Die Suche nach dem Higgs-Boson am LHC

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

1 Die Suche nach dem Higgs-Boson am LHC
Von: Christoph Schreyvogel Seminar: Physik und Detektoren am LHC Wintersemester 09/10

2 Übersicht Die Lagrangedichte in der Eichtheorie
globale und lokale Eichinvarianz der Lagrangedichte Theorie der masselosen Eichbosonen Der Higgs-Mechanismus Masse von W± und ZO-Bosonen durch spontane Symmetriebrechung Die Suche nach dem Higgs-Boson am LEP, Tevatron und LHC Eigenschaften des Higgs-Bosons Produktion und Zerfall des Higgs-Bosons am LHC Detektion am LHC

3 Die Lagrangedichte in der Eichtheorie

4 Die Eichtheorie Feldtheorie der elektromagnetischen, starken und schwachen WW, die der lokalen Eichinvarianz genügt Quantenfeldtheorie: Systeme werden durch ihre Lagrangefunktion bzw. Lagrangedichte beschrieben, mit der man die Bewegungsgleichungen der Teilchen bestimmen kann:

5 Transformationsinvarianz (Eichinvarianz)  Erhaltungssätze
Translationsinvarianz Impulserhaltung Rotationsinvarianz Drehimpulserhaltung Zeittranslationsinvarianz Energieerahltung globale Phasentransformationsinvarianz Stromerhaltung lokale Ladungserhaltung

6 globale Phasentransformation
Lagrangedichte für die komplexe Wellenfunktion ψ(x) eines freien Elektrons: globale Phasentransformation des Feldes ψ(x): Ergebnis: Diese Lagrangefunktion ist invariant unter der globalen Phasentransformation

7 lokale Phasentransformation
Lagrangedichte für die komplexe Wellenfunktion ψ(x) eines freien Elektrons: lokale Phasentransformation des Feldes ψ(x): Ergebnis: Diese Lagrangedichte ist nicht invariant unter der lokalen Phasentransformation

8 Modifizierung der Lagrangedichte durch Einführung von:
kovariante Ableitung Feldstärketensor Vektorfeld Ergebnis: Diese Lagrangedichte ist invariant unter der lokalen Phasentransformation

9 Masselose Bosonen der Eichtheorie
1) Nach dieser Theorie sind die Bosonen der em, starken und schwachen WW masselos! 2) Massenterme der Bosonen in L (Verletzung der Eichsymmetrie wird ignoriert): Der Reaktionsquerschnitt σ der Elektron-Neutrino-Streuung divergiert bei hohen Energien! Die grundlegende Theorie erfordert also masselose Teilchen da sie sonst math. nicht lösbar ist!

10 W± und Z0-Bosonen ihre Massen?
Problem: Wie erhalten die W± und Z0-Bosonen ihre Massen?

11 Higgs-Mechanismus

12 Lagrangedichte eines Quantensystems (skalare Wellenfunktion Φ(x)):
Potential dieses Systems: (μ2Φ2 = Masseterm, λΦ4 = Selbst-WW-Term)

13 spontane Symmetriebrechung
μ2 > 0 und λ > 0 μ2 < 0 und λ > 0 1 definierter Grundzustand: 2 mögliche Grundzustände: Das System entscheidet sich „spontan“ für einen der beiden Grundzustände. Die Symmetrie des Systems ist gebrochen (versteckte Symmetrie)

14 Ziel der Eichtheorie: Invarianz von Theorie unter
lokaler Phasentransformation

15 Spontane Symmetriebrechung der lokalen Eichsymmetrie der QED:
Einführung eines komplexen Skalarfeldes: Lagrangedichte: Potential des Skalarfeldes (μ2<0, λ>0): Spontane Symmetriebrechung:

16 Entwicklung von Φ um diesen Vakuumerwartungswert:
Einsetzen in die Lagrangefunktion und weitere Eichtransformationen durch theoretische Überlegungen, die unphysikalische Ergebnisse eliminieren:

17 Teilchenspektrum des komplexen Skalarfelds
Higgs-Boson Photon

18 Wir haben ein massives Austauschboson!
Ergebnis: Wir haben ein massives Austauschboson! Nächster Schritt: Erweiterung der e.m.-Theorie zur elektroschwachen Theorie!

19 elektroschwache Feldtheorie
Einführung eines komplexen Higgs-Dupletts: Isospin-Triplett W+, W-, W0 (Ladung g) Isospin-Singulett B0 (Ladung g‘) Linearkombination von W0 und B0 ergeben Felder Z0 und γ Lagrangedichte mit lokaler Eichinvarianz: elektroschwache Vereinheitlichung

20 Massenterme Durchführung der spontanen Symmetriebrechung des Potentials V(Φ) für μ2 < 0 und λ > 0 und Entwicklung der Lagrangefkt. um diesen Grundzustandspunkt Massenterme für die Eichbosonen W±, Z0 : Massenterm für das Higgs-Boson: masseloses Photon:

21 experimentelle Bestätigung der Massenterme
Entdeckung der W+, W-, Z0-Bosonen und experimentelle Bestätigung ihrer Massen bei CERN (1983) Aber: Das Higgs-Boson muss noch entdeckt werden!

22 Weitere Vorteile der Higgs-Theorie
Yukawa-Kopplung der Fermionen des SM an das Higgs-Feld. (Masse der Fermionen ~ Kopplungsstärke) Die elektroschwache Theorie wird durch das Higgs-Boson renormierbar.

