton+jets”
Détermination de mt (hep-ex/ ) Ajustement likelihood L(mt) = D/1+D dans le plan (mt ,D) 91 événements (7 b-tags) mt = 173  5.6(stat)  5.4(syst) GeV/c2 Systématiques mt (GeV/c2) Echelle d’energie Jet Fond W+jets tt QCD radiation Bruit & int. multiples MC statistique Fit Likelihood 4.0 2.5 1.9 1.3 0.9 1.0 TOTAL 5.5

70 Masse du Top: “di-leptons”
Sélection des événements 2 leptons isolés + Energie manquante Ajustement Cinématique: 24 variables, 4 libres (2) 3 contraintes : (-1C) M(l) = MW , M(l’’)=MW M(bl) = M(bl’’)  solution en supposant connue mt Fonction de Vraisemblance: P(mt | {oi})  P({oi} | mt) de la cinématique & espace des phases de tt des variables cinématiques {oi} (MC) des fonction de résolution du détecteurs de l’assignation des jets ... consommateur de temps CPU ! Modélisation simplifiée: Variables des neutrinos (WT)  poids W fonction de mt Pondération Element de Matrice (MWT) Data vs MC(signal+fonds) b n t e,m b

71 Masse du Top: “di-leptons”
Détermination de mt (Abott et al., hep-ex/980829) Ajustement likelihood –ln L(mt) 6 evts (2 ee, 3 e, 1  ) mt =  12.3(stat)  3.6(syst) GeV/c2 Systématique mt (GeV/c2) Echelle d’énergie Jet Générateur Fond Générateur Signal Bruit & int. multiples Fit Likelihood MC statistique 2.4 1.8 1.1 1.3 0.3 TOTAL 3.6

72 Masse du Top au Run II Perspectives au Run II LEP
Capacité de sélections accrues: Calibration des jets pT utilisant les data: Z+jets , +jets, Wjet jet, Z bb Contraintes simulations par data Meilleure identification des e/ Meilleure systématique avec double-étiquetage du b Incertitudes Run I Run II (2 fb-1) Energie Jet Générateur Fond Générateur Signal Ajust. Likelihood 4.0 GeV 2.5 GeV 1.9 GeV 1.1 GeV 2.2 GeV 0.7 GeV 0.4 GeV 0.3 GeV Systématiques Statistitiques 5.5 GeV 5.6 GeV 2.3 GeV 1.3 GeV TOTAL 7.8 GeV 2.7 GeV LEP [2 fb-1] : mt = 2.7 GeV/c2 [15 fb-1]: mt = 1.5 GeV/c2

73 Production des bosons W/Z
Graphes d’anihiliation/échange: Sections efficaces : (ppW+X) ~ 7 nb (ppZ+X)~0.2 nb Modes utilisés au Run II: W  e,  (~11%) Z  ee,  ( ~ 3% ) Z  bb (~15%) Statistique attendue Run II ppW+Xl+X 103   BR (pb) pp Z+X ll+X 102 1 2 Center of mass Energy (TeV) Processus Run I Run II /1 fb-1 pp  W(l)+X pp  Z(ll)+X pp WW,WZ,ZZ (2l) 70103 ? 1.6106 0.16106 150

74 Masse du boson W au Run I  W e Mesures de mW Df Masse transverse:
MTW =  2 PTePTn (1 - CosDf) Résultats DØ: mW = 80.480.09 GeV/c2 pT  W pL Df e Hadrons de recul Incertitudes Run I Statistitiques Energie Jet Recul (Modèle) Résolution Detecteur PDF’s PT(W) 65 MeV 75 MeV 37 MeV 25 MeV 15 MeV TOTAL 92 MeV

75 Masse du boson W au Run II
Perspectives au Run II Statistiques: Diminue à <20 MeV ( limité par # int./croisement) Résolution & réponse du détecteur: Taille des échantillons de calibration (Z,J/,) Modèle de production Monte Carlo: Contrainte des fonctions de structure partoniques (pdf) Contrainte sur la production de W,Z visible (spectre pTW/Z) Autres options pour la mesure de mW Masse a partir du spectre en pT de l’électron (sensible à pTW) mesure du rapport MTW / MTZ (utilise LEP, sensible à l’acceptance du neutrino) Projections: [2 fb-1] : mW = 40 MeV/c2 [15 fb-1]: mW = 15 MeV/c2 LEP+SLD

76 Contraintes indirectes sur mH
Projection sur mH Mesures des masses mt ,mW au TeVatron (15fb-1) Vérification de la cohérence des résultats sur mW Cohérence SLC/LEP des mesures de sin2Weff Cohérences des mesures quarks lourds / lepton mW = 15 MeV/c2 mt = 1.5 GeV/c2 Run II

77 Conclusion Collisionneur Détecteurs adaptés pour le Higgs Analyses
Luminosité prévue de 15 fb-1 / expérience / 2007 Energie de collision augmentée Détecteurs adaptés pour le Higgs Détecteurs de vertex Meilleurs identification leptonique Déclenchement spécifiques Analyses Basse masse dans H(bb) Haute Masse dans H(WW) jusqu’à ~180 GeV

78 Le Canal HW*W* ljj Analyse Variables discriminantes:
W+jets: ... mET ,pT(jet), M(jj) ... WW+WZ... Masse cluster, corrélation spin (non utilisée) t-tbar rd jet veto, énergie totale