Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC

Präsentation zum Thema: "Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC"—  Präsentation transkript:

1 Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC
Fred Uhlig Betreuer: Prof. Dr. K.Rith Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/2007 Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

2 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

3 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

4 Der Higgs Mechanismus, eine Analogie:
Higgs-Hintergrundfeld erfüllt den Raum Ein Teilchen im Higgs-Feld... ... Widerstand gegen Bewegung ... Trägheit  Masse Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

5 Theoretische Vorhersage
SM muss modifiziert werden Zwei Werkzeuge: spontane Symmetriebrechung Eichtheorie Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

6 Spontane Symmetriebrechung
Betrachte reelles, selbstwechselwirkendes Skalarfeld F mit einer Lagrangefunktion der Form: L = (∂aF∂aF) - m2|F|2 - l|F|4 wobei Terme mit F2 = Masseterm F4 = WW-Term Aus L erhält man ein Potential V = m2|F|2 + l|F|4 Higgspotential - für l>0 und m2<0 gibt es zwei mögl.  System entscheidet sich für einen  Symmetrie wird gebrochen! Grundzustände , mit Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

7 nächster Schritt: Einführung von komplexen Skalarfeld
F =(1/2)(F1+iF2) und entwickeln der Lagrangefkt um Minimum durch Vergleich mit ursprüngl. Lagrangefunktion erhält man F1  Teilchen der Masse Higgsboson F2  masseloses Teilchen Goldstoneboson Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

8 Eichtheorien Ziel: Invarianz von Theorie unter globaler bzw. lokaler Phasentransformation globale Phasentransformation F  eiq0F, für komplexes Skalarfeld bereits erfüllt lokale Phasentransformation  Theorie wird renormalisierbar, d.h. es treten keine Divergenzen mehr auf Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

9 Kombination von spontaner Symmetriebrechung und Eichtheorien
1. Anwendung auf Elektrodynamik man erhält analog ein Higgsboson und ein Goldstoneboson durch spontane Symmetriebrechung aber Forderung von Invarianz unter lokaler Phasentransformation von F und Eichfeld Am mittels und führt zu massereichem Eichfeld Am.  Photon nicht mehr masselos! Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

10 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 g Kopplung an Felder mit 4 komponentigem Skalarfeld Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

11 für Higgsmechanismus relevanter Teil der Langrangefunktion:
mit analoges Verfahren: spontane Symmetriebrechung für l>0 und m2<0 globale und lokale Eichung Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

12 Nur das Higgsboson fehlt noch!
Man erhält:  Massenterme für W+,W- und Z0  Higgsboson H l= freier Parameter im SM  elektromagn. Eichfeld Am bleibt ungebrochen  Vektorbosonen W+,W- und Z experimentell bestätigt. Nur das Higgsboson fehlt noch! Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

13 Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider)
Proton-Proton Ringbeschleuniger 14 TeV Schwerpunktsenergie 27 km Tunnelumfang ca m 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) Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

14 Panoramabild CERN Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

15 Supraleitende Dipolmagnete
- Magnetfeld: Tesla - Betriebstemperatur: 1.9 K LHC Tunnel mit Beschleunigerelementen Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

16 LHC Experimente Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

17 CMS Kalorimeter Supraleitende Spule, 4 Tesla Eisenjoch TRACKER Myon-
ECAL HCAL Eisenjoch TRACKER Myon- endkappen Total weight t Overall diameter 15 m Overall length m Myonkammer Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

18 Der ATLAS Detektor Durchmesser 25 m Länge des zentralen Toroiden 26 m
Gesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 m Gesamtgewicht 7000 t Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

19 Der ATLAS Detektor im Vergleich ….
Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

20 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, ...) Ergebnisse der elektroschwachen WW-Messungen (Stand, Juli 2006): MH = (+39) (-28) GeV MH < GeV (95 % CL) Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

21 Higgsproduktion (i) Gluonfusion (ii) Vektorbosonfusion gg  H qqHqq
(iii) „begleitende“ Produktion (W/Z, tt) _ - qqHZ ggHtt Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

22 WQ für Higgsproduktion
Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

23 Higgszerfall Hohe Massen Niedrige Massen
Leptonendzustände dominieren (H ww,zz) Niedrige Massen Hadronische Endzustände dominant, aber auch Zerfall in Lepton- und Photonendzustände (H ww*,zz*, ) Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

24 Detektion Wann kann man von einer Entdeckung sprechen? Angenommen ein neues Teilchen X   ist produziert worden: Peakbreite mgg Signalsignifikanz: In Peak- region NS= Zahl Signale NB= 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 5s variiert :  Entdeckung Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

25 H → ZZ(*) → ℓℓℓℓ Signal: s BR = 5.7 fb (mH = 100 GeV)
Hintergrund: Top-Produktion tt → Wb Wb → ℓn cℓn ℓn cℓn s BR ≈ 1300 fb begleitende Produktion Z bb Z bb → ℓℓ cℓn cℓn Hintergrund- unterdrückung: Leptonen vom b-Quarkzerfall → nicht isoliert (nahe c-jet) → kommen nicht vom primären Vertex Dominanter Hintergrund nach Unterdrückung: ZZ Kontinuum Ekin(1,2) > 20 GeV Ekin (3,4) > 7 GeV Isolierte Leptonen M(ll) ~ MZ M(l‘l‘) ~ < Mz L = 100 fb-1 Entdeckungspotential für Massen von ~130 bis ~600 GeV/c2 Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

26 H → ZZ → ℓℓℓℓ Simulation Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

27 H  gg sgj+jj ~ 106 sgg  man braucht starke Jet-Unterdrückung
mH  150 GeV  x BR  50 fb (BR  10-3 ) q g Hintergrund : gg (nicht-reduzierbar): Bsp: sgg  2 pb / GeV - gj+ jj (reduzierbar): sgj+jj ~ 106 sgg  man braucht starke Jet-Unterdrückung und hohe Photoneffizienz damit sgj+jj << sgg q g p0 anspruchsvollste Zerfallskanal für die elektromagn. Kalorimeter: Energie- und Winkelauflösung, Photoneffizienz, g /jet und g / p0 Trennung Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

28 H  gg Zwei isolierte Photonen: Ekin(g1) > 40 GeV
CMS 100 fb-1 Zwei isolierte Photonen: Ekin(g1) > 40 GeV Ekin(g2) > 25 GeV ATLAS 100 fb-1 Massenauflösung für mH = 100 GeV: ATLAS : GeV (LAr-Pb) CMS : GeV (Kristalle) Signal / Untergrund ~ 4% Untergrund kann mit Hilfe von Seitenbänder unterdrückt werden Entdeckungspotential für Massen von 100 – 140 GeV Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

29 ATLAS H → gg Simulation in ATLAS
Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

30 „Falls das Standard Model Higgs-Teilchen existiert,
wird es am LHC entdeckt!” 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 → gg abgedeckt. Discovery p > % Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

31 Weitere Zerfallskanäle: Vectorboson Fusion qq H → qq WW → qq ℓ ℓ
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 f h Jets Higgs Zerfall Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

32 Higgs Entdeckungspotential
Komplette Massenspektrum wird schon nach wenigen Jahren abgedeckt sein Mehrere Zerfallskanäle sichtbar vergleichbare Situation für CMS Experiment Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

33 Literaturverzeichnis
Byron P. Roe: Particle Physics at the New Millenium Abraham Seiden: Particle Physics CERN Summer Student Lectures Physics at Hadronic Colliders Jakobs, K (Universitaet Freiburg) The Standard Model (6/8) Pich, A (IFIC, University of Valencia) Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik