J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 1 Le Higgs au Tevatron, LHC et ILC OUQUANDCOMMENT.

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1 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 1 Le Higgs au Tevatron, LHC et ILC OUQUANDCOMMENT

2 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 2 Accélérateur 2009 20102013≥2015 ≥2018Tevatron 5 à 9 fb -1 LHC 30 fb -1 300 fb -1 S-LHC 1000 fb -1 / an 200 fb -1 / an 500 fb -1 / an Accélérateur Collision Energie c.d.m StatutTevatron p p2 TeV En fonctionnement (FNAL), arrêt probable en 2009 LHC p 14 TeVDémarrage en 2007 S-LHC p 14 TeVUpgrade du LHC en Lumi., priorité du CERN e+e− ≤1 TeVDémarrage en 2015 ?? Avec quelles machines ? Pour quelles luminosités ? « nternational inear ollider », Machine proposée, non encore décidée « International Linear Collider », Machine proposée, non encore décidée Même si l’ECFA, L’ACFA et la DOE en approuvent la priorité. Même si l’ECFA, L’ACFA et la DOE en approuvent la priorité. basse lumi. 10 fb/an basse lumi. 10 fb -1 /an haute lumi. 100 fb/an haute lumi. 100 fb -1 /an

3 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 3 LHCILC Temps entre croisement 25 ns 200 ns Taux d’empilements par croisement 201 Réduction du « trigger » électronique ≈ 10 6 pas de trigger Radiations (vers l’avant  ≈  ) 10 16 n/cm 2 /y10 9 n/cm 2 /y Énergie de l’interaction au niveau partonique distribué, en moyenne 1/6 des 14 TeV Fixé à la demande jusqu’à 1 TeV (vrai à 98% ) Conditions expérimentales Le détecteur est dans un environnement bien plus facile sur le ILC. (radiations ionisantes !!) Les performances s’en ressentes Performances sur l’étiquetage des quarks b ILC

4 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 4 H e+e+ e−e− e e W* H e+e+ e−e− Z Z e+e+ e−e− H e+e+ e−e− Z Z* gg→H VBF Production du Higgs H H e + e − H Z H t t H H Z H H et production diffractive pp→pp  (TOTEM) et collision photon-photon  →  gg→H A.Djouadi

5 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 5 2 ordres de grandeur Pour un Higgs de 120 GeV  sont produits au Tevatron en 2009  1400 sont produits au Tevatron en 2009  au LHC à basse luminosité  500 000/an au LHC à basse luminosité  au ILC  30 000/an au ILC 9 ordres de grandeur 11 ordres de grandeur MAIS

6 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 6 on utilise des productions associées, par exemple pp → WH → ℓ b b pp → WH → ℓ b b ou pp → Z H → b b bbWW ZZ tt  cc gg  A cause de ce niveau de bruit de fond Btag, Energie manquante Désintégrations du Higgs (dans le modèle standard) On utilise des modes rares, Mais au faible bruit de fond Par exemple H →  ou H → ZZ → 4 ℓ Quelques 10-3

7 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 7 Bruits de fonds en  q q   g g   ~30 à 120 GeV Irréductible mais pas de pic attendu, intérêt à une très bonne résolution en masse q g   (s) 00 q ~ 10 8 Un jet ou deux ressemblant à un photon, nécessité d’une excellente identification Laurent Serin (Roscof 2003)

8 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 8 Ça marche !! Exclue Par LEP LEP2 55 1 an basse lumi. !!!Observation Attendu Pour 2009 Hx4 CMS - Le bkg est au niveau attendu - Le détecteur est sous contrôle SI La résolution en énergie est cruciale La résolution sur la position du vertex La reconstruction des conversions Le niveau du bruit de fond irréductible (NNLO, fragmentation,etc..) Le niveau du bruit de fond réductible (  isolé+jets) Fermilab-pub-03/320E

9 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 9   Étiquetage de jets à l’avant Higgs Proposé par Rainwater, Zeppenfeld et al. Jet Etude récente : Utiliser la production par fusion de boson (VBF) au LHC Le potentiel pour 300 fb -1 Performances à haute luminosité (pile-up, jets vers l’avant…) Le niveau du bruit de fond QCD, la définition des jets à l’avant, etc… Reste à voir H →  qqZ qqH S/B m m  30 fb -1 CMS

10 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 10 Z He+e−→ Z HZ He+e−→ Z H Observabilité indépendante des désintégrations du Higgs Observation Pas de sélection sur le Higgs Signal observé dans la masse de recul au Z !!! 1 an haute lumi. Masse de recul GeV ZZ ZH 140 Higgs en particules non détectées (invisibles) observable jusqu’à un BR de 2. %

11 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 11 Quelle est la masse (précision) Quelle est la largeur totale Quels sont les couplages (quel higgs ? ) Est-ce bien le Higgs (Spin parité, Violation de CP, couplage au quarks, autocouplage ) Après l’observation d’un pic en masse, il reste EXEMPLE de complémentarité LHC-ILC M< 200 ILC indirecte à partir de extrait de à partir de BR(H → WW*) et Γ WW* extrait de e + e − → WW* → H M> 200 mesure directe du LHC H→ ZZ → 4leptons H→ ZZ → 4leptons ModèleStandard mHmHmHmH 10 -3 ∆m/m

