du boson de Higgs du modèle standard Recherche et étude du boson de Higgs du modèle standard Groupe 1: Modèle standard, mesures de précision, brisure électrofaible Introduction Modes de production et de désintégration Recherche du boson de Higgs au Tevatron au LHC Mesures des propriétés du boson de Higgs: au futur ILC P. Verdier – IPN Lyon - Journées de prospectives IN2P3/IRFU – Giens – 2 avril 2012

Contraintes indirectes Nouvelle mesure de la masse du boson W au Tevatron. Moyenne mondiale: M(W) = 80.385 ± 0.015 GeV Masse du quark top: M(t) = 173.2 ± 0.6 ± 0.8 GeV Contraintes sur la masse du boson de Higgs: M(H) = 94 +29-24 GeV

Largeur et désintégrations du boson de Higgs Faibles masses: Le boson de higgs est très étroit: (H) < 10 MeV Très inférieure aux résolutions expérimentales Cette largeur atteint 1 GeV pour M(H)=2M(Z) A haute masse: Sa largeur devient presque aussi grande que sa masse: le boson de Higgs ne peut plus être considéré comme une résonance Canaux de désintégration: M(H) < 135 GeV: H→bb dominant BR(H→cc, ττ, gg) de qq % BR(H →, Z) de qq ‰ M(H) > 135 GeV: BR(WW)=2/3 et BR(ZZ)=1/3 H→tt s’ouvre à très haute masse

Recherche au LEP Recherche au LEP : e+e- → HZ M(H) > 114.4 GeV L’excès à ~115 GeV correspond à ce qu’on attendrait pour un boson de Higgs du MS

Production aux collisionneurs hadroniques gluon fusion vector boson fusion associated W/Z production associated tt Fusion de gluon: processus dominant incertitude de ~15% au LHC (gluons dans l’état initial) Fusion de boson vecteurs (VBF) incertitude de ~5% au LHC signature spécifique avec 2 jets à l’avant Production associée WH/ZH (VH) désintégration semi-leptonique du W ou du Z Production associée ttbarH Incertitudes théoriques: variation échelles renormalisation & factorisation, valeur de s, PDFs (NNLO)

Recherche au Tevatron Résultats préliminaires basés sur ~10fb-1 de données enregistrées entre 2002 et 2011 Les canaux H→bb et H → WW sont très largement dominants (transition à 135 GeV): canaux avec une « mauvaise » résolution en masse

Recherche au Tevatron Excès observé entre 115 et 135 GeV compatible avec l’amplitude attendue d’un boson de Higgs standard Dominé par le canal H→bb, difficile à voir au LHC. Les données favorisent l’hypothèse signal+bruit à basse masse depuis 2007, mais significatif seulement avec les données complètes du Tevatron. 2010 2012

Canaux de recherche au LHC Désintégration en bbar: Fond QCD important Production associée WH/ZH pour avoir un lepton dans l’état final Pas suffisant au LHC: système « boosté » Désintégration en ττ: Au LHC, besoin d’une caractéristique supplémentaire: production VBF et VH Désintégration en : Faible rapport d’embranchement Mais canal dominant à basse masse au LHC Excellente résolution en masse de Higgs Désintégration en WW: Canal dilepton lνlν dominant, puis lνqq Faible résolution en masse de Higgs Désintégration en ZZ: Canal 4 leptons: faible BR, mais s/b élevé au LHC Canal llqq: fond MS plus élevé Canal llνν

Recherche au LHC: hautes masses Grâce aux canaux H→WW et H→ZZ, exclusions importantes au delà de ~130 GeV: Exclusion jusqu’à ~550 GeV Limites solides : 99% C.L. pour M(H) entre 130 et 500 GeV

Recherche au LHC: basses masses Pour M(H) <~ 130 GeV, les modes de désintégration H→ZZ et H→ permettent d’avoir une excellente résolution en masse Dans le canal H→ZZ, les fonds MS sont très faibles: un seul événement a un impact important Les autres canaux WW, bb et ττ : moins bonne résolution en masse

