Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften

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1 Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften Michael Rauch 8. November 2 I NSTITUT F U R T HEORETISCHE P HYSIK KIT Universita t des Landes Baden-Wu rttemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 L = L Bislang beobachtete Teilchen Materieteilchen: Quarks, Leptonen Kraftteilchen: Photon, W /Z -Boson, Gluon Mathematische Formulierung: Eichtheorie (SU(3) c SU(2) L U() Y ) ψ L i /D L ψ L + R ψ R i /D R ψ R 4 Ga µν Ga,µν 4 W a µν W a,µν 4 BµνBµν wobei D µ L = µ + ig st a G a,µ + ig Y 2 Bµ igt a W a,µ D µ R = µ + ig st a G a,µ + ig Y 2 Bµ M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

3 Bislang beobachtete Teilchen Materieteilchen: Quarks, Leptonen Kraftteilchen: Photon, W /Z -Boson, Gluon Mathematische Formulierung: Eichtheorie (SU(3) c SU(2) L U() Y ) linkshändige Fermionen rechtshändige Fermionen L = ψ L i /D L ψ L + ψ R i /D R ψ R L R 4 Ga µν Ga,µν 4 W a µν W a,µν 4 BµνBµν wobei Gluon elektroschwache Eichbosonen D µ L = µ + ig st a G a,µ + ig Y 2 Bµ igt a W a,µ }{{} D µ R = µ + ig st a G a,µ + ig Y schwache Wechselwirkung Bµ maximal paritätsverletzend [Wu] 2 M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

4 Bislang beobachtete Teilchen Materieteilchen: Quarks, Leptonen Kraftteilchen: Photon, W /Z -Boson, Gluon Mathematische Formulierung: Eichtheorie (SU(3) c SU(2) L U() Y ) linkshändige Fermionen rechtshändige Fermionen L = ψ L i /D L ψ L + ψ R i /D R ψ R L R 4 Ga µν Ga,µν 4 W a µν W a,µν 4 BµνBµν wobei Gluon elektroschwache Eichbosonen D µ L = µ + ig st a G a,µ + ig Y 2 Bµ igt a W a,µ }{{} D µ R = µ + ig st a G a,µ + ig Y schwache Wechselwirkung Bµ maximal paritätsverletzend [Wu] 2 keine Massenterme Fermion: L mass,f = m f ( ψ L ψ R + ψ R ψ L ) Eichboson: verletzen Eichinvarianz L mass,v = m2 V 2 V µv µ M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

5 Spontane Symmetriebrechung Lösung: Spontane Symmetriebrechung Idee: zusätzliches Feld Φ sodass L invariant unter Eichtransformationen aber Grundzustand nicht nichtverschwindender Vakuumerwartungswert von Φ Bsp. Ferro-Magnetismus: T > T c: keine Magnetisierung Drehsymmetrie T < T c: spontane Magnetisierung ausgezeichnete Richtung, Symm. gebrochen M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 3/33

6 Spontane Symmetriebrechung Lösung: Spontane Symmetriebrechung Idee: zusätzliches Feld Φ sodass L invariant unter Eichtransformationen aber Grundzustand nicht nichtverschwindender Vakuumerwartungswert von Φ Bsp. Ferro-Magnetismus: T > T c: keine Magnetisierung Drehsymmetrie T < T c: spontane Magnetisierung ausgezeichnete Richtung, Symm. gebrochen Feldtheorie: globale kontinuierliche Symmetrie: masseloses Goldstone-Boson für jeden gebrochenen Generator lokale Eichsymmetrie: durch Eichtransformation eliminiert (would-be Goldstone-Bosonen) longitudinale Moden der Eichbosonen L µ 2 (Φ Φ) λ(φ Φ) 2 µ 2 > M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 3/33

7 Spontane Symmetriebrechung Lösung: Spontane Symmetriebrechung Idee: zusätzliches Feld Φ sodass L invariant unter Eichtransformationen aber Grundzustand nicht nichtverschwindender Vakuumerwartungswert von Φ Bsp. Ferro-Magnetismus: T > T c: keine Magnetisierung Drehsymmetrie T < T c: spontane Magnetisierung ausgezeichnete Richtung, Symm. gebrochen Feldtheorie: globale kontinuierliche Symmetrie: masseloses Goldstone-Boson für jeden gebrochenen Generator lokale Eichsymmetrie: durch Eichtransformation eliminiert (would-be Goldstone-Bosonen) longitudinale Moden der Eichbosonen L µ 2 (Φ Φ) λ(φ Φ) 2 µ 2 < M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 3/33

8 Higgs-Mechanismus im Standardmodell Standardmodell: Higgs-Mechanismus [Higgs; Guralnik, Hagen, Kibble; Englert, Brout 964] (basierend auf ähnlichen Ideen in der Festkörperphysik) [Anderson 963] Füge Higgsfeld als SU(2)-Dublett mit Hyperladung + ein: ( ) ( ) φ + G + Φ = φ = (v + H + ig ) 2 M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 4/33

