LFV in the Higgs sector and t Hq decays at...

LFV in the Higgs sector and t  Hq decays at LHC→

Luca Fiorini Luca.Fiorini@cern.ch

(IFIC ­ U. of Valencia)

Workshop on Flavour Physics in the LHC era24th  Nov 2015

Introduction● Lepton flavor violation exists in Nature (neutrino oscillations), but  LFV in the charged sector is extremely suppressed in the SM.  FCNC is also highly suppressed in the SM by GIM mechanism.

● The Higgs sector is a new reality in particle physics and may be a portal for beyond SM phenomena.● A number of models beyond SM predict LFV in charged sector and FCNC related to the Higgs sector at levels observable at LHC.

● Low energy results (e.g.    e→ ,    eee, → e conversion, etc.) provide ‐indirect constraints, but there are often assumptions.

Luca Fiorini         2

l

l '

Luca Fiorini         3

LHC Luminosity and pileupRun­1 Results based on 2011+2012 data

Luminosity is measured with forward/tracking detectors and calibrated with beam separation scans

~29 fb­1 of data delivered during Run 1 and about 4 fb­1 during 2015

● Pileup already at the design level and above during 2012, thanks to the  excellent performance of the LHC.● Peak luminosity [cm­2 s­1]:  7.7x1033 (2012), 5.2x1033 (2015).

Higgs Production Modes at LHC

Total x­section:

17 pb @ 7 TeV22 pb @ 8 TeV51 pb @ 13 TeV

Dominant mode ggF(87%)

VBF (7%)

Associated VH (5%)

Associated bbH, ttH (<1%)

Luca Fiorini         4

Higgs Decay Modes

Luca Fiorini         5

They can also provide indirect measurement of couplings to quarks at LHC (via virtual loops)

125 GeV

W, Z

W, Z

f

f

Bosonic modes: , ZZ, WW

Fermionic modes: , bb, ...

h

h

Signal Strength: Production and Decay

Luca Fiorini         6

●  

●

● Higgs results of Run­1 data show good agreement with SM within uncert. ● Largest difference in mttH: 2.3  excessσ  with respect to SM

SM BR assumed SM production assumed

SM p­value:  25%

SM p­value:  60%

ATLA

S­ C

ON

F­2 015­044 , CM

S­P

AS

­15­ 002

ATLA

S­ C

ON

F­2 015­044 , CM

S­P

AS

­15­ 002

Constraints on BSM couplings

Luca Fiorini         7

● Only   x BRs can be measured. Without further assumptions on the σwidth of the Higgs boson BRBSM cannot be measured: assume kV≤1 (as in 2HDM)● kt measurement dominated by ttH process● BRBSM < 0.34 at 95% C.L. (assuming kV≤1)

SM p­value:  11%

LFV h → 'ℓℓ  

Luca Fiorini         8

General Higgs interaction to fermions in mass basis.

In the SM:

e

e

Indirect limit on BR(H→ℓ�) are loose O(10%)Stringent indirect limits on Ye from    e→   BR(H→e)< 10­8, but with assumptions on NP contributions in the loop.

CMS­PAS­HIG­14­040 Phys. Lett. B 749 (2015) 337

CMS­PAS­HIG­14­040 

arXiv:1508.03372

CMS H → 

Luca Fiorini         9

● CMS analyzed e and had final states● Analysis employs  categorization in 0­jet, 1­jet, 2­jet final states● Using binned collinear mass spectrum for the statistical analysis.● Main backgrounds:

● Z   → ● W+jets and with misidentified leptons

● Analysis exploits H   →  studies and different kinematics of the signal wrt backgrounds: harder muon spectrum,  MET alignment with  direction wrt backgrounds.

CMS H → mass distributions

Luca Fiorini         10

Leptonic e categories have in general more sensitivity than  had categories.

