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Timo Boße 30.06.2003 1 Die Suche nach dem Higgs-Boson Ein Seminarvortrag von Timo Boße im Rahmen des Seminars Moderne Methoden und Experimente der Teilchen-

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1 Timo Boße Die Suche nach dem Higgs-Boson Ein Seminarvortrag von Timo Boße im Rahmen des Seminars Moderne Methoden und Experimente der Teilchen- und Astrophysik

2 Timo Boße Inhalt Theorie –Motivation –Das Standard Model (SM) Higgs-Boson –Minimale Symmetrische Erweiterung des Standard Models (MSSM-Higgs) –Massengrenzenvoraussagen –Zerfälle Suche nach Higgs bei LEP –Higgs-Produktion –Nachweistechniken –Ergebnisse Suche an hadronischen Beschleunigern –Higgs-Produktion –Tevatron –LHC

3 Timo Boße Warum überhaupt Higgs? SM durch Präzisionsmessungen bisher sehr gut bestätigt –z.B. Übereinstimmung von gemessenen Massen und Kopplungsstärken der Vektorbosonen W und Z Problem: –Die Einführung von massiven Vektorbosonen W,Z verletzt die Eichinvarianz –Man hat die Generierung von Fermion- und Vektorbosonmassen noch nicht richtig verstanden Lösung: –Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung

4 Timo Boße Spontane Symmetriebrechung Einführung eines skalaren Hintergrundfeldes, das im Grundzustand eine von Null verschiedene Amplitude besitzt, also einen Vakuumerwartungswert hat Dies erreicht man durch den Ansatz Für den Grundzustand gilt:

5 Timo Boße SM-Higgs-Boson Im einfachsten Fall ist Φ ein Dublett komplexer skalarer Felder Im SM geht man davon aus, daß Φ alles macht: –Erzeugt Fermionenmassen durch Yukawa-Kopplung –Gibt Vektorbosonen Masse, lässt γ masselos Es existieren 4 Higgs-Freiheitsgrade. Drei davon beschreiben masselose Goldstone-Bosonen, die Spinfreiheitsgerade der Vektorbosonen erzeugen. Der vierte ist hat zur Konsequenz, daß das Higgs-Feld durch Energiezufuhr angeregt werden kann. Existenz eines neutralen, skalaren Teilchens, das Higgs-Boson

6 Timo Boße SM-Higgs-Boson Theorie sagt alle Eigenschachten des Higgs-Bosons voraus, bis auf Masse Deswegen Suche problematisch: –Kopplungen proportional zu m, klein für leichte Teilchen –Higgsmasse im SM freier Parameter Größe von λ unbekannt und nicht durch andere Beobachtungen zu bestimmen Einzige Informationsquellen: –Direkte Suche –Elektroschwache Präzisionsmessungen

7 Timo Boße Massenvoraussagen für SM-Higgs Die theoretischen Massenvorausagen für das SM-Higgs-Boson hängen davon ab, bis zu welcher Energie Λ das SM gültig ist. –Für Λ = GeV (Planckmasse):130 GeV < m H < 190 GeV –Für Λ 1 TeV:50 GeV < m H < 800 GeV Würde also leichteres Higgs gefunden, ließe das auf neue Physik jenseits der Planckmasse schliessen.

8 Timo Boße Massenvoraussagen für SM-Higgs Durch direkte Suche bei LEP1 konnte eine Masse von unter 65,6 GeV mit 5 % C.L. (Confidence Level) nahezu ausgeschlossen werden. Indirekte Suche durch elektroschwache Präzizionsmessungen legt den Wert auf fest und gibt mit 95 % Sicherheit obere Massengrenze m H =196 GeV an.