9 Higgs-Mechanismus im Standardmodell Standardmodell: Higgs-Mechanismus [Higgs; Guralnik, Hagen, Kibble; Englert, Brout 964] (basierend auf ähnlichen Ideen in der Festkörperphysik) [Anderson 963] Füge Higgsfeld als SU(2)-Dublett mit Hyperladung + ein: ( ) ( ) φ + G + Φ = φ = (v + H + ig ) 2 Bricht SU(2) L U() Y U() em ( Photon masselos) G ±, G longitudinale Moden von W ±, Z H reelles Skalarfeld Higgs-Boson v = 2M W 246 GeV Vakuumerwartungswert e M2 W M 2 Z Beitrag zur Lagrangedichte: L H = (D L,µ Φ) (D µ L Φ) kinetischer Term + m2 H 2 Φ Φ m2 H 2v 2(Φ Φ) 2 Higgs-Potential (λ l LΦeR +λ u QΦ c u R +λ d QΦdR + h.c.) Yukawa-Kopplung an Fermionen M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 4/33

10 Higgs-Mechanismus im Standardmodell Standardmodell: Higgs-Mechanismus [Higgs; Guralnik, Hagen, Kibble; Englert, Brout 964] Füge Higgsfeld als SU(2)-Dublett mit Hyperladung + ein: ( ) ( ) φ + G + Φ = φ = (v + H + ig ) 2 Beitrag zur Lagrangedichte: L H = (D L,µ Φ) (D µ L Φ) + m2 H 2 Φ Φ m2 H 2v 2(Φ Φ) 2 (λ l LΦeR +λ u QΦ c u R +λ d QΦdR + h.c.) SSB = 2 ( µh)( µ H) m2 H 2 H2 m2 H 2v H3 m2 H 8v 2 H4 (Massen- und WW-terme mit Eichbosonen) Fermionen λ f 2 (v + H) ψ f ψ f Massenterm (m f = λ f v 2 ) Fermion-Higgs-Kopplung M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 4/33

11 Unitaritätsverletzung Higgs löst weiteres Problem: longitudinale W -Streuung ohne Higgs W W W W W W + Z,γ + Z,γ W W W W W W Hochenergielimes: Schwerpunktsenergie S Wirkungsquerschnitt divergiert σ S zusätzliche Higgs-Diagramme W W W W H + H W W W W heben Divergenz exakt weg σ /S Auftreten der Unitaritätsverletzung O( TeV) zugänglich bei LHC-Energien M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 5/33

12 Vor-LHC Status Direkte Suchen bei LEP und Tevatron kein Higgs in getesteten Massenbereichen Higgs erzeugt indirekte Effekte durch Auftreten in Schleifenkorrekturen log M 2 H Vorhersage möglich χ LEP 95% CL Tevatron 95% CL H W W G fitter SM Dec 9 3σ W [GFitter 29] Theory uncertainty Fit including theory errors Fit excluding theory errors 2σ σ M H [GeV] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 6/33

13 Erzeugungskanäle des Higgs Haupt-Higgsboson-Erzeugungskanäle: Gluon-Gluon-Fusion g g t t h t Vektorboson-Fusion Õ Õ ¼ σ(pp H+X) [pb] pp H (NNLO+NNLL QCD + NLO EW) qqh (NNLO QCD + NLO EW) pp pp WH (NNLO QCD + NLO EW) pp ZH (NNLO QCD +NLO EW) pp tth (NLO QCD) s= 7 TeV LHC HIGGS XS WG 2 Ï Ï ¼ - Õ ¼¼ Õ ¼¼¼ Assoziierte Erzeugung mit Eichbosonen q W,Z q h W,Z Assoziierte Erzeugung mit Top-Quark Antiquark-Paar g g t t H t t M H [GeV] σ(pp H+X) [pb] 2 - H (NNLO+NNLL QCD + NLO EW) pp pp qqh (NNLO QCD + NLO EW) pp WH (NNLO QCD + NLO EW) pp ZH (NNLO QCD +NLO EW) pp tth (NLO QCD) s= 4 TeV M H [GeV] LHC HIGGS XS WG 2 M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 7/33

14 Higgs-Zerfallskanäle H b b Haupt-Zerfallskanal ( 9%) für leichte Higgsbosonen (m H 4 GeV ), wie von experimentellen Daten bevorzugt schwer aus QCD-Untergründen zu rekonstruieren kürzlicher Vorschlag von WH/ZH Produktion plus Jet-Substruktur-Analyse vielversprechend 3 fb & 4 TeV) [Butterworth, Davison, Rubin, Salam; ATL-PHYS-PUB-88] H τ τ Rekonstruktion der invarianten Masse der beiden Taus notwendig beschränkt Produktionskanal auf Vektorboson-Fusion einer der Entdeckungskanäle für leichte Higgsbosonen [Plehn, Rainwater, Zeppenfeld] H WW H ZZ H γγ Branching ratios ττ cc bb gg γγ Zγ WW ZZ M H [GeV] LHC HIGGS XS WG 2 M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 8/33