CMS H → results

Luca Fiorini         11

Best fit BR(H→)=(0.84+0.39­0.37‐ )%

Observed (expected) 95% CL limit is BR(H→)<1.51% (<0.75%)

● Small excess observed in 3 out of 6 categories. Combined:

● 2.4  excess

ATLAS H → 

Luca Fiorini         12

● ATLAS analyzed the had final states● Analysis employs 2 signal categories and 1 control region● Using binned MMC (missing mass calculator) spectrum for the statistical analysis.● Main backgrounds:

● W+jets main backgrond in SR1● Z   →  main background in SR2

SR1

SR2

WCR

ATLAS H → mass distributions 

Luca Fiorini         13

SR1 is the most sensitive region. Large Z   →  contribution to SR2 allows to constraints true taus systematics

ATLAS H → results 

Luca Fiorini         14

● No significant excess found (1.3σ). ● Observed (expected) 95% CL limit:BR(H→)<1.85 (1.24)%

● Best fit of BR(H   → ) = (0.77 ±0.62)%

CMS H  e→  

Luca Fiorini         15

● CMS uses the same analysis strategy as H   → ● Leptonic e are the most sensitive categories 

No excess observed:95% CL limit is BR(H→e)<0.69%

CMS H  e→  

Luca Fiorini         16

● CMS uses unbinned fit of the e mass spectrum.● 11 categories (2 VBF + 3x3 barrel/endcap combination x number of jets), similar to H   →  and H   →  analyses● Background modeled by polynomial, exponential and power law (category dependent).● Signal modeled by the sum of two gaussians.

No excess observed: 95% CL limit is BR(H→e)<0.036%

FCNC t   → u/c+H 

Luca Fiorini         17

Modeling via anomalous couplings in effective Lagrangians

In the SM:

ATLAS and CMS analyzed  ttbar decays with final states with H   gg, H   bb and “multi­leptons” final states → →( H   ZZ, WW, → ) and t   bW(→ →ℓ, qq).→

JHEP 1406 (2014) 008arXiv:1509.06047 arXiv:1509.06047

CMS­PAS­TOP­13­017 CMS­PAS­TOP­14­019  CMS­PAS­TOP­14­020 

ATLAS FCNC t   u/c+H (multi­lep)→

Luca Fiorini         18

● Re­interpretation  of ATLAS ttH analysis in multi­lepton final states● 8 different categories defined by lepton multiplicity and jet multiplicity:

● (ee, , e) x (4j,>=5j) ● 3 light leptons● 2 light leptons + 1 tau

The observed (expected) 95% CL upper limits on the branching ratios are:

● BR(t   Hc→ ) < 0.79% (0.54%) ● BR(t   Hu→ ) < 0.78% (0.57%),assuming BR(t → Hu), BR(t → Hc) =0 respectively

CMS FCNC t   c+H→

Luca Fiorini         19

● Analysis of 3 light leptons or 2 same sign leptons events, selecting the final states ( H   ZZ, WW, → ) and t   bW(→ →ℓ) ●Two categories, no jet splitting:

● 2 light leptons SS ● 3 light leptons

The observed (expected) 95% CL upper limits on the branching ratio is:● BR(t   Hc→ ) < 0.93% (0.89%)

ATLAS FCNC t   u/c+H(→ )

Luca Fiorini         20

● 7 TeV and 8 TeV datasets are used.● Main backgrounds are di­photon non­resonant background and ttH● Analysis considers both hadronic and leptonic final states of the W decay:

● diphoton+jets (cut on mtop)● diphoton+lepton+jets (cut on mT(W) )

Observed (expected) 95% CL upper limits on the branching ratios:● BR(t   Hq→ ) < 0.79% (0.51%) 

CMS FCNC t   u/c+H(→ )

Luca Fiorini         21

● 8 TeV datasets is used.● Similar approach to ATLAS analysis, considering both hadronic and leptonic final states of the W decay:

Observed (expected) 95% CL upper limits on the branching ratios:● BR(t   Hu→ ) < 0.42% (0.65%) ● BR(t   Hc→ ) < 0.47% (0.71%) 

ATLAS FCNC t   u/c+H(bb)→

Luca Fiorini         22

● Search for ttbar WbHq ( )b(bb)q→ → ℓν● Requiring one light lepton, >= 4 jets and >=2 b­jets● 9 signal­ and bkg­enriched event categories:

● (4j, 5j, ≥6j) x (2b, 3b, ≥4b)● main background is SM ttbar( WbWb)+jets→● Using Likelihood discriminant including mass constraints and b­tagging information for signal and bkg hypotheses.

