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Experimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus Experimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus Vorlesung TU Dresden, 30.1.2007 Michael Kobel.

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1 Experimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus Experimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus Vorlesung TU Dresden, Michael Kobel

2 Inhalt Motivation Higgs Theorie Vergangenheit bis heute erste Suchen der Stand nach LEP Zukunft LHC 2

3 Symmetrie im Schwachem Isospin I Neutrino: I 3 = ½ Elektron: I 3 = -½ Up-Quark: I 3 = ½ Down-Quark: I 3 = -½ Idee: ( e), (u, d) sind Paare identischer Teilchen, die sich nur in ihrer schwachen Ladung I 3 unterscheiden Invarianz unter lokalen Umeichungen des Isospins Emission/Absorption von Eichbosonen Die schwache Eichsymmetrie I 3 I 2 I 1 I 3 I 2 I 1 I 2 I 1 I 3 e W+W+ 3

4 Elektroschwache SU(2) L xU(1) Y Eichsymmetrie 1961 S. Glashow Eichsymmetrie in Schwachem Isospin und Hyperladung beschreibt elektromagnetische und Schwache Wechselwirkung + Übereinstimmung mit Experiment + Nur 2 freie Parameter (Kopplungen g W, g Y ) + Renormierbar wegen lokaler Eichsymmetrie (Beweis `t Hooft (DD Colloq ), Veltman 1971) - Braucht masselose Eichbosonen W +,W - und masselose Fermionen e,µ,... - Explizite Masseterme, z.B. würden Eichsymmetrie zerstören 4

5 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

6 Vorhersagen Lokale Eichinvarianz für Higgs Terme erzwingt Mischung des B und W 3 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

7 Weitere Auswirkungen Ermöglicht Quark Mischung und CP Verletzung ( ) = ( V CKM ) ( ) 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 g Y /g W = tan w ; e = g W sin w M W = M Z cos w 7

8 W,Z Massen durch Eichsymmetrie erzwungen v = ( G F ) -½ = 246 GeV aus µ-Zerfall in Fermi Theorie Higgs Boson Masse aus Potenzialparameter (fast) komplett beliebig Kopplungen identisch an Higgsfeld und Higgsboson überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse ! Fermion Massen per Hand aus Yukawa Kopplungen Kopplungen g f = 2m f /v : 12 Parameter, unvorhersagbar Kopplungen identisch an Higgsfeld und Higgsboson überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse ! Massenerzeugung m W = ½ g W v m H = v m f = ½ g f v 8

9 Analogie: Supraleitung Higgs MechanismusSupraleitung HintergrundfeldHiggs FeldCooper Paare NaturBosonisch, S=0 Amplitude A v n ohne Feldm W = 0m = 0 Kopplung k½g W 2e Dämpfungexp(- m W r ) exp(- r/ ) Reichweite =1/kA fm nm Masse 1/ = kA m W = ½ g W v m = 2e n Meisner Effekt: B-Feld (Photonen) erhalten endliche Reichweite (Masse) in einem Hintergrundfeld 9

10 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 m W / m Z 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 v = 246 GeV ? Eichbosonen: Warum ist v = 246 GeV ? Fermionen: Was bestimmt die Kopplungen g f ? Fermionen: Was bestimmt die Kopplungen g f ? 10

11 Indirekte Massenvorhersage für Higgs Boson SM Vorhersage: M W =( ± 0.021)GeV Direkte Messung: M W =( ± 0.030)GeV Differenz: = (0.041 ± 0.037)GeV Fit der SM Higgs Masse: M H th ) =( )GeV M H exp ) =( )GeV W t W H b H W W W W W Korrekturen höherer Ordnung: M W = M Z cos w + f ( M t 2, ln (M H / M Z ) ) 11

12 Theoretische Grenzen Elastische W W Streuung (Born Niveau) 12

13 Theoretical constraints II 13

14 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 s pp = 2 TeV Future: pp: LHC, CERN, s pp = 14 TeV e + e - : ILC, s = TeV 14

15 Der Higgs Steckbrief Zerfalls BRs eindeutig vorhersagbar für das Standard Model Higgs: Oberhalb Schwelle m² f für Fermionen, m² H für Bosonen (W,Z) Produktions Prozess vom Experiment abhängig 15

16 Die Vor-LEP Ära Eine der ersten Higgs Entdeckungen Eine der ersten Higgs Entdeckungen 1984: Crystal Ball, DORIS, DESY 4 s.d. Effekt in X bei m X = 8300 MeV Nicht bestätigt von CUSB, CLEO, ARGUS, CBall 1986 H Produktion von H Produktion von reellen bb ( ) virtuellen t loops Higgs Zerfall Higgs Zerfall inklusive 16

17 Dominanter Prozess: e + Z * Z e - H LEP typisch sensitiv für x-sections bis ~0.1 pb The LEP Aera bei s = m Z (LEP I ) by LEP I P. Janot 17

18 Signal Topologien 18

19 Die Suche bei LEP2 s= 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) 19

20 Getting rid of background

21 Beispiel: ALEPH Kandidat (M H =114.3 GeV) 21

22 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 22

23 Andere dominierende Produktionsprozesse als bei Tevatron: nicht triggerbar zu kleine x-section wichtig für BR bb,BR Entdeckungskanal für H bb, Hauptsuchkanäle

24 Bedeutung der VektorBosonFusion (VBF) Entdeckungskanal für niedrige Higgs Massen Nach 1 Jahr (10 fb -1 ) 5 für alle Massen bis 200 GeV W W WW ) BR(H WW) BR(H VBF Direkte Messung von Kopplungsverhältnissen

25 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

26 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 26 Rückstoßmasse zu l + l - (GeV) Unabhängig vom Higgs Zerfall Unabhängig vom Higgs Zerfall Unabhängig von Higgs Breite Unabhängig von Higgs Breite Messung des Produktions WQ Messung des Produktions WQ

27 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 WW und ZZ ZZ WW Messung anomaler Quartischer Eichkopplungen für Skalen der neuen starken Wechselwirkung unterhalb 2-5 TeV 27

28 Zusammenfassung Fermion und Eichboson Massen eine der Schlüsselfragen für die Entstehung des Universums und des Lebens Feine Anpassung ihrer Werte untereinander (m d -m u, m d -m e ) 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 Bosonen im 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 28


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