Recherche d'un boson de Higgs chargé au futur FCC-ee du CERN

Stage numéro : M2-1920-AT-03
Laboratoire :Centre de Physique des Particules de Marseille Case 902
 163 avenue de Luminy - 13288 Marseille Cedex 9
Directeur :Cristinel Diaconu - 04.91.82.72.01 - diaconu@cppm.in2p3.fr
Correspondant :William Gillard - 04.91.82.72.67 - gillard@cppm.in2p3.fr
Groupe d'accueil :Atlas
Chef de groupe :Marlon Barbero - 04.91.82.76.58 - barbero@cppm.in2p3.fr
Responsable de stage :Steve Muanza - 04.91.82.72.75 - muanza@in2p3.fr

Thématique : Physique des particules

Dans l'évolution récente de la physique des particules le LHC joue un rôle primordial. En particulier, son point d'orgue a été la découverte du boson de Higgs neutre et d'une masse de 125 GeV par les expériences ATLAS [1] et CMS [2] en 2012. Les propriétés de ce boson sont actuellement étudiées avec la plus grande précision possible qui est limitée par des incertitudes systématiques expérimentales et théoriques liées à l'environnement hostile (proton non élémentaires, sensibles à l'interaction forte, empilement des événements, radioactivité,...) du LHC.

Par contre et malgré des recherches très actives, les expériences ATLAS et CMS ne trouvent pas de signe de physique au-delà du Modèle Standard.

Le programme du LHC va se poursuivre jusqu'en 2034 à √s=14 TeV avec le Run3 cumulant L=300/fb de données de 2021 à 2023 et les Run4-5 (HL-LHC) récoltant L=3000/fb de 2026-2037. Bien qu'il reste un potentiel de découverte important au LHC, la communauté de la physique des particules envisage déjà la suite. Il y a deux objectifs complémentaires: le premier consiste à faire des mesures beaucoup plus précises sur le boson de Higgs par des collision e+e à haute intensité, le second consiste à rechercher de la nouvelle physique avec des collisions de protons à la plus grande énergie dans le centre de masse (root_s) qui soit envisageable avec des technologies proche de la maturité.

Les principaux projets à l'étude se classent en deux catégories: des collisionneurs linéaires (ILC, CLIC) et des collisionneurs circulaires (FCC-ee, CEPC, FCC-hh, SppC).

Ce stage propose de travailler sur le FCC-ee dont le programme prévoit des runs à haute intensité à root_s=M_Z, 2*M_W, M_H+M_Z et 2*M_t. Nous proposons une simulation de la recherche d'un boson de Higgs chargé dans le canal suivant:

e+ + e- -> H+/-[-> W+/-(->l+/-nu) + h(->bb) ] + nu_e + e à root_s=240 et 365 GeV.

L'étudiant(e) effectuera une analyse permettant d'évaluer la sensibilité du FCC-ee à ce signal en présence de tous les processus de bruit

de fond. Cette étude sera réalisée pour différentes hypothèses de masse du boson de Higgs chargé et avec différentes hypothèses de désintégration:

H+/- -> W+/- + H125 ou H+/- -> W+/- + h. Dans le premier cas le boson de Higgs chargé se désintègre dans le boson H125, alors que dans le second

cas il se désintègre en un boson de Higgs également neutre mais plus léger, noté h.

Ces scénarios seront étudiés dans les modèles avec un secteur de Higgs étendu par l'ajout soit d'un doublet [3], soit d'un triplet [4-6] de Higgs.

Les sensibilités du FCC-ee et du HL-LHC à ce type de signaux seront comparées.

Références


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[1] Observation of a new particle in the search for the standardmodel Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, ATLAS Collaboration, Phys.

Lett. B716(2012) 1, arXiv:1207.7214[hep-ex]

[2] Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMSexperiment at the LHC, CMS Collaboration, Phys. Lett. B716(2012) 30,

arXiv:1207.7235[hep-ex]

[3] Charged Higgs boson in the ^ Higgs channel at the LHC, R. Enberg et al., Nucl.Phys.B893 (2015) 420, arXiv:1412.5814[hep−ph][4] DOUBLY CHARGED HIGGS BOSONS, H. Georgi and M. Machacek, Nucl.Phys.B262(1985) 463−477[5] Higgs Boson Triplets With W = MZcosθW, M. Chanowitz and M. Golden, Phys.Lett.165B(1985) 105-108

[6] Higgs triplets in the standard model, J. Gunion, R. Vega and J. Wudka, Phys.Rev.D42 (1990) 1673-1691