15 Higgs-Zerfallskanäle H b b H τ τ H WW Hauptzerfallskanal für schwerere Higgsbosonen (m H 4 GeV ) Gluon- und Vektorboson-Fusion relevant selbst für off-shell W s H ZZ Goldener Kanal aufgrund des Vier-Lepton-Endzustands statistisch limitiert auf höhere Higgsmassen H γγ Branching ratios ττ cc bb gg γγ Zγ WW ZZ M H [GeV] LHC HIGGS XS WG 2 M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 8/33

16 Higgs-Zerfallskanäle H b b H τ τ H WW H ZZ H γγ schleifeninduzierte Kopplung durch (hauptsächlich) W und t einziger voll rekonstruierbarer Kanal für leichte Higgsbosonen kleines Verzweigungsverhältnis (.2%) vielversprechender Entdeckungskanal für leichte Higgsbosonen, Untergrund kann über Seitenbänder subtrahiert werden Higgs-Massenbestimmung bis zu MeV genau Branching ratios ττ cc bb gg γγ Zγ WW ZZ M H [GeV] LHC HIGGS XS WG 2 M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 8/33

17 Higgs-Suchen am LHC Higgs-Ereignisse am LHC Erstes Higgs-Ereignis im CMS-Detektor am 4. April 28 M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 9/33

18 Higgs-Suchen am LHC Higgs-Ereignisse am LHC Erstes Higgs-Ereignis im CMS-Detektor am 4. April 28 Higgs-Kandidat (e + e µ + µ ) in CMS M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 9/33

19 Stand der Suchen CMS Tevatron 95% CL limit on σ/σ SM CMS Preliminary, s = 7 TeV - Combined, L =.-.7 fb int Observed Expected ± σ Expected ± 2σ 95% CL Limit/SM Tevatron Run II Preliminary, L 8.6 fb - LEP Exclusion Expected Observed ±σ Expected ±2σ Expected Tevatron Exclusion SM= ATLAS 95% CL Limit on σ/σ SM Higgs boson mass (GeV/c ) ATLAS Preliminary Observed Expected ± σ ± 2 σ CLs Limits - Ldt =.-2.3 fb m H [GeV] s = 7 TeV Tevatron Exclusion July 7, m H (GeV/c 2 ) Entdeckungsaussichten Significance, σ fb - fb s=7 TeV s=8 TeV s=7 TeV fb 5fb - s=8 TeV ATLAS Preliminary (Simulation) m H [GeV] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 /33

20 Stand der Suchen CMS 95% CL limit on σ/σ SM Tevatron Combined ATLAS+CMS (4.4 GeV < m H < 4 GeV ) CMS Preliminary, s = 7 TeV - Combined, L =.-.7 fb int Observed Expected ± Expected ± σ 2σ 95% CL Limit/SM Tevatron Run II Preliminary, L 8.6 fb - LEP Exclusion SM= Expected Observed ±σ Expected ±2σ Expected Tevatron Exclusion ATLAS 95% CL Limit on σ/σ SM Higgs boson mass (GeV/c ) ATLAS Preliminary Observed Expected ± σ ± 2 σ CLs Limits - Ldt =.-2.3 fb m H [GeV] s = 7 TeV [Rolandi, talk at HCP, Nov 8, 2] Tevatron Exclusion July 7, m H (GeV/c 2 ) Entdeckungsaussichten Significance, σ fb - fb s=7 TeV s=8 TeV s=7 TeV fb 5fb - s=8 TeV ATLAS Preliminary (Simulation) m H [GeV] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 /33

21 Higgseigenschaften Ist beobachtete Resonanz wirklich Higgs? Spin--Teilchen Spin- ausgeschlossen durch H γγ Spin-2: betrachte Winkelverteilungen [Landau-Yang theorem] [Hagiwara, Mawatari, Li; Frank, MR, Zeppenfeld] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 /33

22 Spin-2 Teilchen Effektive Theorie allg. Dimension-5-Operatoren Übergang zur vollen Theorie an Skala Λ Spin-2-Teilchen T koppelt nur an elektroschwachen Sektor L Spin-2 = ( ) Λ Tµν f B σν B µσ + f 2 Wa σν Wσ aν + 2f 5(D µ Φ) (D µφ) Betrachte Vektorboson-Fusion mit Zerfall in Photon-Paar f Λ = f 2 Λ = f 5 Λ = 2 TeV M T,H = 3 GeV Unterscheidung am LHC möglich aber: keine Unitarisierung longitudinaler WW -Streuung [Frank, MR, Zeppenfeld] [Frank, Schissler, Zeppenfeld] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