12 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 12 Γ(H →ff) = Nc g 2 m f 2   m H 32  m w 2  =1 – 4 m f 2 /m H 2 Couplages Γ(H→ff) = F( m H, m f 2 ) Connaissant précisément la masse du Higgs, et la masse des fermions, bosons, la mesure des couplages est un test fort du modèle

13 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 13 Mesure des couplages Quelques unes des systématiques « « Mélange entre canaux (e.g. GF dans une sélection VBF) « « Effets du détecteurs: Luminosité, efficacité sur l‘étiquetage des b, des tau, des jet(s) à l‘avant, la reconstruction des photons et électrons « « Estimation du BKG: sidebands + shape + prédiction théorique « « Incertitudes sur le niveau de signal (PDFs et corrections de QCD) Désintégration Précision (%) b 1.6 c 8.0    5.0 g 1.4 W 2.0    5.4    30 mHmHmHmH Mesures aux niveaux de 15-40% au niveau de quelques % Physique du Tau … Physique du Tau … des années de travail sur les systématiques pour avoir ∆ SYST << ∆ STAT

14 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 14 Illustrations expérimentales des mesures des couplages L = 30 fb -1 k = 1.5  M ~ 15 GeV M H =160 GeV WW  e  ATLAS 10 fb -1 H → b b H →WW B tag Résol. M bb Niveau du fond ProductionVBF VBF Très bon S/B !!! S/B !!! H → b b H →WW e + e − → Z H Z → qq Z → ℓ + ℓ −

15 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 15 ∆g ttH /g ttH  15-20% Couplages de Yukawa au top ∆ g ttH /g ttH (%) t t H e + e − → t t H et H  bb,WW ∆g ttH /g ttH  5-10% Hypothèses : ► Pas de couplage à de nouvelle(s) particule(s) ► un seul boson de Higgs ou sans hypothèse, mais normalisé au g HWW

16 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 16 H→ZZ Exp. Results after L=100fb -1 CP angle analyser e+e− → ZH au seuil, Z  μμ, qq H   +  –  ρ π spin, CP Mesure du spin (2 semaines/points) CP + CP– δ φ ~ π/(2√N) Quelques degrés de précision !!! Violation de CP à quelques %  - angle between decay planes in the rest frame of the Higgs boson  - angle between leptons and the momentum of the Z in the rest frame of the Z (Gottfried Jackson angle).

17 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 17 H→ZZ Exp. Results after L=100fb -1 Mesure du spin (2 semaines/points) CP angle analyser CP + CP– δ φ ~ π/(2√N) Quelques degrés de précision !!! e+e− → ZH au seuil, Z  μμ, qq H   +  –  ρ π spin, CP Violation de CP à quelques %  - angle between decay planes in the rest frame of the Higgs boson  - angle between leptons and the momentum of the Z in the rest frame of the Z (Gottfried Jackson angle). Le spin et CP du Higgs se mesurent sans problème Le spin et CP du Higgs se mesurent a priori sans problème Plus fort encore, une violation de CP de quelques % est mesurable dans la désintégration du Higgs Au ILC

18 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 18 Autocouplage potentiel de Higgs) (potentiel de Higgs) HH Dans le modèle standard HH = F(M H )

19 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 19 ∆  /   10% HH à 1 TeV e+e−→ZHH, HH à 1 TeV Measured  2 ans de lumi. ∆  /   30% Mais pas sur la même zone de masse !! mHmHmHmH gg → HH 3000 fb -1 /expts S/  B  3.8 à 5.4 Reste une mesure difficile ZHH à 0.8 TeV e+e− → ZHH à 0.8 TeV   M bb -M H  GeV Autocouplage potentiel de Higgs) (potentiel de Higgs)

20 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 20 Le Higgs peut être découvert/observé/exclu à basse masse (la zone de masse dépend de la luminosité) Découvert/Observé jusqu’au TeV, même à basse lumi. ⊕ Les p remières lumières sur ses caractéristiques Étude exhaustive au ILC C’est la pièce manquante du château de carte MS (ou BSM) L’étude de ses caractéristiques est essentielle pour voir plus loin Plus précis sera sa connaissance, plus loin nous pourrons extrapoler Un Higgs de type Modèle Standard (ou proche) ne peut échapper aux investigations des 15 prochaines années

21 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 21 Exemple de test à base de mesures précises des couplages g ttH /g ttH g ttH /g ttH (SM) g WWH /g WWH g WWH /g WWH (SM) Prédiction MSSM 11 300<m A <1000 GeV 200<m A <300 GeV 100<m A <200 GeV TEST DE MSSM 1  1  95%CL

22 J.-C. Brient - journée DAPNIA/IN2P3 - 2004 22 Dans le secteur Higgs Il n’y aura peut être qu’un seul Higgs à se mettre sous la dent Et maintenant