9 Timo Boße MSSM-Higgs-Boson Einfachste Erweiterung des SM: Jedes Teilchen (Fermion und Boson) erhält ein supersymmetrisches Partnerteilchen Also auch 2 Higgsdupletts: Im MSSM gibt es dann 5 Higgsteilchen: Es gelten folgende Relationen: hHAH + H - C P = +1 C P = -1skalar m h < m H Verhältnis der Vakuumserwartungswerte:

10 Timo Boße MSSM-Higgs-Boson Es werden 2 Parameter zum Beschreiben des MSSM-Higgs benutzt: –m A und tan β Alle anderen Massen und Kopplungen hängen von diesen Parametern ab Oberes Massenlimit für h : Falls m A und m H groß werden: –Eigenschaften von h ähnlich denen von H SM –Daher: Unterscheidung zwischen SM und MSSM in diesem Fall schwierig

11 Timo Boße Zerfälle des SM-Higgs Das Higgs-Boson koppelt, wie schon erwähnt, an Fermionen und Vektorbosonen proportional zu deren Masse. Damit kann man die relevanten Higgszerfälle berechnen: Branching Ratio (Verzweigungsverhältnis) im folgenden BR abgekürzt

12 Timo Boße Zerfälle m H < 130 GeV ZerfallVerzweigungsverhältnis (BR) bei m H = 115 GeV ca. 74 % ca. 7 % ca. 4 % Außerdem noch Zerfälle mit Top-Schleifen: γγ/Zγ-Prozesse haben kleines BR, dafür aber wenig Untergrund, also klares Signal

13 Timo Boße Zerfälle m H > 130 GeV Wobei unter Paarproduktionsschwelle: Oberhalb der Schwelle: σ(HWW)/σ(HZZ) 2

14 Timo Boße Suche an LEP Vier Experimente: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL

15 Timo Boße Suche an LEP L (pb) Schwerpunktsenergie (E CM oder auch ) von 1996 – 2000 sukzessive von 161 auf 209 gesteigert

16 Timo Boße Suche an LEP: Higgs-Boson-Produktion Bevorzugter Produktionsprozess: sogenannte Higgsstrahlung Weiterer Produktionsprozess: ZZ/WW-Fusionsprozesse mit Paar von Neutrinos oder Elektronen im Endzustand. Kommt bei erst für m H > 115 zumTragen.

17 Timo Boße Suche an LEP: Nachweiskanäle Die Nachweiskanäle ergeben sich durch die Zerfälle der durch die Higgsstrahlung produzierten H- und Z-Bosonen: – Hauptsächlicher Higgszerfall in 2 b-Quarks (ca. 74% bei m H =115 GeV erfordert gute Identifikation der b-Quarks (b-tagging), also Unterscheidung von leichteren Quarks (u,d,c,s) wie z.B aus –Ist durch längere Lebendauer der B-Hadronen relativ einfach –Wird durch gute Ortsauflösung (und neuronale Netze) erreicht –Nachweiseffizienz bei LEP ca. 60 %

18 Timo Boße Suche an LEP: Nachweiskanäle Die 4 verschiedenen Endzustände: Verzweigungsverhältnisse für m H =115 GeV 4 Jets: BR 51 % Auswahleffizienz 40 % Fehlende Energie: BR 15 % Auswahleffizienz 40 % Leptonen(e,μ): BR 5 % Auswahleffizienz 75 % Tau: BR 7% Auswahleffizienz < 30 %

19 Timo Boße Suche an LEP: Untergrund Problem: Identifikation der Ereignisse die Higgs produziert haben. Denn es gibt viele Ereignisse, –die denselben Endzustand wie die Higgsstrahlung erzeugen (irreduzibel) –die aufgrund experimenteller Auflösung mit Higgsereignissen verwechselt werden können (reduzibel ) Hauptsächlicher Untergrund: –