Recherche au LHC Un excès d’événements compatible avec ce qui est attendu pour le boson de Higgs du MS est observé pour M(H) ~= 125 GeV

Recherche aux collisionneurs hadroniques Exclusions à 95% C.L. : Tevatron: [147-179] GeV attendue: [100-119] et [141-184] GeV ATLAS: [110-117], [117-122] et [129-540] GeV attendue: [114-540] GeV CMS: [128-600] GeV attendue: [120-555] GeV CMS et ATLAS observent un excès d’événements à M(H) ~= 125 GeV : ATLAS: 2.5 σ local @ 126 GeV (1.5 σ global) CMS : 2.8 σ local @ 125 GeV (1.6 σ global) Les observations sont compatibles avec les prédictions du modèle standard pour M(H)=125 GeV Canal WW dans ATLAS Canal ZZ dans CMS : 3 événements à M(H)~= 119 GeV DØ et CDF observent un excès d’événements dans la région [115-135] GeV 2.7 σ local @ 120 GeV (2.2 σ global)

Production du boson de Higgs à l’ILC International Linear Collider

Mesure de la masse et de la largeur Au LHC: les canaux de désintégrations H→ZZ* et H→ permettent d’atteindre une incertitude de ~0.1% dans la région des basses masses (~120 MeV pour M(H)=125 GeV) A l’ILC: reconstruction précise de la masse du boson de Higgs dans le processus de Higgs-strahlung. Précision de 40 MeV pour M(H)=125 GeV, facteur 3 par rapport au LHC Mesure de la largeur: Mesures indirectes à basse masse car le Higgs est trop étroit LHC: sqrt(s)=14 TeV et L=200 fb-1

Mesure des couplages Au LHC: A l’ILC: Avec 20 fb-1 à 7 TeV, précision < 50% Avec 30 fb-1 à 14 TeV, précision < 20% A l’ILC: Précision de 1-3 % avec sqrt(s)=350-500 GeV et L=500fb-1

Mesure du spin Détermination du spin du boson de Higgs: Au LHC: l’observation de la désintégration du boson de Higgs en   exclut J=1 Etude des corrélations angulaires des leptons dans le processus H→ZZ* → 4 leptons A l’ILC: Etude de la distribution angulaire des bosons Z et H dans le processus de Higgs-strahlung Les nombres quantiques de spin et de parité en analysant les corrélations angulaires dans les processus H→ZZ*,WW et e+e- → HZ → 4f

Auto-couplage du boson de Higgs Reconstruction du potentiel scalaire: Couplage quartique impossible à tester directement Le couplage gHHH : possible à l’ILC grâce au processus de double Higgs-strahlung pour sqrt(s) > 350 GeV Mesure de gHHH à l’ILC: Précision de 20 à 10% pour sqrt(s)=500 GeV et L=1ab-1

Conclusion La zone de masse permise pour le boson de Higgs du MS a été très fortement restreinte: [122-128] GeV Avec ~20 fb-1/exp., les données 2012 du LHC devraient permettre de découvrir ou d’exclure le boson de Higgs du MS En cas de découverte, les mesures des propriétés du boson de Higgs seront une priorité en HEP: Mesures au LHC et HL-LHC : contrôler les effets dus à l’empilement (notamment pour VBF) Un ILC permet de gagner un facteur ~10 sur les mesures de précisions par rapport au LHC Compréhension détaillée du mécanisme EWSB Portail vers une éventuelle nouvelle physique

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Recherche au Tevatron

Recherche au Tevatron

Higgs en  ATLAS CMS

Higgs en ZZ* → 4 leptons

Higgs en tautau

Higgs en WW

LHC: sensibilité

Canaux ATLAS

Auto-couplage du Higgs au HL-LHC