The LHeC$as$a$Higgs$Facility$lhec.web.cern.ch/sites/lhec.web.cern.ch/files/uklein.EPS... ·...

Post on 23-Jun-2020

2 views 0 download

Transcript of The LHeC$as$a$Higgs$Facility$lhec.web.cern.ch/sites/lhec.web.cern.ch/files/uklein.EPS... ·...

The  LHeC  as  a  Higgs  Facility  

EPS HEP 2013 Stockholm, July 20th, 2013

Uta Klein (University of Liverpool) for the LHeC Study Group

A  Large  Hadron  Electron  Collider  at  CERN  J.  Phys.  G:  Nucl.  Part.  Phys.  39  (2012)  075001    [arXiv:1206.2913]  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   2  

CDR  :  About  200  experimentalists  and  theorists  from  69  insStutes    

Supported  by    CERN,  ECFA,  NuPECC    

ContribuSons  at  EPS2013:  An  energy  recovery  electron  accelerator  for  DIS  at  the  LHC  by  Daniel  Schulte  High  Precision  DIS  with  the  LHeC  by  Amanda  Cooper-­‐Sarkar  The  LHeC  as  an  energy  fronSer  eA  collider  by  Max  Klein  A  new  detector  for  deep  inelasSc  physics  by  Peter  Kostka  et  al.  (poster)  New  Physics  with  the  LHeC  by  Monica  d’Onofrio  et  al.  (poster)  

h^p://cern.ch/lhec  

Physics  at  a  glance  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   3  

! LHeC  :  up  to  100  to  1000  <mes  HERA  luminosity!  (no  pile-­‐up)  

! Higgs@HERA    σ~0.5  I  …  

! Higgs@LHeC  with  S/N~1;  σ~200  I  

!   High  precision  proton  PDFs,  also  for  LHC  searches  

!   High  precision  αS  to  0.1%  challenging  laWce  QCD…  

 

 

 √s=1.3-­‐2  TeV    

Light  SM  Higgs  producSon  in  ep  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   4  

CC   NC  

• Scale  dependencies  of  the  LO  calculaSons  are  in  the  range  of  5-­‐10%.  •   NLO  QCD  correcSons  are  small,  but  shape  distorSons  of  kinemaSc  distribuSons  up  to  20%.  QED  correcSons  up  to  -­‐5%.    

[J.  Blumlein,  G.J.  van  Oldenborgh  ,  R.  Ruckl,  Nucl.Phys.B395:35-­‐59,1993]  [B.Jager,  arXiv:1001.3789]    

Light  SM  Higgs  producSon  in  ep  

ETmiss    electrons  à  

 LHC  protons  à  Fwd  jet  

WWH    

 electrons  à  

 LHC  protons  à   Fwd  jet  

FS  electron  

ZZH  

è  In  ep,  direc<on  of  quark  (FS)  is  well  defined.  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   5  

Electron  beam  energy

CC  e-­‐p

CC  e+p

NC  e-­‐p

cross  secSon  [f]

109  

58 20

polarised  cross  secSon  [f]  P=-­‐80%

196 N.A. 25

 Ee=60  GeV  :  √s=  1.3  TeV    

MH=125  Ge

V  

Hà  bb  study:  Analysis  framework  

n  Calculate  cross  sec<on  with  tree-­‐level  Feynman  diagrams  (PDF  CTEQ6L1)  

n  Generate  final  state  of  outgoing  par<cles  

Event  genera<on  

by  MadGraph/MadEvent  

•  SM  Higgs  produc<on  •  CC  &  NC  background

•  Fragmenta<on  •  Hadroniza<on  

Fast  detector  simula<on  by  PGS  (LHC-­‐style  detector)  

 H  →  bb  selec<on

Input  parameters  for  ini<al  studies  (CC  e-­‐p)  for  the  CDR  (before  Higgs  discovery):  

n  150  GeV  electron  beam            [  60  GeV  configura<on  as  comparison]  

n  7  TeV  proton  beam  n  120  GeV  SM  Higgs  boson  mass    

Generator  level  cuts  n  pT  >  5  GeV  (for  partons  besides  b)  n  |η|  <  5.0  n  For  NC:  Number  of  b  quarks  ≧  2  

 

by  PYTHIA  (modified  for  ep)  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   6  

Generated  samples  Background  (examples)

CC:  3  jets  (~57  pb)       CC:  single  top  produc<on  (~4.1  pb)      

CC:  Z  produc<on    (~0.11  pb)      

NC:  b  pair  produc<on  (~1.1  nb)  

Signal  

CC:  H  →  bb  (BR  ~  0.7  at  MH=120GeV)    

σ~  0.16  pb  at  √s=2.05TeV  

NOTE:  Background  sample  numbers  are  a}er  pre-­‐selec<on  in  generator

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   7  

SelecSon  of  H→bb  n  NC  DIS  rejec<on  

n  Exclude  electron-­‐tagged  events  n  ET,miss  >  20  GeV  n  Njet  (pT  >  20  GeV)  ≧  3  n  ET,total  >  100  GeV  n  yJB  <  0.9,  Q2

