Contraintes directes et indirectes sur le boson de Higgs

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Contraintes directes et indirectes sur le boson
de Higgs

• Introduction
• la recherche directe du Higgs
• La recherche indirecte du Higgs
• Rappels méthodologiques
• Les observables électrofaibles
• Interprétation
• le Modèle Standard
• la Supersymétrie
• Les modèles alternatifs
• Perspectives
• TeVatron LHC ILC etc
• Conclusion

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La recherche directe du Higgs
3
Le boson de Higgs Standard contraintes
expérimentales

• Recherches directes à LEP
• Luminosité L 2461 pb-1
• Energie vs 189 209 GeV/c2
• Canaux de recherche
• ee- ? HZ
• HZ ? bbll
• HZ ? bbqq etc

-
-
-
CERN-EP /2003-11
mH 114.4 GeV/c2 _at_ 95 CL
4
Le boson de Higgs du MSSM contraintes
expérimentales

• Recherche directe de Higgs SUSY
• Luminosité L 870 pb-1
• Energie vs 200-209 GeV
• Canaux
• e-e ? Zh
• e-e ? hA
• ? Dépendance en mA et tanß
• Scénario
• Mélange maximal entre t1,t2

Cas le moins contraint


LHWG Note /2004-1
mh 93 GeV/c2 _at_ 95 CL mA 92.4 GeV/c2 _at_ 95 CL
5
Sur la trace du Higgs...via les mesures
indirectes
6
Les mesures indirectes du secteur de Higgs
principe

• Choix du contexte théorique
• Théorie renormalisable (Modèle Standard, SUSY
  etc)
• Calcul/prédiction de toutes les observables
• à partir dun ensemble fini de paramètres
• à tous les ordres de corrections radiatives
• Choix des observables mesurées pour le Higgs
• Observables électrofaibles
• clairement définies théoriquement sensibles
• au (secteur de) Higgs
• précisement déterminées ( 1/1000)
• Interprétation des mesures dans le cadre
  théorique
• Ajustement des mesures aux prédictions
• Optimisation de lajustement global (?2/d.o.f.)

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Choix du contexte théorique Le Modèle Standard

• Le Modèle Standard
• Calcul/prédiction de toutes les observables
• à partir dun ensemble fini de paramètres
• à tous les ordres de corrections radiatives
• qui absorbe les corrections dues à mf, mH

mZ Masse du boson Z GF
Constante de Fermi ?EM Constante de
couplage EM ?s Constante de couplage
forte
Ordre 0
mfermions Masse des 6 fermions mH
Masse du Higgs (LIBRE)
ordres
A
Formalisme des couplages effectifs du Z aux
fermions absorbant les corrections radiatives
gVf v? (T(3)f 2Qf sin2?eff )
gAf v? T(3)f
Ordre 1
Ordre 0
H
t
H


Z
Z
Z
Z
Z
Z
-
t
Les corrections électrofaibles - dépendent de
mt et mH - sont de lordre de 1
8
Choix des observables LEP SLAC

• Observables électrofaibles
• Mesures de précision (1989-2000)
• Haute statistique L 160 pb-1 x 4 au pic du
  Z
• L 700 pb-1 x 4 entre 130-209
  GeV
• Bon contrôle des erreurs systématiques

4 expériences LEP 16 millions Z
4 expériences LEP 35000 W
4 expériences LEP 0 Higgs ?
9
2. Choix des observables LEP SLAC

• Observables électrofaibles
• Mesures de précision (1989-2000)
• Haute statistique L 160 pb-1 x 4 au pic du
  Z
• L 700 pb-1 x 4 entre 130-209
  GeV
• Bon contrôle des erreurs systématiques

4 expériences LEP 16 millions Z
Observables du Z incertitude
Masse mZ Largeur GZ Section efficace Rapport Ghad/Gl Asymetrie A0lFB etc... 0.002 0.09 0.09 0.12
4 expériences LEP 35000 W
Observables incertitude
Masse mW Largeur GW 0.05 4.1
4 expériences LEP 0 Higgs ?
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2. Choix des observables Le TeVatron

• Observables électrofaibles
• Observables de hautes énergies
• 2 expériences (DØ, CDF)
• Mesures réalisées entre 1989-1995
• 3 observables mesurées