20 Timo Boße Suche an LEP: Higgs-Kandidaten Die Top 20 der Higgs Kandidaten:

21 Timo Boße Suche an LEP: Higgs-Kandidaten ALEPH 4-jet E CM =206,7 GeV m h= =114,3 Größte Signifikanz

22 Timo Boße Suche an LEP: Higgs-Kandidaten Größte Signifikanz in einem nicht 4-jet- Kanal

23 Timo Boße Suche an LEP: b- und s+b- Hypothesen Um die gesammelten Daten der einzelnen Kandidaten auszuwerten werden die gewonnenen Daten bezüglich zweier Diskriminatoren ( :rekonstruierte Higgsmasse; G : Güte) in sogenannte bins sortiert. Zu jedem bin i gibt es nun: –N i : # Ereignisse –b i : erwartete Hintergrundrate –s i : erwartete Signalrate So wird jedem Kandidaten ein Gewicht s/b zugeordnet Nun kann die Ereignisse auf die b (background) bzw. s+b (signal+background) Hypothese testen. Man definiert sich folgende Wahrscheinlichkeit (likelihood):

24 Timo Boße Suche an LEP: Likelihood (Experimente)

25 Timo Boße Suche an LEP:Likelihood (Gesamt) Minimum bei m H =115,6 GeV

26 Timo Boße Suche an LEP: Confidence Levels 1-CL b : Wahrscheinlichkeit für Nur-Hintergrund- Experiment einen Signal- ähnlicheren likelihood zu erhalten CL s+b : Maß für die Wahrscheinlichkeit der s+b-Hypothese Definiere:

27 Timo Boße Suche an LEP: Confidence Level Somit legt LEP2 das untere Massen- limit für das SM- Higgs-Boson auf 114,1 GeV. Erwartet: 115,4

28 Timo Boße Suche an LEP: MSSM-Higgs Ausschlußbereiche für m h

29 Timo Boße Hadronische Beschleuniger: Higgs-Produktion Viel mehr Untergrund als bei e + e - -Beschleunigern

30 Timo Boße Tevatron Zwei Experimente suchen nach Higgs:

31 Timo Boße Tevatron Suche nach Higgsmassen von 90 – 190 GeV bei Schwerpunktsenergien E CM von 1,8 – 2,0 TeV Plot zeigt die Wirkungsquer- schnitte der jeweiligen Higgs- produktionsmechanismen bei E CM =2,0 TeV Luminosität:

32 Timo Boße Tevatron: Nachweiskanäle Low mass range: m H = 90 – 130 GeV 1/1000 Signal/Hintergrund Andere 4 Jets - Ereignisse HintergrundBemerkungenHintergrundKanal Ebenfalls großer BR und viel Hintergrund BR ~ 1/3 der vorherigen Kanäle, aber wenig Hintergrund Größter BR, dafür viel Hintergrund BemerkungenKanal

33 Timo Boße Tevatron: Nachweiskanäle High mass range: m H = 130 – 190 GeV – Hintergrund: Signal/Hintergrund: m H [GeV] S/B0,0580,0940,340,450,250,11 m H [GeV] S/B0,240,410,630,540,460,24

34 Timo Boße Tevatron: Potential Benötigte L für Ausschluß, Beiweis und Entdeckung eines SM-Higgs am Tevatron

35 Timo Boße LHC

36 Timo Boße LHC Sucht nach Higgsmasse im Bereich: Lumi: Am Anfang: cm -2 s -1 Nach 2-3 Jahren: cm-2 s-1

37 Timo Boße Relativ sauberer Kanal Guter Kanal von 200 – 700 GeV, da Hintergrund klein und gut zu reduzieren Gute fehlende Energie Messung erforderlich,WZ, WW, Z + jets (red.) ZZ (irred.) Gute Energiemessung und jet-Identifikation nötig W + jets, WW, Großes BR, aber viel Hintergrund, erfordert sehr gutes b-tagging u.a. Sauberer Kanal, da Hintergrund größtenteils reduzibel, kleines BR BemerkungenHintergrundZerfall LHC: Nachweiskanäle Low mass range High mass range

38 Timo Boße LHC: Entdeckungspotential LHC sollte also SM-Higgs in diesem Massen- bereich nach ca. 2-3 Jahren ent- Decken können


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