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Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik
Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC
Fred UhligBetreuer: Prof. Dr. K.Rith
Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/2007
29.01.2007
Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik
Inhalt
• Higgs-Mechanismus
• Teilchenbeschleuniger LHC
• Suche nach Higgs-Teilchen– Bisherige Erkenntnisse– Produktion und Zerfall – Detektion
Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik
Higgs-Mechanismus
Problem: Wie erhalten Teilchen Masse ?
• Peter Higgs sagt universales Hintergrundfeld voraus (1964) Higgsfeld
• Teilchen erhalten Masse durch Kopplung an Higgsfeld, wobei Kopplungsstärke ~ Masse
• Kopplung erfolgt via Higgsboson
Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik
Higgs-Hintergrundfelderfüllt den Raum
Ein Teilchenim Higgs-Feld...
... Widerstand gegenBewegung ...Trägheit Masse
Der Higgs Mechanismus, eine Analogie:
Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik
Theoretische Vorhersage
SM muss modifiziert werden
Zwei Werkzeuge:
• spontane Symmetriebrechung
• Eichtheorie
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• Betrachte reelles, selbstwechselwirkendes Skalarfeld mit einer Lagrangefunktion der Form:
L = (∂∂)
wobei Terme mit 2 = Masseterm
4 = WW-Term
Aus L erhält man ein Potential
V = Higgspotential
- für >0 und 2<0 gibt es zwei mögl.
System entscheidet sich für einen
Symmetrie wird gebrochen!
Spontane Symmetriebrechung
Grundzustände , mit GeV2472
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• nächster Schritt: Einführung von komplexen Skalarfeld iund entwickeln der Lagrangefkt um Minimum
durch Vergleich mit ursprüngl. Lagrangefunktion erhält man
1 Teilchen der Masse
Higgsboson2 masseloses Teilchen
Goldstoneboson
22 22
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Eichtheorien
• Ziel: Invarianz von Theorie unter globaler bzw. lokaler Phasentransformation
– globale Phasentransformation ei, für komplexes Skalarfeld bereits erfüllt
– lokale Phasentransformation
Theorie wird renormalisierbar, d.h. es treten keine Divergenzen mehr auf
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Kombination von spontaner Symmetriebrechung und Eichtheorien
– man erhält analog ein Higgsboson und ein Goldstoneboson durch spontane Symmetriebrechung
– aber Forderung von Invarianz unter lokaler Phasentransformation von und Eichfeld A mittels
und
führt zu massereichem Eichfeld A
Photon nicht mehr masselos!
)()( )( xex xi
x
x
eAxA
)(1
)(
1. Anwendung auf Elektrodynamik
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Lösung: Erweiterung zur elektroschwachen Feldtheorie
• Einführung von elektroschwachen Feldern:– Isospin-Triplett W+,W-,W0
– Isospin-Singulett B0
– Linearkombination von W0 und B0 ergeben Felder Z0 und
• Kopplung an Felder mit 4 komponentigem Skalarfeld
43
21
2
1)(
i
ix
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• für Higgsmechanismus relevanter Teil der Langrangefunktion:
mit
)(2
2
'
VBY
gWgTx
iL ii
422)( V
• analoges Verfahren:– spontane Symmetriebrechung für >0 und 2<0 – globale und lokale Eichung
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Man erhält:
Massenterme für W+,W- und Z0
Higgsboson H = freier Parameter im SM
elektromagn. Eichfeld A bleibt ungebrochen
22Hm
2
2'2 ggmZ
2
gmW
0m
Vektorbosonen W+,W- und Z experimentell bestätigt.
Nur das Higgsboson fehlt noch!
GeV247
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Teilchenbeschleuniger LHC(Large Hadron Collider)
• Proton-Proton Ringbeschleuniger
– 14 TeV Schwerpunktsenergie
– 27 km Tunnelumfang ca. 70-100m unter der Erde
– über 1200 supraleitende Magnete
– Luminosität L= 1034 cm-2 s-1 (vgl. TEVATRON L ~1031 cm-2 s-1 )
– 4 Experimente (ATLAS,CMS, ALICE, LHCb)
– Geplante Inbetriebnahme Ende 2007 (erste Planungen 1984)
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Panoramabild CERN
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• Supraleitende Dipolmagnete - 1232 Magnete - Magnetfeld: 8.33 Tesla - Betriebstemperatur: 1.9 K
• LHC Tunnel mit Beschleunigerelementen
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LHC Experimente
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CMS
Myonkammer
Kalorimeter ECAL
SupraleitendeSpule, 4 Tesla
Eisenjoch
TRACKER
Myon-endkappen
HCAL
Total weight 12500 tOverall diameter 15 mOverall length 21.6 m
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Durchmesser 25 mLänge des zentralen Toroiden 26 mGesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 mGesamtgewicht 7000 t
Der ATLAS Detektor
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Der ATLAS Detektor im Vergleich ….
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Suche nach Higgs-Teilchen• Was wissen wir bis jetzt?
