Dem Higgs-Boson auf der Spur

1. Das Problem mit der Masse2. Das Erbe von LEP3. Die Jahre der Entscheidung: Tevatron und LHC4. Fragen über Fragen: Was wir über den Higgs-

Mechanismus lernen müssen und wie: LHC – ILC

K. Desch Universität Freiburg 27/03/2006

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1. Das Problem mit der Masse

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M W W j

W WM

Massive Vektorbosonen verletzen die Eichinvarianz

Wellengleichung

Eichtransformation

liefert zusätzlich

Theorie nicht renormierbar! bestenfalls effektive Theorie für kleine Energien

könnte sein… Konsequenz: Standardmodell bricht zusammen bei ~1 TeV

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Konsequenzen…

Polarisationsvektor für longitudinal polarisierte W-Bosonen

longW

1(p) (E,0,0,p)~EM

divergiert für s , verletzt Unitarität bei s 1.2 TeV

Divergenz kann kompensiert werden durch elementares Skalarmit Kopplung ~ Masse oder durch neue starke

Wechselwirkung(hoher Preis…)

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Der Higgs-Mechanismus

Annahme:Alle Elementarteilchen sind masselos!

Eichprinzip funktioniert Renormierbare Theorie (endliche Wirkungsquerschnitte)

Durch ständige Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld verhalten sich die Teilchen als ob sie Masse hätten (effektive Masse)

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dDer Higgs-Mechanismus im SM

Eichinvariantes Hinzufügen eines Feldes mit <>0 0 ist nichttrivial – erfordert Feld mit Selbstwechselwirkung

V = -2 |+| + |+|2

: komplexes skalares Dublett des schwachen Isospins

0 0

0

Anregungen von :3 longitudinale Eichbosonen1 Higgs-Boson, mH=einzige Unbekannte im SM

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Die Masse des Higgs-Bosons (Theorie)

Wenn das Higgs-Boson zu schwer ist kommt die Rettung zu spät:

Stärkere Grenzen aus Forderungnach Perturbativitätund Stabilität des Vakuums:

Perturbativität

Vakuumstabilität

1.2TeV

a0 = Streuamplitude (J=0)Unitarität: |a0| < 1

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Die Masse des Higgs-Bosons (Experiment)

mH =91 +45 -32 GeVmH < 186 GeV @ 95%CLinnerhalb des Standard-Modells

Das SM funktioniert:direkte und indirekte Massenstimmen überein

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AlternativenTrotz der guten Übereinstimmung der Daten mit der SM-Higgs-Hypothese ist die Existenz des SM-Higgs-Bosonsnicht garantiert.

Die Entdeckung des SM-Higgs-Bosons am Tevatron oder LHCwäre eine SENSATION!!!

Route 1: kein Higgs-Mechanismus erfordert neue WW an der TeV-Skala Technicolor, Higgsless Model, … i.A. in Konflikt mit Präzisionsdaten, aber…

Route 2: Higgs-Mechanismus, aber mit aufwändigerer Realisierung der Higgs-Felder - zwei Dubletts (realisiert in minimaler Supersymmetrie) - zusätzliche Singletts (NMSSM, „Higgs-Kontinuum“) - Tripletts (LR-Symmetrie) - …

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Higgs-Bosonen im MSSMSM-Higgs-Masse erfährt große Strahlungskorrekturen großes „Finetuning“, wenn SM gültig bis zu hohen Skalen (MPlanck)

Supersymmetrie behebt dies durch Aufhebung der Korrekturen

Neben der Verdopplung der SM-Freiheitsgrade (Teilchen+Steilchen)muss der Higgs-Sektor erweitert werden: mindestens 2 Higgs-Dubletts mit v.e.v.‘s v1 und v2

h,H neutral, CP-geradeA neutral, CP-ungeradeH± geladen

Massen werden vorhergesagt als Funktionder SUSY-ParameterFührende Ordnung: nur mA and tan=v2/v1Große Korrekturen (top, stop)

mh < 135 GeV

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Higgs – Zerfälle im SMZerfälle bestimmt durch Kopplung an Masse: gHVV ~ MV gHf ~ Mf

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Higgs Produktion

LEP2

ILC

Tevatron: ~700fbLHC : ~30000fb S/B ~ 10-12

Für mH=120 GeV LEP2: ~1 fbILC: ~200 fb S/B ~ 10-2

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2. Das Erbe von LEP

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Das Erbe von LEP: SM HiggsStandardmodell-Higgs ausgeschlossen für mH < 114.4 GeV (95%CL)

Für Modellbauer: Grenzen auf g2HZ:

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Das Erbe von LEP: SM HiggsLeichter Überschuss bei mH98 GeV (2.3) und mH115 GeV (1.7)

ALEPH:

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Das Erbe von LEP: MSSM HiggsEndgültige Kombination der neutralen MSSM Higgs-Suchenveröffentlicht Anfang 2006!

Ausschluss von Bereichin tan als Funktion von mtop

mh, mA < 93 GeV @ 95%CL

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Das Erbe von LEP: Higgs mit CP-VerletzungKomplexe Phasen in trilinearen Kopplungen können zu Mischungvon h,H,A führen:

„Loch“ bei kleinen Higgs-Massen!LHC dort sensitiv?

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Das Erbe von LEP: ExotikaAusschlussgrenzen für eine Vielzahl erweiterter Higgs-Modelle

- geladene Higgs-Bosonen- doppelt geladene Higgs-Bosonen - unsichtbare Higgs-Zerfälle- fermiophobische Higgs-Bosonen (H)- Higgskontinuum- zerfallsunabhängige AusschlussgrenzenAber:nicht alles unter 100 GeV ist ausgeschlossen!- (sehr) leichtes CP-ungerades Higgs B-Fabriken?- Higgs/Radion-Mischung (Randall-Sundrum-Modell)- MSSM mit CP-Verletzung

m >~ 100 GeV

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3. Die Jahre der Entscheidung

Tevatron LHC

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Higgs-Suche am Tevatron

mH <~ 135 GeV:Hbb nur in assoziierter Produktion

ZHllbbZHbbWHlbb

mH >~ 135 GeVHWWl+l-(inklusiv)

WHWWWl± l±+X(gleichgelad. Lept.)

NLO

>1 fb-1/Experiment aufgezeichnetwenn das SM stimmt wurden schon ca. 1000 Higgs produziert!

8 fb-1 bis Ende 2009 erwartet

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Higgs-Suche am TevatronBeispiele:ZHbb WHlbb

SM-Higgs(115) * 10

Bei höherer integrierter Luminosität wird auch besseres S/B benötigt-härtere Schnitte, verbessertes b-tagging, multivariate Analysen,…

261pb-1

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Higgs-Suche am Tevatron

W+ e+

W- e-

HWWl+l-

Keine Massenrekonstruktion möglichAusnutzung der ll-Winkelkorrelation

Leptonen aus HWW sind bevorzugt kollinear

D0 preliminary, 950 pb-1

SM-Higgs(160) * 10

nach Schnitten

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Higgs-Suche am Tevatron95

%CL

/SM

SM-Higgs-Grenzen:

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SM-Higgs amTevatron: Erwartungen

Beate Heinemann

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dSUSY-Higgs am Tevatron

~ tan2

Suchen beginnen, den physikalisch sinnvollen Bereich anzukratzen…

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Vom Tevatron zum LHC: Untergründe modellieren

Zum Verständnis der wichtigsten Untergrundprozesse am LHC(Z+jets, W+jets, tt+jets,…) werden Simulationen benötigt, die überLO+Partonschauer hinausgehen.

Neue Entwicklungen:MC@NLO (bis zu 1 zusätzlicher Jet)ALPGEN, SHERPA (n zusätzliche Jets als LO Matrix-Element, „matching“ von Matrix-Element und Partonschauer

Wichtige Tests am Tevatron:

PYTHIA SHERPA

Z+jets

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Der LHC wird zur Gegenwart!

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Higgs-Produktion am LHC

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Schleifen-Korrekturen sind wichtig!

komplizierte und mühsame Schleifenrechnungen in NNLO nötig!wer so etwas kann und tut verdient hohen Respekt!

Wichtig für LHC und ILC

Pseudorapidität

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Higgs-Entdeckung am LHCVielzahl von Produktionsmechanismen und Zerfallskanälen

- Inklusive Suche nur in Lepton/Photon Endzuständen möglich (H, HZZ4l)- Hbb nur in Assoziation mit tt- H in Assoziation mit Vorwärts-Jets (qq)

Nur Endzustände mit Lepton/Photon-Trigger als Entdeckungs-Kanäle

Goldener Kanal für mH >~ 140 GeV:

- sehr moderater Untergrund- HWWll hat höhere Rate, aber keine Massenrekonstruktion (nicht ideal für Entdeckung)- benötigt 3-4 fb-1 für Entdeckung (mH>180 GeV oder mH=135-155 GeV)

ATLAS10 fb-1

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Higgs-Entdeckung am LHCLeichtes (mH<140 GeV) Higgs:frühe Entdeckung (10 fb-1) durch Kombination von 3 Kanälen möglich(Fluch oder Segen?)

Signifikanz für 10fb-1:S B S/B

130 4300

2.0

15 45 2.7

10 10 2.7

mH=115 GeV

H

ttH,Hbb

qqH,H

Kombiniert: ~4

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Inklusive Suche nach H

CMS 100fb-1

NLO

dominanter irreduzibler Untergrundpp+X

reduzibler Untergrund pp0 + X schwer zu berechnen (Fragmentation, Isolation)

Benötigt optimale MassenauflösungM/M = 1%

Untergrund aus Seitenband

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Vektorboson-FusionNach Gluon-Fusion nächstgrößter WQUntergrundunterdrückung durch- Vorwärts-Jets- Kein Farbfluss im Zentralbereich: Rapiditätslücke

He

- sehr gutes S/B (>1) kritisch:- Effizienz der Vorwärtsjet-Erkennung- zentrales Jet-Veto

