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

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

Luca Fiorini 

[email protected]

(IFIC ­ U. of Valencia)

Workshop on Flavour Physics  in the LHC era

24

  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.

l

l '

LHC Luminosity and pileup

Run­1 Results based on 2011+2012 data

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

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

● Pileup already at the design level and above during 2012, thanks to  the  excellent performance of the LHC.

● Peak luminosity [cm^­2 s^­1]:  7.7x10³³ (2012), 5.2x10³³ (2015).

Higgs Production Modes at LHC

Total x­section:

17 pb @ 7 TeV 22 pb @ 8 TeV 51 pb @ 13 TeV

Dominant mode ggF (87%)

VBF (7%)

Associated VH (5%) Associated bbH, ttH (<1%)

Higgs Decay Modes

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

●  

●

● Higgs results of Run­1 data show good agreement with SM within uncert. 

SM BR assumed SM production assumed

SM p­value:  

25% SM p­value:  

60%

ATLAS­CONF­2015­044, CMS­PAS­15­002 ATLAS­CONF­2015­044, CMS­PAS­15­002

Constraints on BSM couplings

● Only   x BRs can be measured. Without further assumptions on the σ width of the Higgs boson, BR_BSM cannot be measured: assume k_V≤1 (as  in 2HDM)

● k_t measurement dominated by ttH process

SM p­value:  

11%

LFV h → ℓℓ '  

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 Y_e from    e→   BR(H→e)< 10^­8,  but with assumptions on NP contributions in the loop.

CMS­PAS­HIG­14­040  Phys. Lett. B 749 (2015) 337

CMS­PAS­HIG­14­040 

arXiv:1508.03372

CMS H →   

● 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

Leptonic _e categories have in general more sensitivity than  

  categories.

CMS H →   results

Best fit BR(H→)=(0.84^+0.39_­0.37‐ )%

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 →   

● 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 

SR1 is the most sensitive region. 

Large Z   →  contribution to SR2 allows to constraints taus  systematics

ATLAS H →   results 

● 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 →   

● 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 →   

● 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.

FCNC t    → u/c+H 

Modeling via anomalous couplings in effective Lagrangians

In the SM:

ATLAS and CMS analyzed  ttbar decays with final states  with H   → , H   bb and “multi­leptons” final states →

( H   ZZ, WW, → ) and t   bW(→ →ℓ, qq).→

JHEP 1406 (2014) 008

arXiv:1509.06047 arXiv:1509.06047

CMS­PAS­TOP­13­017 CMS­PAS­TOP­14­019  CMS­PAS­TOP­14­020 

ATLAS FCNC t   u/c+H (multi­lep) →

● 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 

CMS FCNC t   c+H →

● 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( →  )

● 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 m_top)

● diphoton+lepton+jets (cut on m_T(W) )

CMS FCNC t   u/c+H( →  )

● 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) →

● 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 b­

tagging information for signal and bkg hypotheses.

ATLAS FCNC t   u/c+H combination →

● 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) →

●Result released 5 days ago!

● 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.

●

 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

Thanks for the attention

Bonus Slides

Bonus Slides

ATLAS Detector

= ­1.6

45 m

24 m

7000  Tons

ATLAS Collaboration      38  Countries

   175  Institutions

 3000  Scientific Authors total (~2000  with a PhD)

CMS Detector

29 m

15 m

14000 Tons

CMS Collaboration      42  Countries

   182  Institutions

 3300  Scientific Authors total (~900  students)

DAQ and Trigger

ATLAS L1/HLT rates: 75 kHz/400 Hz^*

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)

Computing and Simulation Computing and Simulation

The 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 

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).  

● Good agreement  with SM expectations  within uncertainties.

● Experimental 

uncertainties are in  some cases at the  level of the theor. 

predictions

H@125 GeV _total

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

Higgs Potential (2) Higgs Potential (2)

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:

top quark production

Main 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)→

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

ggH is the dominant 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.

arXiv:1501.4943

arXiv:1401.5041

Analysis includes leptonic an hadronic decay channels of the taus. 

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.

arXiv:1501.4943

ATLAS Results

 Significance 4.5 (3.4) σ

CMS Results

 Significance 3.2 (3.7) σ

arXiv:1401.5041

H    →

H    →    Analysis BDT  Analysis BDT

Higgs Mass width Higgs Mass width

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

Width becomes equal to mass around 1.4 TeV

For 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.

ATLAS CMS

arXiv 1408.1682 arXiv:1503.05066

Significance of Combined Measurements

● Improved sensitivity thanks to the combination

● Comparing likelihood of the best­­fit with the μ_prod=0 and μ_decay=0 hypothesis we  obtain:

● VBF production and H   →  now established with more than 5  significance.σ

→ ,WW already established by individual experiments

 V  vs   F  Contour

● Couplings are grouped: κ_V = κ_W = κ_Z ; κ_F = κ_t = κ_b= κ_τ

● Assumptions:

– gg   → H and H   →  only through SM particles    →  only SM particles contribute to decay

SM p­value:  

59%

 V  vs   F  and Couplings scaling

● 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: μ /μ  = 1.06 ^+0.35 

SM p­value:  

88%