JB  >  400  GeV2  

n  b-­‐tag  requirement  n  Nb-­‐jet  (pT  >  20  GeV)  ≧  2  

n  Higgs  invariant  mass  n  90  <  MH  <  120  GeV  

n  Single  top  rejec<on  n  Mjjj,top  >  250  GeV  n  Mjj,W  >  130  GeV  

ETmiss cut b-tag requirement

H→bb  CC  BG  NC  BG

⇒  44%  of  remaining  BG  is  single-­‐top…

⇒10%  mis-­‐ID

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   8  

H→bb  results      [MH=120  GeV,    Ep=7  TeV]    Forward jet η tag H  →  bb  signal n  Forward  jet  tagging  

n  ηjet  >  2  (lowest  η  jet    excluding  b-­‐tagged  jets)  

 

 

n  Higgs  invariant  mass  a}er  all  selec<on  

   

H→bb  CC  BG  NC  BG

Coordinate:  Fwd:  +z-­‐axis  along  proton  beam

Z→bb

 Ee=150  GeV    

10  I-­‐1  

Clear  signal  obtained  with  cut-­‐and-­‐count  based  analysis!  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   9  

H→bb  results      [MH=120  GeV,    Ep=7  TeV]      

 

   

 Ee=60  GeV    

Ee  =  150  GeV  (10  f-­‐1)

Ee  =  60  GeV  (100  f-­‐1)

H  →  bb  signal 84.6 248

S/N   1.79* 1.05

S/√N 12.3 16.1

10  I-­‐1  

n  Case  study  for  electron  beam  energy  of  60  GeV  using  same  analysis  strategy  n  luminosity  values  of  100  I-­‐1    are  feasible    

 

 

 

   

n  Electron  energy  recovery  LINAC  with  high  electron  polarisa<on  of  80%  and  1034  cm-­‐2  s-­‐1          è  enhancement  by  factor  18  feasible,  i.e.  around  4500  Higgs  candidates  for  Ee=60  GeV  allowing  to  measure  Hbb  coupling    with  0.8  %  sta<s<cal  precision.  

n  S/N  ~1  confirmed  in  independent  analysis  for  MH=125  GeV  for  Ee=60  GeV  (master  thesis  by    Sergio  Mandelli,  University  of  Liverpool  2013)

*Note:  A  parton-­‐level  study  delivered  S/N  of  4.7.  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   10  

…  as  a  Higgs  “Facility”  @  1  ab-­‐1  à  for  first  Sme  a  realisSc  opSon  of  an  1  ab-­‐1  ep  collider  (stronger  e-­‐source,  stronger  focussing  magnets)  and  excellent  performance  of  LHC  (higher  brightness  of  proton  beam);  ERL  :    960  superconduc<ng  cavi<es  (20  MV/m)  and  9  km  tunnel          [arXiv:1211.5102,  arXiv:1305.2090;  talk  by  D.  Schulte]            

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   11  

Ul<mate  e  and  p  beams,  10  years  of  opera<on  

è  other  BR’s  started  to  be  explored,  e.g.  ττ  

Measure  CP  properSes  of  Higgs  •  Higgs  couplings  with  a  pair  of  gauge  bosons  (WW/ZZ)  and  a  pair  of  heavy  fermions  

(t/b/τ)  are  largest.  •  Higgs@LHeC  allows  uniquely  to  access  HWW  vertex  è    explore  the  CP  proper<es  

of  HVV  couplings:  BSM  will  modify  CP-­‐even  (λ)  and  CP-­‐odd  (  λ’)  states  differently  

•  Study  shape  changes  in  DIS  normalised  CC  Higgsà  bb  cross  sec<on  versus  the  azimuthal  angle,  ΔφMET,J,  between  ET,miss  and  forward  jet.    

In  ep,  full  Δφ  range  can  be  explored,  here  not  shown  yet.  

è  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   12  

CDR  iniSal  study  of  HWW  vertex:  CP  couplings  probed  to  λ~0.05  λ’~0.2  based  on  50  f-­‐1  

Partons  for  LHC  Higgs    

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   13  

44

46

48

50

52

54

56

58

60

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

à  Using  LHeC  input:  experimental  uncertainty  of  predicted  LHC  Higgs  cross  sec<on  is  strongly  reduced  to  0.4%    due  to  PDFs  and  αS    è  clear  Higgs  mass  sensi<vity  in  cross  sec<on  predic<ons.      è Higgs@LHC  with  

σ(H)~50  pb        è HL-­‐LHC  +  ep  Higgs  

potenSal  and  PDFs  and  αS    :  transform  the  LHC  facility  into  a  genuine  Higgs    factory  

   

LHeC  

Summary  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   14  

! LHeC,  in  ep(A)  collisions  synchronous  with  pp  (AA)  running,  could  deliver  

fundamentally  new  insights  on  the  structure  of  the  proton  (and  nucleus)    and  the  strong  coupling  αS  with  high  precision  è  thus  strengthen  enormously  the  HL/HE-­‐LHC  physics  case  for  searches  [“On  the  Rela<on  of  the  LHeC  and  the  LHC”,  arXiv:1211.5102]  

!   Sensi<vity  to  H→bb  is  es<mated  by  an  ini<al  simula<on  study  :                                LHeC  has  the  poten<al  to  measure  H  →  bb  coupling  with  an  S/N  of  ~1  and  to  1%  (4%)  accuracy  with  60  GeV  electron  beam  based  on  a  luminosity  of  1034  (1033)  cm-­‐2  s-­‐1.    