ATLAS30 fb-1

Winkelverteilung der Jets:

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Assoziierte top-Higgs-Produktion

Bislang einziger zugänglicher Kanal im dominanten Hbb-ZerfallEndzustand: ttHbWbWbbblbjjbb

trägt bei niedrigen mHzum Entdeckungspotenzial bei

Zugang zur Top-Yukawa-Kopplung

kritisch:- b-tagging- tt+jets-Untergrund - Bestimmung des Untergrundes aus Daten

30 fb-1

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Higgs in SUSY- mindestens ein MSSM-Higgs-Boson kann im gesamten Parameterbereich gesehen werden- für große tan Entdeckung von H/A und H± möglich (H/A,,H±)

ATLAS preliminary ATLAS preliminary

VBF, 30fb-1 300 fb-1

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4. Nach der Entdeckung…Peak im Massenspektrum ist noch kein Beweis für Higgs-Mechanismus

Nötige Messungen:

• Masse, totale Breite• Spin, CP = 0+

• Kopplung an Vektorbosonen ~ mV

• Kopplung an Fermionen ~ mf (Yukawa-Mechanismus)• Selbstkopplung des Higgs-Bosons (Form des Higgs-Potentials)Ziel:1. Bestätigung des Higgs-Mechanismus2. Realisierung des Higgs-Sektors (1 Dublett oder komplizierter) Sensitivität auf Physik jenseits des Standardmodells

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Messungen am LHC

Higgs-Masse

<140 GeV: aus H>140 GeV: aus H4l

m/m ~ 10-3

totale Breite:

nicht möglich für m<200 GeV(Higgs << Detektor)

/ ~ 20% (250 GeV)/ ~ 5% (400 GeV)

aus Linienbreite in HZZ4l

Kopplungen:

Produktionsraten enthalten immer Produkte von KopplungenVerhältnisse von Raten ~ Verhältnisse von Partialbreiten

globaler Fit mit 13 Endzuständen

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Messungen am LHC

Extraktion der absoluten Kopplungen mit Modellannahmen:

- gV <= gVSM

Extraktion der absoluten Kopplungen

Präzision auf g2/g2 ~ 20-50%für Z,W,,b,t

großer Beitrag des syst. Fehlers(QCD+PDF-Unsicherheit in Produktionsquerschnitt)

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Higgs am ILCZur genauen Untersuchung des Higgs-Mechanismus sind e+e- - Kollisionen unverzichtbar!

Eine der Hauptmotivationen für denInternational Linear Collider ILC

ILC wird ein Präzisionslabor für Higgs-Physik!

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Higgs Produktionsprozesse am ILC

Higgsstrahlung WW-Fusion

~1/ s ~ln s

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dAnker der Higgs-Physik am ILC:zerfallsunabhängiger Nachweis

~ 2%mm ~ 50 MeVHZ-Kopplung ~ 1%

Das Higgs sehen ohne hinzusehen

2 2H initialm (p p )

Rückstoßmasse

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dBeste Möglichkeit zur Überprüfung des Yukawa-Mechanismus(Hff) ~ mf ?

Am ILC ist die Messung absoluter Verzweigungsverhältnisse möglich, wegen der zerfallsunabhängigen Messung von gHZ:

measmeas

(HZ) BR(H X)BR(H X)

(HZ)

Higgs-Verzweigungsverhältnisse

Präzision: ~%

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Top Yukawa Kopplung: LHC+ILC Synergie

ILC: Messung der BRs BR(Hbb) BR(HWW)

LHC: Messung von tth x BR(Hbb) tth x BR(HWW) gt

2 x BR(Hxx)

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dEng verknüpft mit der Form des Higgs-Potenzials wichtigster Test des Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung

Messung am LHC nicht möglich

ILC: doppelte Higgs-Strahlung:

Higgs Selbstkopplung

/ = 20% @ 500 GeV 12% @ 1 TeV (?)

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2HDM/MSSM

Warum ist die Präzision wichtig?Modelle unterscheiden: Indirekte Bestimmung der Masse

des schweren Higgs-Bosons (MSSM):

mA = 30% für mA = 800 GeV

Photon collider: direkte Produktion vonH,A bis ~ 800 GeV am ILC(1000)

Higgs/Radion mixing

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Zusammenfassung

Danke an P.Jonsson,C.Nöding,A.Safonov,M.Schumacher,M.Titov u.v.a.

Konzept des Higgs-Mechanismus hält seit 42 Jahren experimentellenTests Stand – ohne bisher experimentell bestätigt zu sein!

Beste Komplettierung des SM – aber nicht garantiert

Mit Tevatron und (vorallem) LHC haben wir Werkzeuge um baldzu wissen ob es (mindestens) ein Higgs-Boson gibt

Suchen am Tevatron – kann noch Konkurrenz zum LHC werden?

Vorbereitung auf die Analysen am LHC geht jetzt in die kritische Phase

Zur Untersuchung dieses fundamental neuen Mechanismus ist einElektron-Positron-Collider (ILC) unverzichtbar

~40 Vorträge in den Parallelsitzungen: wir sind aktiv!