– Wird im SM gebraucht um Teilchenmassen zu erzeugen
– Keine Massenvorhersage aus Theorie, außer einer Obergrenze von mH <1 TeV
– mH >114 GeV aus direkten Messungen von LEP
– Indirekte Massenlimits aus Messung der elektroschwachen WW (LEP,TEVATRON, ...)
MH = 85 (+39) (-28) GeV
MH < 166 GeV (95 % CL)
Ergebnisse der elektroschwachen WW-Messungen (Stand, Juli 2006):
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(i) Gluonfusion (ii) Vektorbosonfusion
(iii) „begleitende“ Produktion (W/Z, tt)
Higgsproduktion
gg H qqHqq
ggHttqqHZ_ -
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WQ für Higgsproduktion
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Higgszerfall
• Hohe Massen– Leptonendzustände
dominieren (H ww,zz)
• Niedrige Massen– Hadronische Endzustände
dominant, aber auch Zerfall in Lepton- und Photonendzustände (H
ww*,zz*, )
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Detektion
Signalsignifikanz:
B
S
N
N S
NS= Zahl SignaleNB= Zahl Hintergrundsignale
NB Fehler der Hintergrundsignale für große Zahlen
S > 5 : Das Signal ist 5x größer als der Fehler des Hintergrunds. Wahrscheinlichkeit, dass das Hintergrundsignal mehr als 5variiert : 10-7 Entdeckung
Peakbreite
m
In Peak- region
• Wann kann man von einer Entdeckung sprechen?
Angenommen ein neues Teilchen X ist produziert worden:
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H → ZZ(*) → ℓℓℓℓSignal: BR = 5.7 fb (mH = 100 GeV)
Hintergrund: Top-Produktion tt → Wb Wb → ℓ cℓ ℓ cℓ BR ≈ 1300 fb
begleitende Produktion Z bb
Z bb → ℓℓ cℓ cℓ Hintergrund-unterdrückung: Leptonen vom b-Quarkzerfall → nicht isoliert (nahe c-jet) → kommen nicht vom primären Vertex Dominanter Hintergrund nach Unterdrückung: ZZ Kontinuum
L = 100 fb-1
Entdeckungspotential für Massen von ~130 bis ~600 GeV/c2
Ekin(1,2) > 20 GeV Ekin (3,4) > 7 GeV
Isolierte Leptonen
M(ll) ~ MZ M(l‘l‘) ~ < Mz
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H → → ℓℓℓℓ Simulation
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H
mH 150 GeV
• x BR 50 fb (BR 10-3 )
anspruchsvollste Zerfallskanal für die elektromagn. Kalorimeter: Energie- und Winkelauflösung, Photoneffizienz, /jet und / 0 Trennung
• Hintergrund : - (nicht-reduzierbar): Bsp:
2 pb / GeV
j+ jj (reduzierbar):
j+jj ~ 106 man braucht starke Jet-Unterdrückung
und hohe Photoneffizienz damit j+jj <<
qg
0q
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CMS 100 fb-1
100 fb-1
ATLAS
Signal / Untergrund ~ 4%
Untergrund kann mit Hilfe von Seitenbänder unterdrückt werden Entdeckungspotential für Massen von 100 – 140 GeV
Zwei isolierte Photonen: Ekin(1) > 40 GeV Ekin(2) > 25 GeV
Massenauflösung für mH = 100 GeV:
ATLAS : 1.1 GeV (LAr-Pb)CMS : 0.6 GeV (Kristalle)
H
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ATLAS
H → Simulation in ATLAS
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Das gesamte Massenspektrum
vom LEP-Limit ~114 GeV bis zur
theoretischen Obergrenze von ~1 TeV
wird von diesen beiden Kanälen H → ZZ → ℓℓ ℓℓ und H → abgedeckt.
„Falls das Standard Model Higgs-Teilchen existiert, wird es am LHC entdeckt!”
Discovery p > 99.9999 %
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Motivation: Erhöhung des Entdeckungspotetials bei niedriger Masse Verbesserung der Messung von Higgsparametern
(Masse, Kopplung zu Bosonen, Fermionen)
Charakterisitische Signatur:
- zwei vorwärts gerichtete Jets
- geringe Jet-Aktivität in Zentralregion
Jet
Jet
Jets Higgs Zerfall
Weitere Zerfallskanäle: Vectorboson Fusionqq H → qq WW → qq ℓ ℓ
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Higgs Entdeckungspotential
• Komplette Massenspektrum wird schon nach wenigen Jahren abgedeckt sein
• Mehrere Zerfallskanäle sichtbar
• vergleichbare Situation für CMS Experiment
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Literaturverzeichnis
• Byron P. Roe: Particle Physics at the New Millenium • Abraham Seiden: Particle Physics • CERN Summer Student Lectures
http://agenda.cern.ch/tools/SSLPdisplay.php?stdate=2006-07-03&nbweeks=7– Physics at Hadronic Colliders Jakobs, K (Universitaet Freiburg)– The Standard Model (6/8) Pich, A (IFIC, University of Valencia)