23 Higgseigenschaften Ist beobachtete Resonanz wirklich Higgs? Spin--Teilchen Spin- ausgeschlossen durch H γγ Spin-2: betrachte Winkelverteilungen [Landau-Yang theorem] [Hagiwara, Mawatari, Li; Frank, MR, Zeppenfeld] CP-Eigenschaft SM-Higgs CP-gerade erweiterte Higgssektoren auch CP-ungerade oder gemischte Zustände betrachte Winkelverteilungen [Plehn, Rainwater, Zeppenfeld; Klämke, MR, Zeppenfeld] [Choi, Eberle, Miller, Mühlleitner, Zerwas] [Englert, Hackstein, Spannowsky] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 3/33

24 Higgseigenschaften Ist beobachtete Resonanz wirklich Higgs? Spin--Teilchen Spin- ausgeschlossen durch H γγ Spin-2: betrachte Winkelverteilungen [Landau-Yang theorem] [Hagiwara, Mawatari, Li; Frank, MR, Zeppenfeld] CP-Eigenschaft SM-Higgs CP-gerade erweiterte Higgssektoren auch CP-ungerade oder gemischte Zustände betrachte Winkelverteilungen [Plehn, Rainwater, Zeppenfeld; Klämke, MR, Zeppenfeld] [Choi, Eberle, Miller, Mühlleitner, Zerwas] [Englert, Hackstein, Spannowsky] Kopplungen Unitarität in W L W L W L W L -Streuung Kopplung g WWH m W festgelegt Fermionmassen g f fh m f Higgs-Selbstkopplungen bestimmen Form des Higgspotentials über 3- und 4-Higgs-Kopplungen Operatoren höherer Ordnung (Skala neuer Physik Λ): V(Φ) = ) λ n 2+n n ( Φ 2 Λ 2n + v2 2 M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 4/33

25 Higgs-Selbstwechselwirkungen Vermessung des Higgs-Potentials über Higgs-Selbstwechselwirkung 3-Higgs-Kopplung λ 3 [Baur, Plehn, Rainwater; Djouadi, Mühlleitner, Kilian, Zerwas] [Miller, Moretti; Castanier, Gay, Lutz, Orloff] Ø À Ø À Ø À Ø Ø Ø À Ø À Collider ( S) Genauigkeit Vertrauensniveau Luminosität LHC (4 TeV) λ 3 95% 3 fb SLHC (4 TeV) δλ 3 2% 95% 3 ab VLHC (2 TeV) δλ 3 % 95% ab ILC (5 GeV) δλ 3 2% σ ab CLIC (3 TeV) δλ 3 8% σ 5 ab M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 5/33

26 Higgs-Selbstwechselwirkungen 4-Higgs-Kopplung λ 4 [Plehn, MR; Binoth, Karg, Kauer, Rückl; CLIC WG] Ø Ø Ø À À À À Ø Ø Ø À À À À À Ø Ø Ø Ø À À À À Ø Ø Ø Ø Ø À À À verallgemeinerte Kopplungen (λ 3, λ 4 ) Collider: VLHC ( S = 2 TeV); M H = 2 GeV ; σ SM = 9.45 fb (Wirkungsquerschnitt zu klein für e + -e -Collider (ILC, CLIC)).35 σ/σ SM SM Wert λ 4 /λ SM /σ tot dσ/dm inv λ 3 /λ SM = λ 3 /λ SM = λ 4 /λ SM = λ 4 /λ SM = λ 4 /λ SM = 2 λ 3 /λ SM = 2 λ 3 /λ SM M inv [GeV] große Herausforderung für LHC und darüber hinaus M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 5/33

27 Verallgemeinerter Higgssektor Wie gut können wir die SM-Higgskopplungen bestimmen? Können wir ein nicht-standardmodell-artiges Higgs unterscheiden? Theorie: Standardmodell plus verallgemeinerter Higgssektor Für im Standardmodell vorhandene Higgskopplungen j = W, Z, t, b,τ ersetze Kopplungen durch g jjh gjjh SM ( ) + jjh ( = 2 bedeutet Vorzeichenwechsel) Für schleifeninduzierte Higgskopplungen ( j = γ, g ersetze) durch g jjh gjjh SM + SM jjh + jjh wobei gjjh SM : (schleifeninduzierte) Kopplung im Standardmodell SM : Beitrag von modifizierter Baumgraph-Kopplung jjh an Standardmodellteilchen jjh : zusätzlicher (Dimension-fünf-)Beitrag Zusätzliche freie Parameter: Higgsboson-Masse m H Top- und Bottomquark-Masse m t, m b Vernachlässige Kopplungen, die nur von Analysen mit hoher integrierter Luminosität verfügbar sind (g Hµµ, g eff HZγ, g HHH, g HHHH ) M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 6/33

28 SFitter Benötige Scans hoch-dimensionaler Parameterräume SFitter [Lafaye, Plehn, MR, Zerwas] Verallgemeinerte Higgskopplungen aus modifizierter Version von HDecay [Spira] Vier Scantechniken: Gewichtete Markovketten Gekühlte Markovketten (äquivalent zu Simulierter Abkühlung) Gradientenminimierung (Minuit) Nested Sampling [Skilling; Feroz, Hobson] Ausgabe von SFitter: Volldimensionale Log-likelihood-Karte Reduzierung auf darstellbare ein- oder zwei-dimensionale Verteilungen über Bayesische (Marginalisierung) or Frequentist (Profile-likelihood) Techniken Liste der besten Punkte Bereits erfolgreich für SUSY Parameterbestimmungsstudien benutzt M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 7/33

29 Higgs am LHC Produktion gg H qqh gg H qqh t th t th inklusiv qqh t th WH ZH qqh qqh t th WH/ZH Totale Breite Zerfall ZZ ZZ WW WW WW(3l) WW(2l) γγ γγ γγ γγ γγ ττ(2l) ττ(l) b b b b (subjet) Entartung σ BR gp 2 (Γ Γ H g 2 ) H Hier: Γ H = Σ SM Γ i g 2 d [Zeppenfeld, Kinnunen, Nikitenko, Richter-Was; Dührssen et al.] [Lafaye, Plehn, MR, Zerwas, Dührssen 29] WWH ZZH tth bbh ττh γγh ggh m H [GeV] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 8/33

30 Fehleranalyse Fehler mit Hilfe von. Toyexperimenten ermittelt: SM-Hypothese, m H = 2 GeV,L = 3 fb Fit mit Gaussverteilung der zentralen Regionen innerhalb einer Standardabweichung ohne eff. Kopplungen mit eff. Kopplungen Verhältnis jjh/wwh σ symm σ neg σ pos σ symm σ neg σ pos σ symm σ neg σ pos WWH ± ± ZZH ± ± ± tth ± ± ± bbh ± ± ± ττh ± ± ± γγh ± ± ggh ± ± WWH ZZH tth bbh ττh γγh ggh L = 3 fb mit eff. Kopplungen SM-Hypothese m H [GeV] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 9/33

31 Fehleranalyse Fehler mit Hilfe von. Toyexperimenten ermittelt: SM-Hypothese, m H = 2 GeV,L = 3 fb Fit mit Gaussverteilung der zentralen Regionen innerhalb einer Standardabweichung ohne eff. Kopplungen mit eff. Kopplungen Verhältnis jjh/wwh σ symm σ neg σ pos σ symm σ neg σ pos σ symm σ neg σ pos WWH ± ± ZZH ± ± ± tth ± ± ± bbh ± ± ± ττh ± ± ± γγh ± ± ggh ± ± WWH ZZH tth bbh ττh γγh ggh L = 3 fb mit eff. Kopplungen SM-Hypothese m H [GeV] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 9/33

32 Unsichtbar vs. unbeobachtet Unsichtbare Higgszerfälle sind beobachtbar Vektorboson-Fusion: Tagging Jets plus fehlende Transversalenergie [Eboli, Zeppenfeld] WH/ZH: Rückstoß gegen nichts [Choudhury, Roy; Godbole, Guchait, Mazumdar, Moretti, Roy] Unbeobachtbare Zerfälle in Teilchen mit großem Untergrund (wie H jets) z.b. erhöhte cch Kopplung (entsprechend 5.4 GeV Yukawakopplung) M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

33 Unsichtbar vs. unbeobachtet /χ 2.8 Unbeobachtbare Zerfälle in Teilchen mit großem Untergrund (wie H jets) z.b. erhöhte cch Kopplung (entsprechend 5.4 GeV Yukawakopplung) L = 3 fb, SM-Daten / erhöhtes cch / erhöhtes cch plus freie Breite WWH tth ggh M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

34 Unsichtbar vs. unbeobachtet /χ 2.8 Unbeobachtbare Zerfälle in Teilchen mit großem Untergrund (wie H jets) z.b. erhöhte cch Kopplung (entsprechend 5.4 GeV Yukawakopplung) L = 3 fb, SM-Daten / erhöhtes cch / erhöhtes cch plus freie Breite WWH tth ggh M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

35 Unsichtbar vs. unbeobachtet /χ 2.8 Unbeobachtbare Zerfälle in Teilchen mit großem Untergrund (wie H jets) z.b. erhöhte cch Kopplung (entsprechend 5.4 GeV Yukawakopplung) L = 3 fb, SM-Daten / erhöhtes cch / erhöhtes cch plus freie Breite WWH tth ggh Γ M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

36 Unsichtbar vs. unbeobachtet /χ 2.8 Unbeobachtbare Zerfälle in Teilchen mit großem Untergrund (wie H jets) z.b. erhöhte cch Kopplung (entsprechend 5.4 GeV Yukawakopplung) L = 3 fb, SM-Daten / erhöhtes cch / erhöhtes cch plus freie Breite nur freie Breite Y c SM Γ WWH tth ggh Γ M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

37 Higgs-Portal Zusätzlicher versteckter Sektor als Singlett unter SM-Eichgruppen Einzig mögliche Verbindung zum SM: L Φ sφ sφ h Φ h Φ s/h : Higgsfeld des SM/versteckten Sektors [Patt, Wilczek] Elektroschwache Symmetriebrechung: φ s/h (v s/h + H s/h )/ 2 σ = cos 2 χ σ SM Γ vis = cos 2 χ Γ SM vis Γ inv = cos 2 χ Γ SM inv +Γ hid (Γ SM : Zerfall H ZZ 4ν (vernachlässigbar) ) inv H s and H h mischen in Masseneigenzustände: ( ) ( )( ) H = cosχ sinχ Hs H 2 sinχ cosχ H h M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 2/33

38 Das Higgsportal Fit von cos 2 χ fit ohne Einschränkungen [Bock, Lafaye, Plehn, MR, D. Zerwas, P.M. Zerwas] Keine unsichtbaren Zerfallsmoden cos 2 χ th =. cos 2 χ th =.8 cos 2 χ th = % CL 68% CL.5 95% CL 68% CL cos 2 χ fit.5 cos 2 χ fit.5 cos 2 χ fit.5 95% CL 68% CL m H [GeV] m H [GeV] m H [GeV] Falls cos 2 χ th <.6 kann SM auf 95% CL mit 3 fb ausschließen Messen unsichtbarer Zerfälle in VBF-Higgsproduktion Charakteristik: Zwei VBF-jets plus fehlende Transversalenergie Γ hid = sin 2 χ Γ SM tot (rhs: cos 2 χ th =.6) [Eboli, Zeppenfeld; MC-study: ATLAS] 95% CL 68% CL.5 95% CL 68% CL.5 cos 2 χ fit.5 SM Γ hid /Γ tot.5 SM Γ hid /Γ tot cos 2 χ th cos 2 χ th cos 2 χ fit M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 22/33

39 Stark wechselwirkendes leichtes Higgs [Giudice, Grojean, Pomarol, Rattazzi; Espinosa, Grojean, Mühlleitner] Higgs Pseudo-Goldstoneboson eines neuen, stark wechselwirkenden Sektors Modifikationen parametrisiert durch ξ = (v/f) 2 (f: Goldstoneskala) MCHM4: Skalieren aller Kopplungen mit ξ Identifiziere cos 2 χ = ξ Γ hid = MCHM5: Skalieren: g VVH = g ξ VVH SM g f f H = g SM f fh 2ξ ξ Signifikante und beobachtbare Abweichungen auch in Higgs-Selbstkopplungen [Gröber, Mühlleitner] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 23/33

40 MCHM5 [Bock, Lafaye, Plehn, MR, D. Zerwas, P.M. Zerwas] Sekundäre Lösungen erscheinen (Vorzeichen der f f H-Kopplung) m H = 2 GeV m H = 6 GeV m H = 2 GeV.2 95% CL 68% CL.2 95% CL 68% CL.2 95% CL 68% CL ξ fit.6 ξ fit.6 ξ fit ξ th ξ th ξ th L = 3 fb Gluon-Fusion H γγ WH/ZH, H b b.2 95% 68% ξ fit ξ th Keine echte Entartung Jedes (verschmierte) Toy-Experiment hat eindeutige Lösung M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 24/33

41 MCHM5 [Bock, Lafaye, Plehn, MR, D. Zerwas, P.M. Zerwas] Sekundäre Lösungen erscheinen (Vorzeichen der f f H-Kopplung) m H = 2 GeV m H = 6 GeV m H = 2 GeV.2 95% CL 68% CL.2 95% CL 68% CL.2 95% CL 68% CL ξ fit ξ fit ξ fit ξ th ξ th ξ th Unabhängiger Fit der gemeinsamen Vektor- und Fermion-Kopplungen ξ th = ξ th =.2 ξ th = g ffh g ffh g ffh g VVH g VVH g VVH Keine echte Entartung Jedes (verschmierte) Toy-Experiment hat eindeutige Lösung M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 24/33

42 Zusammenfassung Higgs-Boson letzter noch fehlender Baustein des Standardmodells wichtig, um Massen der Elementarteilchen zu erklären und Unitaritätsverletzung in longitudinaler W -Streuung zu vermeiden nächster Schritt: Messen seiner Eigenschaften Spin und CP-Art: Winkelverteilungen Kopplungen: Unabhängig von Realisierung neuer Physik: Standardmodell plus effektive Higgskopplungen Genauigkeit für Vektorbosonen und 3.-Generation-Fermionen von 2 5% mit 3 fb bei 4 TeV Erweiterte Modelle (Higgs-Portal, SILH) können zu einfachen Einparameter-Abweichungen führen Higgs-Selbstkopplungen bestimmen Form des Higgspotentials Messung große experimentelle Herausforderung M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 25/33

