Recherche d’un boson de Higgs chargé avec l’expérience ATLAS au LHC Responsables de stage: B. Clément, M. Klasen Carole Weydert Stage M2 PSA 1 er mars – 30 juin 2008 UJF Grenoble

Objectifs du stage Établir une sélection Étude Monte Carlo Calcul de section efficace hadronique Calcul de largeur de désintégration ExpérimentalThéorique Physique

Plan de l’exposé Le détecteur ATLAS et le boson de Higgs Calcul de la section efficace hadronique La pésélection « Higgs chargé » et les sensibilités statistiques Ebauche d’amélioration: l’étude multivariée Le potentiel de découverte Conclusion

Le détecteur ATLAS Trajectographe (silicium) Calorimètres électromagnétique et hadronique Aimants toroïdaux Chambres à muons LHC (collisionneur pp,  s=14 TeV, L=10 34 cm -2 s -1 ), 1 ères collisions prévues pour l’automne 2008

Mécanisme de Higgs Modèle Standard → particules sans masse On introduit un doublet de champs scalaires de Higgs Valeur dans le vide non nulle Permet de conférer de la masse aux bosons W et Z, ainsi qu’aux fermions sans que la théorie devienne non renormalisable. Le potentiel est décrit par → 1 nouvelle particule: boson de Higgs neutre

Modèle Standard: 1 doublet de Higgs →1 boson scalaire de Higgs neutre Extension possible: Modèles à 2 doublets complexes de Higgs (ex: SUSY) 2 v.e.v: Couplage proportionnel aux masses des fermions: → couplage dominant: 3 ème famille: (t,b) et (,  ) 8 degrés de liberté Brisure de symétrie électrofaible → 3 bosons de Goldstone Restent 5 bosons scalaires physiques: h 0, H 0,A 0,H +,H - Concernant le Higgs chargé: Le Higgs chargé

- Pour un Higgs chargé massif: m H ± >m t +m b - Model II couplings: 1 doublet couple aux fermions de type u, l’autre aux types d gg→tH*b Diagrammes de Feynmann gb → Ht voie t voie s (LO) b b H H t t g g

Section efficace (LO) Factorisation en QCD d’une diffusion hadronique en PDF et section efficace partonique -P A/B : quadri-impulsion du proton initial - f i (x a ): fonction densité du parton a dans le hadron i -dσ/dt: section efficace différentielle partonique - x a/b P A/B : fraction de 4-impulsion emportée par le parton Changement de variables: La section efficace totale est donnée par: Avec: s H = (14 TeV) 2

Section efficace partonique - PDFs utilisés: CTEQ6ME -Intégration numérique avec VEGAS (Cuba) -Comparaison avec Pythia ainsi que Kidonakis -Kidonakis: Comparaison LO-NLO+NNLO Canal sCanal tTerme d’interférence

Rapport d’embranchement H  →tb Approximation: rapport des couplages → BR indépendant de m H (courbe noire) HDecay: Inclut termes d’espace de phase,corrections radiatives QCD, running masses,… → BR dépend de m H (courbes couleurs)

Production de Higgs chargé au LHC Canal (H  →tb) au LHC: (  BR) de l’ordre de pb

Topologie H→tb b νeνe q b W s s t H+H+ b g u u u u d d s s b W e t q’ Signal (  BR~1 pb): Toujours 3 jets b Au moins une désintégration leptonique du boson W (→déclenchement) BR(W→qq’)  68% BR(W→l )  32% (l=e, ,  ) Bruits de fond: tt (2 jets b) (  ~800 pb) W+jets (jets mous) (  ~18000 pb) Single top (1-2 jets b) (  ~320 pb) Étiquetage des jets b par leur vertex déplacé

Présélection Canal semileptonique (W→l,W →qq’) - 1 lepton isolé (e,  ) p T >20 GeV et de l’énergie manquante E T >25 GeV -3 jets étiquetés b (2 « tight », 1 « loose ») -Entre 5 et 7 jets au total Tan  S/B S/  B Canal dileptonique (W→l,W →l ) - 2 leptons isolés (e,  ) p T >20 GeV et de l’énergie manquante E T >25 GeV - 3 jets étiquetés b (2 « tight », 1 « loose ») - Entre 3 et 5 jets au total Sensibilité statistique pour L=300 fb -1 (3 années à haute luminosité) Tan  S/B S/  B S/B S/  B S/B10 -3 S/  B m H =200 GeV m H =400 GeV → inobservables tel quel → utilisation de méthodes multivariées afin d’améliorer la sensibilité B tt = 10 5 B tt =

Exemple d’une étude multivariée: la fonction de vraisemblance But: combiner des variables cinématiques/topologiques peu discriminantes x en une variable discriminante L(x) Une coupure à 0.5 permet de doubler le rapport S/B si variables décorrélées Fonctiond densité de probabilité

Sensibilité avec erreurs systématiques Données: D=S+B Objectif: Estimer la valeur de (  BR) S à laquelle on est sensible avec l’analyse en considérant les erreurs statistiques (√D) et les erreurs systématiques. Signal: S=L(  BR) S  S Bruit de fond: B=L(  BR) B  B La valeur de (  BR) est obtenue par minimisation de la fonction de vraisemblance La fonction densité de probabilité ainsi construite permet d’obtenir (  BR) 95 (valeur pour laquelle l’aire de -  à 0 vaut 5%). On choisit D i « mesurée» selon une distribution poissonienne. Une méthode Monte Carlo permet d’affecter B i, L i et  i par les erreurs systématiques (p.ex. incertitude sur luminosité, détermination de l’énergie des jets).

 BR 95 (M H ) Tan  95 (M H ) Potentiel de découverte Grâce à  BR 95 (M H ) et  BR theo (M H,tan  ), on peut estimer la zone en (m H, tan β) à laquelle l’analyse est sensible.

Conclusion Implémentation de la sélection « Higgs chargé » dans TOPAZ Calcul de la section efficace hadronique Potentiel de découverte dans le plan (m H, tan  ) en considérant les erreurs statistiques et systématiques Identification des points sensibles de l’analyse L’ensemble de la chaîne d’analyse a été mis en place, les différentes sélections pourront être améliorées par la suite afin d’exclure des zones plus pertinentes en (m H, tan  ).