!   At  LHeC,  various  Higgs  boson  decays  and  Higgs  CP  eigenstates  could  be  accessed  via  WW  and  ZZ  fusion  at  c.m.s.  energies  of  1.3  TeV  and  with  1  ab-­‐1  -­‐  complementary  to  LHC  experiments.    

 !   New  high  luminosity  prospects  in  ep  have  just  started  to  be  explored  and  

open  exciSng  new  potenSal  for  complementary,  precision  Higgs  physics  at  the  LHC  facility.    

AddiSonal  material  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   15  

CDR  review  process  

16  

International referees invited by CERN

…  put  to  scale  

17  

è  synchronous  running  of  ep  and  pp  a}er  LS3  as  an  upgrade  op<on  of  the  HL-­‐LHC  

18  

60  GeV  Electron  Accelerator      

ICHEP  LHeC  Max  Klein  7.7.2012   18  

Two  1km  long  LINACs    connected  at  CERN  territory  Arcs  of  1km  radius:  ~9km  tunnel  3  passages  with  energy  recovery  

John  Osborne  (June  LHeC  Workshop)  

LHeC  and  the  HL-­‐LHC  (SUSY  searches)  

19  

With  high  energy  and  luminosity,  the  LHC  search  range  will  be  extended  to  high  masses,  up  to  5  TeV  in  pair  produc<on.  At  correspondingly  high  x  (>  0.5)  the  PDFs  are  unknown  to  a  considerable  extent  à  PDF  uncertain<es  easily  >  100%  for  high  mass  searches  è    gluon  density  from  LHeC  (10%  at  x=0.6,  ~4TeV)]    The  HL-­‐LHC  (search)  programme  requires  a  much  more  precise  understanding  of  QCD,  which    the  LHeC  provides  (strong  coupling,  gluon,  valence,  factorisa<on,  satura<on,  diffrac<on..)  

KinemaSc  distribuSons  [MH=120  GeV,    Ee=150  GeV,    Ep=7  TeV]  

a-­‐b)  Kinema<c  distribu<ons  of  generated  Higgs  c-­‐d)  Reconstructed  yJB  and  Q2

JB    

pTH ηTH

yJB Q2JB

Generated  events  passed  to  Pythia  and  to  generic  LHC-­‐style  detector:  n  Coverage:    

n  Tracking:                |η|  <  3  n  Calorimeter:        |η|  <  5  

n  Calorimeter  resolu<on  n  EM:    1%  ⊕  5%/√E  n  Hadron:  60%/√E  n  Cell  size:  (Δη,Δφ)  =  (0.03,  0.03)  

n  Jet  reconstructed  (cone  ΔR=0.7)  n  b-­‐tag  performance  

n  Flat  efficiency  for  |η|  <  3  n  Efficiency/mis-­‐ID  

n  b-­‐jet:              60%  n  c-­‐jet:              10%  n  Other  jets:          1%  

EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   20  

‘Detector’  LHC ! parameter set name 320 ! eta cells in calorimeter 200 ! phi cells in calorimeter 0.0314159 ! eta width of calorimeter cells |eta| < 5 0.0314159 ! phi width of calorimeter cells 0.01 ! electromagnetic calorimeter resolution const 0.2 ! electromagnetic calorimeter resolution * sqrt(E) 0.8 ! hadronic calolrimeter resolution * sqrt(E) 0.2 ! MET resolution 0.01 ! calorimeter cell edge crack fraction cone ! jet finding algorithm (cone or ktjet) 5.0 ! calorimeter trigger cluster finding seed threshold (GeV) 1.0 ! calorimeter trigger cluster finding shoulder threshold (GeV) 0.5 ! calorimeter kt cluster finder cone size (delta R) 2.0 ! outer radius of tracker (m) 4.0 ! magnetic field (T) 0.000013 ! sagitta resolution (m) 0.98 ! track finding efficiency 1.00 ! minimum track pt (GeV/c) 3.0 ! tracking eta coverage 3.0 ! e/gamma eta coverage 2.4 ! muon eta coverage 2.0 ! tau eta coverage

 20%à  5%  80%à60%  

jets:  cone<0.7    

Disclaimer  :  PGS  of  LHC  detector  +  flat  b-­‐tagging  in  the  full  tracking  range  of  |η|<3.0  b:  60%,  c:  10%,  udsg:  1%  CAL  coverage  un<l  |η|<5.0    EPS2013,  Uta  Klein,  Higgs@LHeC   21