43 Zusammenfassung Higgs-Boson letzter noch fehlender Baustein des Standardmodells wichtig, um Massen der Elementarteilchen zu erklären und Unitaritätsverletzung in longitudinaler W -Streuung zu vermeiden nächster Schritt: Messen seiner Eigenschaften Spin und CP-Art: Winkelverteilungen Kopplungen: Unabhängig von Realisierung neuer Physik: Standardmodell plus effektive Higgskopplungen Genauigkeit für Vektorbosonen und 3.-Generation-Fermionen von 2 5% mit 3 fb bei 4 TeV Erweiterte Modelle (Higgs-Portal, SILH) können zu einfachen Einparameter-Abweichungen führen Higgs-Selbstkopplungen bestimmen Form des Higgspotentials Messung große experimentelle Herausforderung M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 25/33

44 Zusammenfassung Higgs-Boson letzter noch fehlender Baustein des Standardmodells wichtig, um Massen der Elementarteilchen zu erklären und Unitaritätsverletzung in longitudinaler W -Streuung zu vermeiden nächster Schritt: Messen seiner Eigenschaften Spin und CP-Art: Winkelverteilungen Kopplungen: Unabhängig von Realisierung neuer Physik: Standardmodell plus effektive Higgskopplungen Genauigkeit für Vektorbosonen und 3.-Generation-Fermionen von 2 5% mit 3 fb bei 4 TeV Erweiterte Modelle (Higgs-Portal, SILH) können zu einfachen Einparameter-Abweichungen führen Higgs-Selbstkopplungen bestimmen Form des Higgspotentials Messung große experimentelle Herausforderung M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 25/33

45 Discovering the Higgs boson Tevatron results 95% CL Limit/SM SM= Tevatron Run II Preliminary, L 8.2 fb - Expected Observed ±σ Expected ±2σ Expected Tevatron Exclusion March 7, m H (GeV/c 2 ) Prospects for 7 and 8 TeV Significance, σ fb - fb s=7 TeV s=8 TeV s=7 TeV fb 5fb - s=8 TeV ATLAS Preliminary (Simulation) m H [GeV] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 26/33

46 Higgs at the LHC Input data [Dührssen (ATL-PHYS-22-3), ATLAS CSC Note; CMS results comparable] m H = 2 GeV; L = 3 fb production decay S + B B S S (exp) S (theo) gg H ZZ ( 5) qqh ZZ..2 ( 5).8.. gg H WW ( ) qqh WW ( ) t th WW(3l) ( ) t th WW(2l) ( ) inclusive γγ ( ) qqh γγ ( ) t th γγ 2..4 ( ) WH γγ ( ) ZH γγ..7 ( ).4.. qqh ττ(2l) ( 2) qqh ττ(l) ( 2) t th b b ( ) WH/ZH b b ( ) Last line obtained using subjet techniques ( [Butterworth, Davison, Rubin, Salam]), theoretical results confirmed by ATLAS ( [ATL-PHYS-PUB-29-88]) (stricter cuts, statistical significance basically unchanged) M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 27/33

47 Beobachtungsverzerrung Signifikante Untergründe in Higgsboson-Kanälen Messe Signal plus Untergrund in Signalregion Extrapoliere Untergrund aus signalfreier Kontrollregion (Seitenbänder, etc.) und subtrahiere Untergrund aus Theorie typischerweise nicht besser B aus Kontrollregionen kann größer sein als S+B in Signalregion positive Anzahl an Signalereignissen.5 S > 2 S for nominelle SM-Rate.5 S > 2 S for tatsächliche Rate.5 cos 2 χ fit.5 cos 2 χ fit.5 cos 2 χ fit cos 2 χ th..4.7 cos 2 χ th..4.7 cos 2 χ th Sorgfältige Behandlung notwendig Beobachtung von Higgsbosonen bevorzugt größere Kopplungen Kontrolle über alle vorhergesagten Kanäle M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 28/33

48 Distribution of parameters One-dimensional distributions Slow-falling distributions with single peaks prefer profile likelihood Higher luminosity qualitatively similar, quantitatively better Including effective couplings allows sign degeneracy for tth coupling Smearing the dataset does not change picture substantially either True dataset, 3 fb ; Profile likelihood vs. Bayesian WWH tth bbh WWH tth bbh M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 29/33

49 Distribution of parameters One-dimensional distributions Slow-falling distributions with single peaks prefer profile likelihood Higher luminosity qualitatively similar, quantitatively better Including effective couplings allows sign degeneracy for tth coupling Smearing the dataset does not change picture substantially either True dataset, Profile likelihood; fb vs. 3 fb WWH tth bbh WWH tth bbh M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 29/33

50 Distribution of parameters One-dimensional distributions Slow-falling distributions with single peaks prefer profile likelihood Higher luminosity qualitatively similar, quantitatively better Including effective couplings allows sign degeneracy for tth coupling Smearing the dataset does not change picture substantially either True dataset, Profile likelihood, 3 fb ; Without vs. including eff. couplings WWH tth bbh WWH tth bbh M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 29/33

51 Distribution of parameters One-dimensional distributions Slow-falling distributions with single peaks prefer profile likelihood Higher luminosity qualitatively similar, quantitatively better Including effective couplings allows sign degeneracy for tth coupling Smearing the dataset does not change picture substantially either Profile likelihood, 3 fb ; True vs. smeared dataset WWH tth bbh WWH tth bbh M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 29/33

