4. Physikpotenzial von TESLA (einige „Highlights“)

Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 1

4. Physikpotenzial von TESLA(einige „Highlights“)


“Highlights” des Physikprogramms

Etablierung des Higgs-Mechanismus

Das Hierarchieproblem

• Supersymmetrie

• Zusätzliche Raumdimensionen

• Kein leichtes oder elementares Higgs-Boson, neue starke Wechselwirkung

Präzisionsmessungen des Standardmodells

L = 500 fb-1 @ 500 GeV ~ 2 bis 3 Jahre

L = 1000 fb-1 @ 800 GeV ~ 3 bis 4 Jahre


Das Higgs-Profil

Masse (bestimmt das Profil im SM komplett)

Totale Zerfallsbreite

Kopplung an Z und W: Mw~ g v, MZ ~ g v

Kopplung an Fermionen: mf = gf v

Higgs-Selbstkopplung, Higgs-Potenzial

Ziel: Etablierung des Higgs-Mechanismus in allen essentiellen Details als verantwortlich für die Massenerzeugung und die Brechung der elektroschwachen Symmetrie

Mittel: Hochpräzisionsmessungen genaue Bestätigung des Standardmodells oder Hinweis auf neue Physik durch Abweichung


Produktion des Higgs-Bosons

17 Higgs-Ereignisse pro Stunde

ECM=500 GeV, MH=120 GeV

Higgs-Fabrik

Higgs-Strahlung WW-Fusion


Masse und Kopplung an das Z-Boson

~ 5 bis 6%m ~ 100 MeV

ZH ~ gZ2

modellunabhängige Bestimmung von gZ

Zerfallskanalblinde Selektion

Von ZH mit Z ,ee

Peak-Position Peak-Höhe

Fit an das Spektrum der Rückstossmassen der beiden Leptonen:

g ~ 2-3%

m ~ 40 bis 80 MeV mit vollständiger Rekonstruktion des Higgs-Zerfalls


Kopplung an das W-Boson

WW-Fusions-Prozess: b

b

Fit an das Spektrum der fehlenden Masse:

~ gw2xBR(Hbb)

Nach Messung von BR(Hbb) in ZH modellunabhängige Messung von gw

g ~ 3 bis 13%


Kopplung an FermionenHiggs-Mechanismus erzeugt Fermionmassen mf ~ gf ff~ mf

2 Test durch Bestimmung von BR(Hff)

Zerfall Rel.Fehler

für 500 fb , m=120 GeV-1

BR()~10-4: BR(/BR() = 32 % für 1 ab-1 und E=800GeV

Experiment: Messung von ZHxBR(Hff) BR(Hff)



a) M < 180 GeV

tot << Detektorauflösung Indirekte Bestimmung

tot = (Hxx) / BR(Hxx)

Größte Präzision: W-Bosonen (HWW) aus Messung des WQ in WW-Fusion BR(HWW) aus Higgsstrahlung ZH, HWW

Benötigt zur Bestimmung der Fermion-Kopplungen

gf2~ff=BR(Hff)xtot

= 6 bis 13 % für MH=120 bis 160GeV

Indirekte Bestimmung

Direkte Bestimmung



Rekonstruierte Higgs-Masse (GeV)

MH>180 GeV: tot >= Detektorauflösung Bestimmung aus dem Massenspektrum

ZHllWW(ZZ)llqqqq

Breite = Faltung von tot und Massenauflösung

MH =200 320 GeV = 23 34 %


Top Quark Yukawa Kopplung

gttH/gttH = 7 bis 13 %

Für mH =120 bis 200 GeV

Kleiner Wirkungsquerschnitt und „viel Mass“ im Endzustand

Grosse ECM = 800 GeV Hohe Luminosität L = 1 ab-1

Top Quark Yukawa Kopplung O(1) im SM >> andere Fermionen Überraschung ??


Top Quark Yukawa Kopplung

Präzisionsmessung bei TESLA nur bei ECM=800 GeV

LHC mißt nur die Rate = x BR für ppttH (Hbb oder WW) modellunabhängig

Kombination der

Messung von x BR von LHC mit Messung von

BR(Hbb) u. BR(HWW) von TESLA 500GeV

g

g t

th

(inkl. 20% syst. Fehler auf die Ratenmessung bei LHC)


Bestimmung der Quantenzahlen

Vorhersage des SM: Spin = 0, CP = ungerade

10 fb /Punkt-1

Spin J:“Schwellenscan” desWirkungsquerschnitteeZHll X(modellunabhängig)

CP: aus WinkelverteilungenVon Z und f aus Zff in eeZHoder ….

(modellunabhängig)


Observable: -Akoplanarität:

> 8 Trennung zwischen CP+ and CP-für 120 GeV Higgs (350 GeV u. 1 ab-1)

Bestimmung von CP

CP gerade h oder CP ungerade A ?

