Experimentelle Untersuchung des Higgs MechanismusExperimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus

Vorlesung TU Dresden , 30.1.2007

Michael Kobel

Inhalt

Motivation Higgs Theorie

Vergangenheit bis heute erste Suchen der Stand nach LEP

Zukunft LHC

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Symmetrie im Schwachem Isospin I

Neutrino: I3 = ½ Elektron: I3 = -½ Up-Quark: I3 = ½ Down-Quark: I3 = -½ Idee: (e) , (u, d) sind Paare identischer Teilchen, die sich nur in ihrer schwachen Ladung I3 unterscheiden

Invarianz unter lokalen Umeichungen des Isospins Emission/Absorption von Eichbosonen

Die schwache Eichsymmetrie

I3

I2

I1

I3

I2

I1I2

I1 I3

e

W+

3

Elektroschwache SU(2)LxU(1)Y Eichsymmetrie

1961 S. GlashowEichsymmetrie in Schwachem Isospin und Hyperladung beschreibt elektromagnetische und Schwache Wechselwirkung

+ Übereinstimmung mit Experiment+ Nur 2 freie Parameter (Kopplungen gW , gY)

+ Renormierbar wegen lokaler Eichsymmetrie(Beweis `t Hooft (DD Colloq 10.10.) , Veltman 1971)

- Braucht masselose Eichbosonen W+,W-

und masselose Fermionen e,µ,...

- Explizite Masseterme, z.B.

würden Eichsymmetrie zerstören

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L

LRm

Der Higgs Mechanismus Minimales Modell:

1 komplexes SU(2) Duplett Quartisches Potenzial Spontane Symmetriebrechung

2 freie Parameter: v (Vakuum Erwartungswert) (Steilheit des Potenzials)

2 komplexe Felder und

Grundzustand

0

Φ

h

0

2

10Φ

Vorhersagen

Lokale Eichinvarianz für Higgs Terme erzwingt Mischung des B und W3 Feldes (Massendiagonalisierung)

Der kin. Term des Higgsfeldes enthält über

automatisch die Z-h und W-h Wechselwirkungen (Eichkopplung!) sowie Boson-Massenterme

Fermion- Massenterme per Hand:SU(2)-skalar eichinvariant

L

LRg

†

0

3

cos sin

sin cosW W

W W

A B

Z W

µµYWµ

µW ZZggWWghh )(²)2²( 22281

µµ DD †

0MMM 2221

Z21

W YWW ggg

Weitere Auswirkungen

Ermöglicht Quark Mischung und CP Verletzung

( ) = (VCKM ) ( )Schwache Eigenzustände, 4 freie Parameter, Masse Eigenzustände

Schwache Mischung über Kopplungen festgelegt

(keine ausschließliche Vorhersage des Higgs Mechanismus) Vorhersage des Z/W Massen Verhältnisses

Zentrale Vorhersage von Higgs Duplett Modellen

d‘

s‘

b‘

d

s

b

gY /gW = tan w ; e = gW sin w

MW = MZ cos w

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W,Z Massen durch Eichsymmetrie erzwungen

v =(GF) -½ = 246 GeV aus µ-Zerfall in Fermi Theorie

Higgs Boson Masse aus Potenzialparameter

(fast) komplett beliebig Fermion Massen „per Hand“ aus Yukawa Kopplungen

Kopplungen gf =2mf /v : 12 Parameter, unvorhersagbar Kopplungen identisch an Higgsfeld und HiggsbosonKopplungen identisch an Higgsfeld und Higgsboson überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse ! überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse !

Massenerzeugung

mW = ½ gW

v

mH =

v

mf = ½ gf v

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Analogie: Supraleitung

Higgs Mechanismus Supraleitung

Hintergrundfeld Higgs Feld Cooper Paare

Natur Bosonisch, S=0 Bosonisch, S=0

Amplitude A v n

ohne Feld mW = 0 m = 0

Kopplung k ½gW 2e

Dämpfung exp(- mWr ) exp(- r/ )

Reichweite =1/kA 0.0025 fm 10 - 100nm

Masse 1/ = kA mW = ½gWv m = 2en

Meisner Effekt: B-Feld (Photonen) erhalten endliche Reichweite (Masse) in einem Hintergrundfeld

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Vorhersagekraft?

Ist die Higgs Hypothese überprüfbar?Ist die Higgs Hypothese überprüfbar? Ja! Über Higgs Boson(en) Entdeckung und BR Messung

Lernen wir was Masse ist ?Lernen wir was Masse ist ? Ja! Die Stärke der Kopplung eines Teilchens ans Higgsfeld

Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher?Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein! Außer des mW / mZ Verhältnisses

Hilft er für das Verständnis der Massenwerte?Hilft er für das Verständnis der Massenwerte? Ja! Wir wissen, welche tieferen Fragen zu beantworten sind:

Eichbosonen: Warum ist Eichbosonen: Warum ist vv = 246 GeV ?= 246 GeV ? Fermionen: Was bestimmt die Kopplungen Fermionen: Was bestimmt die Kopplungen ggf f ??