Observed (expected) 95% CL upper limits on the branching ratios:● BR(t   Hu) < 0.61% (0.64%) →  BR(t   Hc) < 0.56% (0.42%) →

ATLAS FCNC t   u/c+H combination→

Luca Fiorini         23

● Combnation of ATLAS searches in H bb, H   → →  and multi­lep●  BR(t uH) < 0.45% (0.29% exp)→●  BR(t cH) < 0.46% (0.25% exp)→

● Best fit of BR(t uH) vs BR(t cH) → →compatible within ~1 with null hypothesis.

CMS FCNC t   u/c+H(bb)→

Luca Fiorini         24

●Result released on the 19/11/2015● Requiring one light lepton, >=4 jets and >= 2­bjets● Using Boosted decision Tree discriminant with kinematic variables of the Higgs and top candidates and and combining it in a Neural­Network Likelihood discriminant including b­tagging information of the jets.

Observed (expected) 95% CL upper limits on the branching ratios:● BR(t   Hu) < 1.92% (0.85%) →  BR(t   Hc) < 1.16% (0.89%) →

Luca Fiorini         25

● The LHC experiments performed comprehensive measurements of the Higgs sector and couplings of the Higgs boson.

● Searching for LFV effects in the Yukawa couplings of the H125 boson are on­going at LHC. ● No large lepton flavor violation observed.● A small deviation from null hypothesis for H   →  ( CMS: 2.4 , ATLAS: 1.3) and compatible with <~1% BR will be verified with LHC Run­2 data.

● Limits set on Higgs­mediated flavor­changing neutral currents in top decays at LHC below 0.3% for t cH and t uH.→ →● Mostly limited by statistics: stay tuned for updates with more luminosity at higher center of mass energy with Run­2 data!

Summary

Luca Fiorini         27

Thanks for the attention

Bonus SlidesBonus Slides

Luca Fiorini         

ATLAS Detector

Luca Fiorini 4

= ­1.6

45 m

24 m

7000 Tons

ATLAS Collaboration     38  Countries   175  Institutions 3000  Scientific Authors total(~2000  with a PhD)

CMS Detector

Luca Fiorini 5

29 m

15 m

14000 Tons

CMS Collaboration     42  Countries   182  Institutions 3300  Scientific Authors total(~900  students)

Luca Fiorini         6

DAQ and Trigger

ATLAS L1/HLT rates: 75 kHz/400 Hz*

*: promptly reconstructed, ATLAS has 200  Hz more of deferred data.

Both experiments have significantly improved their DAQ and trigger systems for Run­2.They are now able to reach >= 100 kHz at L1 and >= 1 kHz HLT ouput

 600+300 (4x102+2x102)

(103)

Luca Fiorini         8

Computing and SimulationComputing and SimulationThe fast duty cycle of the LHC analyses is possible thanks to the Tier0 

and GRID resources

● Just in 2012, both CMS and ATLAS experiments have produced 3­4 billions of MC events on the GRID and processed ~3 billions of data events at Tier0.

● On a single machine, it would require more than 15 thousands years (without considering user and group analyses, calibrations, reprocessings, ...).

●GRID is a crucial asset  of the LHC experiments to provide physics results in a timely manner.

Luca Fiorini         9

Summary of  SM results

Preliminary measurements of the cross­sections down to few pb (~tens of fb in some cases if we include also the BR).  Comparable to Higgs production total

● Good agreement with SM expectations within uncertainties.

● Experimental uncertainties are in some cases at the level of the theor. predictions

H@125 GeV total

Luca Fiorini         10

Higgs Mechanism Birth

● EW Gauge bosons in previous formulation of the SM were massless.● Four seminal papers in 1964 proposed a spontaneous symmetry breaking mechanism in relativistic gauge theory.

●The introduction of a complex scalar doublet allow to give mass to the W and Z bosons after symmetry breaking.● 3 deg. of freedom go in the longitudinal polarizations of the W± and Z● Remaining d.o.f. is a new scalar particle   → the Higgs boson● Yukawa couplings to fermions was later introduced in the formulation of the SM● In SM all Higgs parameters are determined once the Higgs mass is known.

