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.

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1 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

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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 - 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

8 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

9 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

10 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)

11 Production de Higgs chargé au LHC Canal (H  →tb) au LHC: (  BR) de l’ordre de 10 -2 - 1 pb

12 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

13 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  13060 S/B10 -2 10 -3 5 10 -3 S/  B 4.60.92.4 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  13060 S/B10 -2 10 -3 5 10 -3 S/  B 2.080.391.10 S/B10 -3 5 10 -4 10 -3 S/  B 0.50.20.8 S/B10 -3 S/  B 0.30.10.4 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 = 4 10 4

14 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

15 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).

16  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.

17 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  ).