ILC Higgs physics case (and report from LCWS14) Sandro - PowerPoint PPT Presentation

Journées ¡Collisionneur ¡Linéaire ¡décembre ¡2014 ¡-­‑ ¡Grenoble ¡ ILC ¡Higgs ¡physics ¡case ¡ ¡ (and ¡report ¡from ¡LCWS14) ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡ ¡ Université ¡Paris ¡Diderot ¡– ¡Ins2tut ¡Universitaire ¡de ¡France ¡ LPNHE ¡Paris ¡ ¡ sandro.dececco@lpnhe.in2p3.fr 1 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡

Outline ¡ • ILC ¡Higgs ¡physics ¡case, ¡short ¡review ¡ – ILC ¡Higgs ¡physics ¡ – Requirements ¡on ¡precision ¡for ¡NP ¡scenarios ¡ • ILC ¡prospected ¡precision ¡+ ¡some ¡LCWS14 ¡updates ¡ – Total ¡ σ ¡and ¡total ¡ Γ – Higgs ¡couplings ¡ – Higgs ¡self-­‑coupling ¡ – FingerprinRng ¡BSM ¡scenarios ¡with ¡Higgs ¡ ¡ • Summary ¡and ¡comments ¡ ¡ ¡ N.B. ¡1: ¡this ¡talk ¡is ¡not ¡a ¡comprehensive ¡report ¡of ¡all ¡the ¡tremendous ¡amount ¡of ¡work ¡going ¡on ¡ to ¡make ¡the ¡ILC ¡physics ¡case ¡even ¡stronger. ¡Selec2on ¡of ¡topics ¡based ¡on ¡personal ¡choice. ¡ ¡ N.B. ¡2: ¡results ¡collected ¡from ¡ILC ¡TDR, ¡Snowmass ¡report, ¡HiggsHun2ng, ¡HiggsCoupling ¡and ¡ LCWS ¡2013 ¡& ¡2014. ¡ 2 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡

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 Coupling to Higgs EWSB ¡is ¡a ¡BSM ¡physics ¡case… ¡ • Most ¡important ¡quesRon ¡to ¡be ¡addressed ¡: ¡ – Is ¡the ¡Higgs ¡elementary ¡or ¡composite ¡? ¡ – (weakly ¡or ¡strongly ¡interacRng ¡?) ¡ • In ¡the ¡case ¡od ¡SUSY: ¡ – elementary ¡Higgs ¡in ¡an ¡extended ¡mulRplet ¡ Why μ 2 < 0? structure ¡XHDM ¡with ¡X≥2. ¡ à ¡search ¡for ¡SuSy ¡part ¡and ¡ extra ¡higgses ¡H, ¡A, ¡H ± ¡ Mass-Coupling Relation à ¡ look ¡for ¡devia?ons ¡in ¡Higgs ¡couplings ¡ Any deviation from the H t 1 straight line signals BSM! • In ¡case ¡of ¡compositeness ¡(new ¡QCD-­‑like ¡ interacRon): ¡ WZ 0.1 – H(125) ¡is ¡composite ¡ SM b – à ¡ look ¡for ¡devia?ons ¡in ¡Higgs ¡and ¡Top ¡(CZ) ¡ 0.01 c � couplings ¡ Di ff erent models predict di ff erent deviation patterns! à ¡need ¡a ¡precision ¡facility ¡: ¡ ILC ¡ • à 1 10 100 ACFA Report Mass (GeV) 3 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡

BSM ¡deviaRons ¡in ¡Higgs ¡couplings ¡ The size of the deviation depends on Size ¡of ¡deviaRon ¡depends ¡on ¡NP ¡scale ¡: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ the scale of new physics. mass ¡ Example 1: MSSM (tan β =5, radiative corrections ≈ 1) m A ex.: ¡theory ¡error ¡on ¡hbb ¡ es?mated ¡down ¡to ¡0.4% ¡ when ¡ILC ¡run ¡(Peskin) ¡ heavy Higgs mass Example 2: Minimal Composite Higgs Model m h Giorgi): H , H Recent work: composite scale P.Giardino, et al.arXiv:1303.3570 [hep-ph]; A.Djouadi, J.Quevillon,arXiv:1304.1787 [hep-ph]; NMSSM model: NP ¡at ¡1 ¡TeV ¡gives ¡few ¡percent ¡deviaRon ¡ New physics at 1 TeV gives only a few percent deviation. 13 G.~Belanger et al., JHEP 1301 (2013) 069; We need a %-level precision to see such a deviation → ILC R.Barbieri, et al., arXiv:1304.3670 [hep-ph]; à ¡need ¡for ¡sub-­‑percent ¡precision ¡ ¡ Two Higgs Doublets: B.Grinstein,P.Uttayarat,arXiv:1304.0028 [hep-ph]; O.~Eberhardt et al., arXiv:1305.1649 [hep-ph]. 4 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡ os

Higgs ¡producRon ¡at ¡e + e -­‑ ¡ ¡ • a& Mass HX) [fb] ν ν H g Z (m.i.) e e BR´s 2 10 (LHC)-invisible + - H e e → 10 Γ tot - e H Z t t H + (e 1 σ ν ν H H e e g t (ILC,CLIC) -1 10 H H Z -2 10 0 1000 2000 3000 g HHH (ILC500) s [GeV] ILC CLIC LEP3 TLEP g HHH (ILC1000, CLIC) • Many processes at different √ s needed & accessible Advantage ¡of ¡wide ¡range ¡in ¡√s ¡to ¡probe ¡for ¡different ¡processes ¡ 5 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡

Higgs ¡producRon ¡at ¡e + e -­‑ ¡ at ¡E CM <500 ¡GeV ¡ + H e Z − e Z - + ν e W H W + + − e e e ν Z H Z − − e e 6 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡

Key Point The ¡Key ¡to ¡ILC ¡Higgs ¡physics ¡ At LHC all the measurements are σ× BR measurements. At ILC all but the σ measurement using recoil mass technique is σ× BR measurements. - � � � e H e Z W g 2 H HAA ∝ Γ ( H → AA ) = Γ H · BR ( H → AA ) W � e Z � � e g σ× BR BR coupling Events / (0.5 GeV) + - Zh → µ µ X 250 Model independent analysis -1 L = 250 fb , s = 250 GeV int - + P(e , e ) = (-0.8, +0.3) 200 Signal+Background (MC) The Key Fitted Signal+Background 150 Fitted Signal Fitted Background 100 50 e + � 0 � 120 130 140 150 σ Γ H M (GeV) recoil W e + H X Z H from recoil mass total width W � + e � e � � Z � � 44 7 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡

Higgs ¡recoil ¡mass ¡ ¡ e + Recoil Mass X H Z Events / (0.5 GeV) + - � + Zh X → µ µ e � Z 250 Model independent analysis -1 � � L = 250 fb , s = 250 GeV int - + P(e , e ) = (-0.8, +0.3) 200 � 2 M 2 � Signal+Background (MC) X = p CM − ( p µ + + p µ − ) Fitted Signal+Background Invisible decay detectable! 150 Fitted Signal Fitted Background m H = 125 GeV 250 fb − 1 @250 GeV 100 ∆ σ H / σ H = 2 . 6% 50 ∆ m H = 30 MeV 0 BR (invisible) < 1% @ 95% C . L . 120 130 140 150 Watanuki scaled from mH=120 GeV M (GeV) recoil Key Point: σ ZH is the key to extract BR(h → AA) from σ× BR(h → AA) and g hAA from BR(h → AA) through determination of the total width Γ h ! (great advantage of LC) Keisuke Fujii @ Higgs Couplings 2014, Trino 8 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡

Higgs ¡recoil ¡mass ¡ ! To date, most studies only use Z → µµ µµ and Z → ee ! Statistical precision limited by leptonic BRs of 3.5 % ! Here: extend to Z → qq ~ 70 % of Z decays ! Strategy – identify Z → qq decays and look at recoil mass ! Can never be truly model independent: " unlike for Z → µµ µµ can’t cleanly separate H and Z decays Z Muons “always” obvious Z Here jet finding blurs Z separation between H and Z Z Different efficiencies for different Higgs decays 9 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡

Linear Collider WorkShop 2014 @ Belgrade : Tatsuhiko Tomita : 09/10/2014 the total cross section of ZH production. Cut Box (81:101) Cut Box (70:90) ZZ WW Higgs Using categorization efficiency among Higgs decay modes. (decay modes with too small fraction in the category is negligible.) 16 8 Linear Collider WorkShop 2014 @ Belgrade : Tatsuhiko Tomita : 09/10/2014 Summary and Prospects left 5.6% -> 4.7%, right 4.0% -> 3.3% from AWLC. (but still not satisfactory. ) especially tautau, WW->leptonic. summary prospects Cuts (1) Targets : ZZ->hadronic, WW->hadronic 23 Linear Collider WorkShop 2014 @ Belgrade : Tatsuhiko Tomita : 09/10/2014 Higgs ¡recoil ¡study ¡wit ¡ZH à qqH ¡ SeparaRng ¡ZZ ¡and ¡WW ¡ à ¡4jets ¡from ¡HZ ¡: ¡ ¡ • Using forced-4jet clustering, 200 200 The rest 2 jets mass (GeV) The rest 2 jets mass (GeV) 2500 10000 180 180 160 160 2000 • Categorization is a powerful tool to reduce difference of 8000 140 140 120 120 1500 6000 100 100 80 80 1000 • Categorize events using number of jets, leptons, taus, etc. 4000 60 60 40 40 500 2000 • Minimize the difference of efficiency in each category 20 20 0 0 0 0 0 20 40 60 80 100 120 200 140 160 180 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 The rest 2 jets mass (GeV) 900 Z candidate (GeV) W candidate (GeV) 180 800 160 700 140 • Calculate partial cross section from each category 600 120 • The precision of total cross section 500 100 • Combine all cross section from categories to get 400 80 300 60 200 40 100 20 • Categorization can reduce difference of efficiency 0 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Z candidate (GeV) • Current cut has bias for gg and WW. • Use likelihood to improve statistical precision. • Equalize the cut efficiency of each Higgs decay mode. Tatsuhiko%Tomita/% • Improve tau separation by optimizing tau finder. Taikan%Suehara% • Estimate systematic errors. 10 ¡ Sandro ¡De ¡Cecco ¡-­‑ ¡LPNHE ¡Paris ¡