DØCDF Run1 140 000 W Run2 5.6 millions
Transverse Mass mWT
1500 1000 500 0
W?µ?
DØCDF Run1 200 top Run2 10000 top
60 80
100
mWT(GeV/c2)
s(pb)
s(pp?tt) vs vs
1750 1800 1850 1900 1950 2000
vs (GeV)
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2. Choix des observables Le TeVatron

• Observables électrofaibles
• Observables de hautes énergies
• 2 expériences (DØ, CDF)
• Mesures réalisées entre 1989-1995
• 3 observables mesurées

DØCDF Run1 140 000 W Run2 5.6 millions
Observable Précision
mW(Run1) GW(Run1) 0.07 5.0
mW(Run2) GW(Run2) 0.02 ? 1.5 ?
DOCDF Run1 200 top Run2 10000 top
Observable Précision
mtop(Run1) 2.4
mtop(Run2) 1.3 ?
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Observables électrofaibles la résonance du Z

• Observables de la résonance du Z
• Courbe de résonance
• Mesure des sf
• Extraction de
• ? Asymétries au pic
• o Mesures de

-
ee-? ff
1990-92
1993
s0had,s0l
1994
?
12p GeGf m2Z G2Z
1995
s0ff
GZ
Ghad Gll-
R0l
?
?
Sensibilité à mH via Gf a (g2Vg2A)
MZ
vs (GeV)
s(cos?gt0)-s(cos?lt0) s(cos?gt0)s(cos?lt0)
? A0,fFB (M2Z) ¾ AeAf
A0,fFB
A0,fFB
A0,fFB ¾ Ae Af
Sensibilité à mH via Af a gVfgAf / (g2Vfg2Af)
MZ
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Observables électrofaibles la résonance du Z

• Observables de la résonance du Z
• Courbe de résonance
• Mesure des sf
• Extraction de
• ? Asymétries au pic
• o Mesures de

12p GeGf m2Z G2Z
s0ff
Ghad Gll-
R0l
Sensibilité à mH via Gf a (g2Vg2A)
mesures (68 CL)
s(cos?gt0)-s(cos?lt0) s(cos?gt0)s(cos?lt0)
A0,fFB
A0,fFB ¾ Ae Af
Sensibilité à mH via Af a gVfgAf / (g2Vfg2Af)
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Les observables électrofaibles la masse du
boson W (mW)

• Masse du W à LEP
• Canaux de recherches
• ee- ? WW- ? qqqq, qql?, l?l?
• Reconstruction de la masse invariante Minv
• 36000 evénements
• Masse du W au TeVatron
• Canaux de recherche

Préliminaire
mW(LEP) 80412 42 MeV/c2
Run1 Final
mW(Run1) 80452 59 MeV/c2
?mW(Run2) 20 MeV/c2
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Les observables électrofaibles la masse du
quark top (mt)

• Masse du quark Top au TeVatron
• Luminosité L 110 pb-1
• Canaux de recherche
• pp ? tt
• ? WbWb ? lvb qqb leptonjets
• ? WbWb ? lvb lvb di-lepton

Préliminaire
mt(Run1) 178.0 4.3 GeV/c2
?mt(Run2) 2.0 GeV/c2
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Ajustement des observables au Modèle Standard
LEP mZ, GZ ,s0had,Rhad ,A0,lFB Ptau ? Al QFB ?
sin2?eff mW , GW
Ajustement MS ZFITTER TOPAZØ
SLD Al LEPSLD Rb, Rc, A0,bFB A0,cFB Ab, Ac
Output mH et/ou mt , mW
TEVATRON mW, GW, mtop
NuTeV sin2?W ee?qq basse énergie ?a(5)had
-
17
Interpretation dans le cadre du Modèle Standard

• Ajustement des Mesures
• Interprétation

?2/d.o.f. 15.8/13
Probabilité 26
Les mesures nont jamais été en aussi bon accord
avec le MS
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Interprétation dans le cadredu Modèle Standard

• Interprétation dans (mW ,mt)
• Mesures de mW et mt
• Cohérence entre mesures directes indirectes
• Comparaison aux prédictions du MS
• Les mesures directes favorisent un Higgs léger