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Indirekte Massenvorhersage für Higgs Boson

SM Vorhersage:MW=(80.363 ± 0.021)GeV

Direkte Messung:MW=(80.404 ± 0.030)GeV

Differenz: = (0.041 ± 0.037)GeV

Fit der SM Higgs Masse:MHth) =(98+38

-29)GeVMHexp)=(89+42

-30)GeV

W t W H b H W W W W W

Korrekturen höherer Ordnung: MW = MZ cos w + f (Mt

2 , ln(MH / MZ) )

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Theoretische Grenzen Elastische W W Streuung (Born Niveau)

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Theoretical constraints II

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Higgs Suche seit 25 Jahren

Past: e+e- Maschinen CESR, Cornell und

DORIS, DESY s =10GeV L(arge) E(lectron) P(ositron) collider

CERN, s = 85 –208 GeV

Present: pp Tevatron, FNAL

spp = 2 TeV

Future: pp: LHC, CERN, spp = 14 TeV e+e-: ILC, s = 0.5-1.0 TeV

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Der Higgs Steckbrief Zerfalls BRs eindeutig vorhersagbar für das Standard Model Higgs:

Oberhalb Schwelle m²f für Fermionen , m²H für Bosonen (W,Z) Produktions Prozess vom Experiment abhängig

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Die Vor-LEP Ära

Eine der ersten Higgs „Entdeckungen“Eine der ersten Higgs „Entdeckungen“ 1984: Crystal Ball, DORIS, DESY

4 s.d. „Effekt“ in Xbei mX = 8300 MeV

Nicht bestätigt von CUSB, CLEO, ARGUS, CBall 1986

H Produktion vonH Produktion von reellenbb () virtuellen t loops

Higgs ZerfallHiggs Zerfall

inklusive

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Dominanter Prozess: e+ Z*

Z e- H

LEP typisch sensitiv für x-sections bis ~0.1 pb

The LEP Aera bei s = mZ (LEP I)

by LEP by LEP II

P. JanotP. Janot

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Signal Topologien

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Die Suche bei LEP2 s=200-208 GeV

Signal / Untergr. Trennung nur auf statistischer Basis

Wichtige Methoden b-Nachweis im H Zerfall H Mass aus kinem. Fit ZZ und WW veto Korrekte Jet-Jet Paarungen ...

hadrons

qq

WW

ZZ

ZH(114)

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Getting rid of background

Beispiel: ALEPH Kandidat (MH=114.3 GeV)

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Die Higgs Suche bei LHC

LHC Schedule 2007: erste Kollisionen

Detektor „comissioning“ 2008: 10 fb-1 „low lumi“ ab 2009: 100 fb-1/a „high lumi“

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Andere dominierende Produktionsprozesse als bei Tevatron:

nicht triggerbar zu kleine x-section wichtig für BRbb,BREntdeckungskanalfür Hbb,

Hauptsuchkanäle

Bedeutung der VektorBosonFusion (VBF)

Entdeckungskanalfür niedrige Higgs Massen

Nach 1 Jahr (10 fb-1) 5für alle Massen bis 200 GeV

W

W

WW

)→BR(HWW)→BR(H

VBF

VBF

Direkte Messung von Kopplungsverhältnissen

Higgs Vermessung am International Linear Collider

Status des ILC Weltweiter Konsens als nächstes Projekt in Synergie mit LHC Beschleuniger Konzept seit 08/04: (TESLA (DESY), supraleitend) Derzeit: Global Design Effort

Detaillierte Studie von Technologie und möglichen Standorten Politische Entscheidung zu Finanzierung und Standort: 2009 / 2010 möglicher Beginn: ab 2018

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Hauptziel: Higgs Präzisionsmessungen Verzweigungsverhältnisse auf wenige Prozent genau Higgs Selbstkoppplung Higgs Potenzial CP Quantenzahlen, Higgs Masse(n) auf 50 MeV genau Modell unabhängige Suchen

Welches Higgs Modell hat die Natur realisiert?

Higgs Physik am ILC

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Rückstoßmasse zu lRückstoßmasse zu l++ll- - (GeV)(GeV)

Unabhängig vom Higgs ZerfallUnabhängig vom Higgs Zerfall Unabhängig von Higgs BreiteUnabhängig von Higgs Breite Messung des Produktions WQMessung des Produktions WQ

Und wenn es doch kein Higgsfeld gibt?

Brauche in jedem Fall zusätzliche Wechselwirkung für W+W- unter 1 TeV Zu entdecken bei LHC in WWqq

oder bei ILC in WWund ZZ

ZZZZ

WWWW

Messung anomaler Quartischer Eichkopplungen Messung anomaler Quartischer Eichkopplungen für Skalen der neuen starken für Skalen der neuen starken Wechselwirkung unterhalb 2-5 TeVWechselwirkung unterhalb 2-5 TeV

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Zusammenfassung Fermion und Eichboson Massen eine der Schlüsselfragen

für die Entstehung des Universums und des Lebens Feine Anpassung ihrer Werte untereinander (md-mu, md-me) und in bezug

auf die Stärken der elektromagnetischen und starken Wechselwirkung Higgs Duplettfelder sind aussichtsreichster Massen-Mechanismus

Erstes Ziel: Entdeckung der Higgs Bosonen Zweites Ziel: Genaue Identifikation des Higgsmechanismus

Experimente auf diesem Weg Tevatron bis 2008

Evidenz (Entdeckung) für S.M. Higgs nur bis 125 (115?) GeV LHC ab 2008

Entdeckung von S.M. (und bis 2011 anderer) Higgs Bosonenim gesamten erlaubten Bereich unterhalb von 1 TeV

ILC ab ~2020 Präzise Vermessung aller Parameter des Higgs Sectors

Die Suche nach dem Ursprung der Masse könnte in 2 Jahren enden Präzise Vermessung beginnt jedoch erst danach Dann erst haben wir die richtigen Fragen nach den Werten der Fermionmassen

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