CP-Natur aus Polarisation der Higgs-Zerfallsprodukte

Untersuche H


Higgs-Selbstkopplung

Ist die elektroschwache Symmetrie spontan gebrochen ?Rekonstruktion des Potenzials = Messung der Triple-Higgs-Kopplung

Optimierter Detektor: exzellente Identifikation von b-Quarks exzellente Jetenergieauflösung

Winziger WQ: 0.15 fb hohe Luminosität

Komplexer Endzustand: ZHZHHqq bb bb


Higgs-Selbstkopplung

13 % 23 %

Neurale-Netz-Analyse:

S/ B = 6

13 %

MH=120GeV, ECM= 500GeV, L=1ab-1

Als einziger sensitiv auf


Das Higgs-ProfilPDG Booklet 201x ?

Warum diese Präzision ?

Genauer Test des SM

Diskriminierung zwischen Higgs-Sektor des SM und Erweiterungen

z.B. des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM)

MSSM: 5 Higgsbosonen: h,H,A,H+-

zwei Vakuumerwartungswerte: tan = v1/v2 (v1+v2) = 246 GeV

Freie Parameter auf Born-Niveau: tan, MA

22

E. Gross

10-3


Direkte Beobachtung von h,A,H+-

„No Lose Theorem“: SUSY mit GUT mindestens ein Higgs- Boson beobachtbar bei ECM=500 GeV, L=500 fb-1

Beobachtung im MSSM:

e+e-HA,H+H- bis M=ECM/2-

H,A bis M=0.8xECM)

Messungen:

z.B. HAbb bb

M/M = 0.1 bis 0.5%

xBR)/(xBR)= 2 bis 3 %

mit L = 500 fb-1

A


Indirekte Unterscheidung MSSM SM

Vielleicht: LHC und LC sehen nur das leichte h SM oder MSSM ??

Ausweg: Unterscheidung durch Präzisionsmessungen der Kopplungen

Globaler Fit an alle Messungen:

Kopplungen an Fermionen, W,Z

g/g ~ 1 bis 4%

(L=500 fb-1)

Sensitiv zu MA =600 (1000) GeV bei 68 (95)% CL

(BRMSSM-BRSM)/erw

bb

WW

MA


Mögliche Lösungen:

Supersymmetrie

mit MSUSY ~ O(TeV)

zusätzliche Raumdimensionen: MPl4+= 1TeV

Kein Higgs-Boson: starke dynamische Symmetriebrechung

Warum ist Elektroschwache Skala << Planck Skala ??

Das HierarchieproblemDas Hierarchieproblem

19PlanckM =10 GeV

MH2 = 2 =MPlanck

v = 246 GeV

Das Higgs-Boson erhält große skalenabhängige Massenkorrekturen

2


Supersymmetrie (SUSY)Supersymmetrie (SUSY)

LHC: Squarks u. Gluino

Sleptonen +Gauginospräzise Spektroskopiebei TESLA!


SUSY: Massenmessung

Beispiel: SUSY-Partner des Myons

Alle Massen der Sleptonen, Charginos, Neutralinos mit Präzision von 100 bis 500 MeV bestimmbar

E(Myon) [GeV]

a) E-Spektrum der

M/M~0.1%

Smyon

Smyon+Neutralino

E(CM)) [GeV]

[fb]

%3.0M

M

b) WQ an der Schwelle


SUSY: ParameterbestimmungSUSY: Parameterbestimmung

Polarisation des Elektron- u. Positronstrahls erlaubt Bestimmung der SUSY-Parameter.

M1 aus: Polarisationsabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts und Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie der Leptonen

tan, , M2, M1

M1(GeV) M1(GeV)

, M2, M1

~O(1%)

L=500 fb-1 pro Polarisation

Untersuche: e+e-l+l-0 00 0

z.B.: Neutralino-Sektor durch 4 Parameter bestimmt


SUSY: Extrapolation zu hohen EnergienSUSY: Extrapolation zu hohen Energien

SUSY Parameter rennen mit der Energie Evolution mittels Renormierungsgruppengleichungen Präzise Messung der SUSY Parameter am LHC und am

Linear Beschleuniger liefern

Test ob “Grosse Vereinheitlichung” GUT realisiert ist Information über den Mechanismus der SUSY-Brechung

“mSUGRA” “GMSB”LHC


Wenn Squarks schwer sind, dann nur am LHC produzierbarKomplexe Zerfallskette für SquarksGenaue Bestimmung der Eigenschaften schwierig

Nur am LHC

SUSY: LHC + TESLASUSY: LHC + TESLA

Genaue Messung bei TESLA

verbesserte Rekonstruktion am LHC

z.B.

Genauigkeit der Massenbestimmung

LHC +

M(LSP) von TESLA

Mit M/M=0.2 (1.0)%


Zusätzliche RaumdimensionenZusätzliche Raumdimensionen

r

1

M

mmV(r)

2Pl

21klassisch

12D

21

r

1

M

mmV(r) r

1

RΜ

mmV(r)

δδ2D

21

ADD-Modell:

neue Raumdimensionen mit Radius R, in denen nur Gravitation „lebt“

r>>R r<<R

Vgl. von 4-dim und 4+V(r): MPl2=8 R MD

+2

Wenn MD = 1 TeV : für = 2(3) gilt R = 1 mm(nm)

GN=1/MPl2


Zusätzliche RaumdimensionenZusätzliche Raumdimensionen

Kompaktifizierung Kaluza-Klein-Türme

Unendlich viele Gravitonzustände:

mit M=1/R

MD = 1 TeV : = 2(4,6) M = 0.5 meV (20keV, 7MeV)

Im Experiment:


Direkte GravitonproduktionDirekte Gravitonproduktion

Auschlussgrenzen 95% CL

Signatur: 1 Photon + fehlende Energie

D

2D M

s

2 3 4 5 6

MD(TeV) 10.4 6.9 5.1 4.0 3.3

Messung von WQ bei 500 und 800 GeV erlaubt Bestimmung von MDund !!

1 ab-1 @500 GeV

+ 800 GeV

2 3 4 5 6

MD(TeV) 7.9 5.6 4.2 3.4 2.9

Entdeckung (5) bis


Indirekt: Gravitonaustausch

Interferenz von Photon, Z (Spin=1) und

Gravitonaustausch (Spin=2)

z.B. veränderte Verteilung des Produktionswinkels

Sensitivität: (95% CL)

5.6 TeV @ 500 GeV

8.0 TeV @ 800 GeV

Unterscheidung zwischen

Spin1 und Spin 2 möglich !


Kein Higgs Boson?

Verletzung der Unitarität bei ~ s(wenn Wechselwirkung schwach bleibt )

TeVs 2.1~

Streuung massiver Eichbosonen

(oder direkte Beobachtung neuer Resonanzen: z.B. Techni-Hadronen)

Ausweg : neue QCD-artige starke Wechselwirkung (z.B. Technicolor)

Experimentelle Konsequenz: Abweichung vom SM in Drei- und Vier-Eich-Boson-Kopplungen


Drei-Eichboson-Selbstkopplung (TGC)

Sensitivität auf

bei 500 GeV, 500 fb-1

Beschreibung durch effektive Lagrangediche

iieff LL 2

i

i v

16

mit

Theo. Argumente: i < 3 TeV i ~O(1)

Analyse der Winkelverteilungen von e+e-WWqql

„Forward tracking“ wichtig


Vier-Eichboson-Selbstkopplung (QGC)

Bereich bis 3 TeV abgedeckt!

e+e-WW qq qq e+e-Z Z qq qq

Exzellente Kalorimetrie

bei 800 GeV, 1 ab-1


Präzisionsuntersuchung des SMPräzisionsuntersuchung des SM

sinW= 0.000013 (1/13xLEP)

MW = 6MeV (1/3xLEP)

GigaZ:Betrieb von TESLA auf der Z-Resonanz und W-Paarschwelle1 Milliarde Z0’s in wenigen Monaten (~50xLEP)

(pb)

ECM(GeV)

Messung der Masse des Top-Quark durch Schwellenscan des Wirkungsquerschnitts

M ~ 100 MeV Dominiert durch theo. Unsicherheit

Luminosität = 100 fb-1

Genauere theoretischeVorhersage benötigt!

2


Präzisionsuntersuchung des SMPräzisionsuntersuchung des SM

Szenario1: nur 1 Higgs und sonst nichts gesehen

Konsistenztest des Standardmodells und Hinweis auf „neue Physik“

Szenario2: SUSY entdeckt, einige Parameter am LHC und LC gemeinsam bestimmt

Bestimmung weiterer Parameter z.B. tan und MA


FazitFazit• Physikpotenzial am Linearbeschleuniger ist faszinierend TESLA wird entscheidend zu den ersehnten Antworten beitragen, unabhängig von der Natur der “neuen Physik”

• Das Schlüsselwort: Präzision Beschleuniger mit hoher Luminosität: TESLA

exzellenter Detektor theoretische Vorhersagen mit größter Genauigkeit

• Beschleuniger, Detektor u. Theorie sind herausfordernd

• TESLA 500 bereit, TESLA 800 auf dem Weg

• F&E für Detektor hat begonnen (mehr Zeit und Personal)

• Physikpotenzial ist komplentär zum LHC Nur beide gemeinsam können die Antworten liefern ! weltweiter Konsensus: der Linearbeschleuniger sollte der nächste grosse Schritt in der Hochenergiephysik sein Vielen Dank an: K. Desch, R.Heuer, D.Karlen, H. Videau, N.Walker,...



500 fb-1 @ 350 GeV

Unsichtbare Zerfälle des Higgs-Bosons

Unsichtbare Zerfälle des Higgs, z.B:• MSSM h

• Extra Dimensions• Zusätzliche H-Singletts

(NMSSM,Majoron Models)• Stealthy Higgs-Scenario

Fehlende Masse

Signal(120)

e+e- ZHqq + fehlende Energie

Indirekt: aus tot und BR(vis) + BR(invis) = 1

5σ Entdeckung bis zu Verzweigungsverhältnis (BR) von 2%

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4. Physikpotenzial von TESLA (einige „Highlights“)