24/11/15  

Higgs Potential (2)Higgs Potential (2)

Luca Fiorini         

The minima of the potential are on a circumference of radius:

We rewrite the Lagrangian around a minimum:

The Lagrangian now becomes:

where the third and forth terms represent the self coupling of the Higgs field:

Luca Fiorini         5

top quark productionMain ttbar final states:

● Full hadronic  45%: 6 jets● High bkgs (mainly QCD)

● Semi­leptonic 30%:  + MET+ 4 jetsℓ● (ℓ=e,)● Moderate bkgs (mainly W)

● Di­leptonic  11%: 2 + MET+ 2 jetsℓ● (ℓ=e,)● Low bkgs (mainly Z+jets)

● t   qH searches analyse ttbar final →states and tag the event requiring a second top in the event decaying to hadrons or leptons:

● t   bW(qq')→● t   bW(lnu)→

Luca Fiorini         

Higgs prod. Rates at TeVatron Higgs prod. Rates at TeVatron 

ggH is the dominant production mode.VH is the subleading production mode

    78% 7%          15%    <1%

H   →

H   →  Analysis● Main background is Z   → modelled by tau­embedding of data Z   → ● ATLAS employs MVA analysis. CMS cut­based analysis includes VH.

Luca Fiorini         20

arXiv:1501.4943

arXiv:14 01.5041

Analysis includes leptonic an hadronic decay channels of the taus. Events are divided in 0­jet, 1­jet and 2­jet categories to enhance sensitivity to the VBF production mode and to ggF production of highly boosted Higgs bosons.

H   →  Results●Evidence of Higgs fermionic decays:

● Excess wrt expected background observed by both experiments● Highest significance among fermionic channels thanks to sensitivity to VBF process.

Luca Fiorini         21

arXiv:1501.4943

ATLAS Results Significance 4.5 (3.4) σ

CMS Results Significance 3.2 (3.7) σ

μ=0.78±0.27

arXiv:14 01.5041

H   →H   →  Analysis BDT Analysis BDT

● Data is divided in 6 signal regions and 9 control region to simultaneously fit signal and backgs.Luca Fiorini         34

24/11/15  

Higgs Mass widthHiggs Mass width

Luca Fiorini         

● The Higgs width also depends on its mass value, spanning several orders of magnitude:

Width becomes equal to mass around 1.4 TeVFor mass >~1 TeV, the concept of Higgs resonance would disappear.

For mH=125 GeV, the width is about 4 MeV 

For high mass, the width grows as 

ttH  (H­>bb, WW, ZZ, , )● ATLAS and CMS covered broad range of Higgs boson final states and ttbar decay modes.● b­tagging and top­tagging used to suppress backgrounds.● The analyses are characterised by large number of categories and control region.● CMS recently added a new search for single top tqH production.

Luca Fiorini         26

ATLAS CMS=2.8±1.0 @125.6 GeVLocal Significance: 3.4 (1.2) 

=1.8±0.8 @125.36 GeVLocal Significance:  2.5 (1.5) 

arXiv 140 8.1682

arXiv:1503.05066

Significance of Combined Measurements

Luca Fiorini         35

● Improved sensitivity thanks to the combination● Comparing likelihood of the best­­fit with the μprod=0 and μdecay=0 hypothesis we obtain:

● VBF production and H   →  now established with more than 5  significance.σ● ggF and H   ZZ,→ ,WW already established by individual experiments

V vs F Contour

Luca Fiorini         37

● Couplings are grouped: κV = κW = κZ ; κF = κt = κb= κτ● Assumptions:– gg   → H and H   →  only through SM particles   →  only SM particles contribute to decay● All results in agreement with SM (κV = κF = 1) within 1σ

SM p­value:  59%

V vs F and Couplings scaling

Luca Fiorini         36

● Measure ggF+ttH production and VBF+VH production for each decay mode (No assumption on SM production or decay rates needed for individual channels). ● Measurement of the combined ratio: μVBF+VH/μggF+ttH = 1.06 +0.35 ­0.27

● Within current precision Higgs couplings scale with particle masses

SM p­value:  88%