Mesures actuelles (LEP2TEV)
Modèle Standard
Contraintes indirectes (LEP1SLD)
Incertitude due à ?a
Les mesures de mt et mW favorisent de faibles
valeurs de mH
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Interprétation dans le cadredu Modèle Standard

• Contraintes sur la masse du Higgs
• Ajustement des 17 observables au MS
• ? Valeurs les plus probables de mH (libre)

mH 11465-49 GeV/c2 mH lt 260 GeV/c2 _at_ 95
La sensibilité est limitée par les incertitudes
sur mtop
20
Interprétation dans le cadre supersymétrique

• La supersymétrie
• Extension du MS la plus attractive
• Unification des constantes de couplages
• Explication de la forme du potentiel de Higgs
• Prédiction dune LSP candidat matière noire
  
• Conséquences phénoménologiques
• Doublement du spectre des particules
• Fermions partenaires bosoniques
• bosons partenaires fermioniques
• ? Corrections radiatives différentes
• Conséquences sur le secteur de Higgs
• Plusieurs Higgs (H, H-,H,h,A)
• Le spectre des masses de Higgs est PREDIT

• Prédiction des observables
• électrofaibles ? MS

Higgs le plus léger mh lt 135 GeV/c2
21
Interprétation dans le cadre supersymétrique

• Interprétation dans (mW ,mt)
• Comparaison MS vs MSSM
• Zone SUSY légerement favorisée vs MS
• Recouvrement faible entre le MS et le MSSM
• ? Correspondant à mh lt 135 GeV/c2

hep-ph/0307177
MSSM
Light MSSM
Heavy MSSM
mesures mW,mt (68 CL)
Recouvrement MS et MSSM
Modèle Standard mH de 114 à 1000 GeV/c2
mH GeV
114 300 1000
Le modèle du MSSM est compatible avec les
données électrofaibles
22
Interprétation dans le cadre de Modèles
alternatifs

• Modèles alternatifs
• Ensemble de modèles
• Incluant le groupe de jauge SU(2)xU(1)
• ? En accord avec les mesures de précision
• Prédiction dun secteur scalaire modifié
• Higgs plus lourd (500-1000 GeV/c2)
• Sans Higgs
• ? Accord conservé avec mesures par compensation
  dans des effets dun Higgs lourd par

Mesures electrofaibles (68 CL)
Modèle Standard (ST0) mH114 GeV/c2 mt 178
GeV/c2
23
Interprétation MS versus SUSY prospectives

• Observables électrofaibles
• Gain en sensibilité
• TeVatron RUN II LHC (ATLASCMS) ILC

Now RunII (2fb-1) RunII (8 fb-1) LHC (30 fb-1) LC
?sin2?eff dmW(MeV) 17 33 78 27 78 20 14-20 15 1.3 7
dmt(GeV) dmH(MeV) 5.1 --- 2.7 --- 2.0 ? 1.0 100 0.13 50
MSSM
light SUSY
MH113 GeV
Le LHC et le ILC devraient permettre de
distinguer les modeles
24
Conclusion Contraintes sur le boson de Higgs

• Les mesures de précision
• Le secteur des interactions électrofaibles des
  hautes
• énergies a été sondé précisement par
  LEP/SLDTeVatron
• ? Sensibilité des mesures aux corrections
  électrofaibles
• Les interprétations
• Le MS décrit avec une précision sans précédent
  les interactions électrofaibles
• Accord remarquable observé avec les prédictions
• La masse du Higgs est un paramètre libre du MS
  Lajustement global donne
• mH lt 260 GeV/c2 _at_ 95
• La supersymétrie offre un cadre théorique
  satisfaisant. Expérimentalement
• Lajustement aux observables électrofaibles est
• au moins aussi satisfaisant que pour le MS
  
• La masse du boson de Higgs est prédite mais en
• fonction de paramètres non fixés. Cependant
• mH lt 135 GeV/c2
• Il existe toujours des modèles alternatifs qui

25
Perspectives

• Le TeVatron permettra
• daffiner le test du MS vs MSSM par une meilleure
  connaissance de mtop et mW
• Peut-être de mettre en évidence (3 s) un Higgs
• léger (lt 130 GeV/c2) pour une luminosité 8
  fb-1
• Le LHC permettra
• La découverte (5s) de(s) Higgs(es) et une mesure
• de ses (leurs) propriétés (masse, largeur,
  couplages)
• Dapporter les premières réponses quant à
  lidentification du modèle sous-jacent
• Le ILC devrait permettre ...
• La mesure précise des propriétés du(es) Higg(ses)
  
• Les tests de cohérence des modèles par le biais
  des
• mesures de (très grande) précision

26
BACKUP SLIDES
27
Observables électrofaibles Asymétries des
quarks vs leptons

• Asymétries des Quarks et leptons
• Quantités mesurées
• Asymétries Ab et Ac de SLD
• Asymétries A0,bFB et A0,cFB de LEP
• Asymétries Al de SLDLEP

mesures (68 CL)
?a
1000
114
Modèle Standard avec mH ?114,1000 GeV/c2
28
Observables électrofaibles couplages effectifs
leptoniques

• Couplages effectifs leptoniques
• Quantités mesurées pour Z? l-l
• Gl Largeurs de désintégration Gl
• Al (polarisation du tau)
• Al (asymétrie F/B A0,lFB)
• Al (asymétrie LR/FB faisceaux polarisés)
• Universalité des 3 leptons

LEP1 SLD
29
La recherche Higgs au TeVatron Bilan Revisité

• Perspectives
• Re-analyses (2003) faites en utilisant les
  données Run IIa
• Canaux WH?l?bb et ZH???bb
• ? Ré-éstimation des fonds
• ? Paramétrage de l efficacité détiquetage des b
• ? Etudes de résolution Mbb
• ? Généralisation de lusage des NN
• Le Run IIa est défini par la durée de vie des
  détecteurs de Vertex
• ? Dégradation attendue des performances 4 fb-1

FERMILAB-PUB-03/320-E
LEP exclu
4 fb-1
? La direction de FermiLab a rennoncé a lupgrade
des détecteurs de Vertex (début 2003) ? Il
nest donc pas impossible de retrouver une
position similaire à celle de LEP-II dici
2007, avec les indices dun signal
statistiquement insuffisamment significatif
30
Interprétation dans le cadre supersymétrique
31
Interprétation dans le cadre supersymétrique

• Interprétation dans (mW ,mt)
• Comparaison MS vs SUSY
• Zone SUSY légerement favorisée vs MS
• Recouvrement faible entre le MS et le MSSM
• ? Correspondant à mh lt 135 GeV/c2

hep-ph/0307177
MSSM
Light SUSY
Heavy SUSY
mesures mW,mt (68 CL)
Recouvrement MS et MSSM
Modèle Standard mH de 114 à 1000 GeV/c2
Les modèles SUSY sont légerement favorisés vs
le MS
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Interprétation MS versus SUSY prospectives

• Observables électrofaibles
• Gain en sensibilité
• TeVatron RUN II LHC (ATLASCMS) ILC

Now RunII (2fb-1) RunII (8 fb-1) LHC (30 fb-1) LC
?sin2?eff dmW(MeV) 17 33 78 27 78 20 14-20 15 1.3 7
dmt(GeV) dmH(MeV) 5.1 --- 2.7 --- 2.0 ? 1.0 100 0.13 50
MSSM
light SUSY
MH113 GeV
Le LHC et le ILC devraient permettre de
distinguer les modeles
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Les observables électrofaibles la masse du
quark top (mt)

• Masse du quark Top au TeVatron
• Luminosité L 110 pb-1
• Canaux de recherche
• pp ? tt
• ? WbWb ? lvb qqb leptonjets
• ? WbWb ? lvb lvb di-lepton

Préliminaire
Mesure de mt (68 CL)
mt(Run1) 178.0 4.3 GeV/c2
?mt(Run2) 2.0 GeV/c2
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Les observables électrofaibles la masse du
boson W (mW)

• Masse du W à LEP
• Canaux de recherches
• ee- ? WW- ? qqqq, qql?, l?l?
• Reconstruction de la masse invariante Minv
• 36000 evénements
• Masse du W au TeVatron
• Canaux de recherche

Préliminaire
mW(LEP) 80412 42 MeV/c2
Mesurede mW (68 CL)
Run1 Final
mW(Run1) 80452 59 MeV/c2
?mW(Run2) 20 MeV/c2