52 Non-decoupling Supersymmetric Higgs SPSa-inspired scenario with t β = 7, A t = GeV, m A = 5 GeV, m h = 2 GeV LHC data set with L = 3 fb, Profile likelihood, True dataset / χ 2 true: = bbh HWW WWH Htt ττh Hbb bbh ggh Htautau Hgg bbh Clear deviation from Standard Model: q(d SUSY m SM ) < q(d SM m SM ) : 77% at 9% CL Favouring of new physics more difficult: only 4% better described by SUSY model Strong correlation between bbh and ττh via total width No upper limit on g bbh as BR compatible with data M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 3/33

53 Fat Jets [Butterworth, Davison, Rubin, Salam] Decay into b b main channel for light Higgs ( 8%) Suffers from large QCD backgrounds Use high-p T region Higgs and W /Z more likely to be central, Z ν ν visible t t kinematics cannot simulate background Much smaller cross section (/2 for p T (H) > 2 GeV) R 3m H p : resolve one jet in 75% of cases T Algorithm to find fat jet : Start with high-p T jet (Cambridge/Aachen algorithm) Undo last stage of clustering ( reduce R): J J, J2 2 If max(m, m 2 ).67m, call this a mass drop [else goto ] 3 Require y 2 = min(p2 T,p2 T 2 ) m 2 2 R 2 min(z,z 2 ) >.9 max(z,z 2 ) [else goto ] 4 Require each subjet to have b-tag [else reject event] 5 Filter the jet: Reconsider region of interest at smaller R filt = min(.3, R bb /2) 6 Take 3 hardest subjets R b b R bb R filt g mass drop R bb filter M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 3/33

54 Fat Jets in Higgs channels WH/ZH Significance (a) GeV R =.2 Eff = 7% 3GeV R =.7 Eff = 7% 2GeV R =.2 Eff = 6% 3GeV R =.7 Eff = 6% Significance (b) GeV R =.2 Eff = 7% (%) 3GeV R =.7 Eff = 7% (%) 2GeV R =.2 Eff = 6% (2%) 3GeV R =.7 Eff = 6% (2%) [Butterworth, Davison, Rubin, Salam; ATLAS] ATLAS L = 3 fb, m H = 2 GeV Significance: No systematics: 3.7 5% systematics: b Mistag Probability Higgs Mass (GeV) t th H plus new physics (SUSY,... ) [Plehn, Salam, Spannowsky] [Kribs, Martin, Roy, Spannowsky] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 32/33

55 Fat Jets in Higgs channels WH/ZH Significance (a) GeV R =.2 Eff = 7% 3GeV R =.7 Eff = 7% 2GeV R =.2 Eff = 6% 3GeV R =.7 Eff = 6% Significance (b) GeV R =.2 Eff = 7% (%) 3GeV R =.7 Eff = 7% (%) 2GeV R =.2 Eff = 6% (2%) 3GeV R =.7 Eff = 6% (2%) [Butterworth, Davison, Rubin, Salam; ATLAS] ATLAS L = 3 fb, m H = 2 GeV Significance: No systematics: 3.7 5% systematics: t th b Mistag Probability.6 dσ/dm b b [fb/5 GeV] Higgs Mass (GeV) t th t tz t tjj t tb b L = fb [Plehn, Salam, Spannowsky] S B S/B S/ B m H = 5 GeV 57 8 / GeV 48 5 / GeV 29 3 / dσ/dm b b [fb/5 GeV] t th t tz t tjj t tb b m b b H plus new physics (SUSY,... ) 8 [GeV] [Kribs, Martin, Roy, Spannowsky] M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 32/33

56 MCHM5 [Bock, Lafaye, Plehn, MR, D. Zerwas, P.M. Zerwas] Secondary solutions appear (sign of f f H coupling) m H = 2 GeV m H = 6 GeV m H = 2 GeV.2 95% CL 68% CL.2 95% CL 68% CL.2 95% CL 68% CL ξ fit.6 ξ fit.6 ξ fit ξ th ξ th ξ th L = 3 fb Gluon fusion H γγ WH/ZH, H b b.2 95% 68% ξ fit ξ th Not a true degeneracy Each (smeared) toy experiment has unique solution M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 33/33

57 MCHM5 [Bock, Lafaye, Plehn, MR, D. Zerwas, P.M. Zerwas] Secondary solutions appear (sign of f f H coupling) m H = 2 GeV m H = 6 GeV m H = 2 GeV.2 95% CL 68% CL.2 95% CL 68% CL.2 95% CL 68% CL ξ fit ξ fit ξ fit ξ th ξ th ξ th Independent fit of common vector and fermion couplings ξ th = ξ th =.2 ξ th = g ffh g ffh g ffh g VVH g VVH g VVH Not a true degeneracy Each (smeared) toy experiment has unique solution M. Rauch Bestimmung der Higgsboson-Eigenschaften 8. November 2 33/33