23 Suche nach dem Higgs-Boson
am LEP, Tevatron und LHC

24 Übersicht der Eigenschaften des Higgs-Bosons

25 Kopplungskonstanten:

26 Spin: S=0 => Spinkorrelation für die Zerfallsprodukte Ladung: Q=0 => Gesamtladung der Zerfallsprodukte ist 0 Masse M=? aber: theor. und exp. Ausschlussgrenzen für die Masse

27 theor. Ausschlussgrenzen
für ΛPL= 1016 GeV 130 GeV ≤ mH ≤ 180 GeV (95% C.L.) mH≤ 1 TeV fig: obere Schranke: SM ist gültig bis zu einer endlichen Energie Λ. untere Schranke: Vakuumstabilität des Potentials V(Φ) fig: Die maximale Higgsmasse bei gegebenem ΛNP (gestrichelte Linie) Die maximale Higgsmasse bei der die Störungstheorie des SM gültig ist (durchgezogene Linie)

28 Teilchenbeschleuniger
LEP (CERN)

29 verwendete Reaktionen
sehr gr. WQ (hohe Reaktionsrate) sehr kl. WQ (niedrige Reaktionsrate)

30 Schwerpunktsenergien bis: 209 GeV
Untersuchter Massenbereich für das Higgs-Boson:

31 theor. und experimentelle Ausschlussgrenze für die Masse des Higgs-Bosons
Ausschlussgrenze: mH= 114,4 GeV (95% C.L.)

32 Teilchenbeschleuniger
Tevatron (Fermilab)

33 verwendete Reaktionen:
Schwerpunktsenergien bis: 1,96 TeV Luminosität: ≈ 3 x 1032 cm-2s-1 integrierte Luminosität: ≈ 7 fb-1

34 Experimentelle Ausschlussgrenze für die Masse des Higgs-Bosons
Ausschlussgrenze: 159 ≤ mH ≤ 168 GeV (theo., 95% C.L.) 163 ≤ mH ≤ 166 GeV (exp., 95% C.L.)

35 Teilchenbeschleuniger
LHC (CERN)

36 verwendete Reaktionen:
Schwerpunktsenergien bis: 14 TeV Luminosität: ≈ cm-2s-1 integrierte Luminosität: ≈ 30 fb-1 (2010) ≈ 300 fb-1(2014/15) Detektoren: ATLAS und CMS

37 WQ für Higgs-Produktion

38 Feynmandiagramme für die Higgs-Produktion

39 Wirkungsquerschnitte der Higgs-Produktion

40 Zerfallskanäle des Higgs-Bosons
H → ZZ → 4ℓ H → WW → 2ℓ2ν H → qq H → gg Wichtigste Zerfallskanäle

41 Verzweigungsverhältnisse der Zerfallskanäle
(mH <135 GeV): B-Meson und tau-Lepton-Endzustände dominant (mH > 150 GeV): WW, ZZ bzw. Lepton-Endzustände dominant Bevorzugt zerfällt das Higgs-Teilchen in die schwersten, kinematisch erlaubten Teilchen (wg. Kopplungskonst. ~ Masse)

42 Das Verhältnis von Signal / Hintergrund ≈ 4%
Zerfallskanal H → γγ Signal Hintergrund: nicht reduzierbar : qq → γγ (b) reduzierbar: qg → γj+jj Das Verhältnis von Signal / Hintergrund ≈ 4%

43 fig: Diphoton invariant mass spectrum after the application of cuts of the inclusive analysis
fig: Diphoton invariant mass spectrum obtained with the Higgs Boson plus one jet analysis fig: Diphoton invariant mass spectrum obtained with the Higgs Boson plus two jet analysis Man benötigt hohe Photonennachweiseffizienz und präzise Trennung von Signal und Hintergrund => hohe Anforderung an e.m. Kalorimenter! Entdeckungspotential für: 100 GeV ≤ mH ≤ 150 GeV

44 Zerfallskanal H → ZZ → 4ℓ Signal Hintergrund: nicht reduzierbar:
qq → ZZ → ℓℓℓℓ (b) reduzierbar: gg → bb bb→ Z cWcW →ℓℓ cℓν cℓν

45 Entdeckungspotenzial für:
130 GeV ≤ mH ≤ 600 GeV

46 Zerfallskanal H→ WW → 2ℓ2ν
Signal: Forward Jet Tagging geringe Jet-Aktivität in der Zental- region des Detektors, aber Higgs-Zerfallsprodukte fehlende Transversalimpulse wg. Neutrinos Hintergrund: gg → tt → WbWb → 2ℓ2ν bb (Central-Jet-Veto)

47 Entdeckungspotential für
mH ≈ 160 GeV (B.R. H→ WW 95%)

48 Entdeckungswahrscheinlichkeit am LHC

49 „Falls das Standard-Modell Higgs-Boson existiert, wird es am LHC entdeckt!“

50 Quellenangaben F. Halzen, A.D. Martin: Quarks and Leptons: An introductory course in modern particle physics C. Berger: Elementarteilchenphysik G. Bernardi et. al.: Higgs Boson: Theory and Searches A. Duperrin: Review of Searches for Higgs Bosons and Beyond the Standard Model Physics at the Tevatron ATLAS Collaboration: Expected Performance of the ATLAS Experiment (Detector, Trigger and Physics), Volume III CERN: ATLAS Collaboration: CMS Collaboration: Welt der Physik: Sonstige: