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

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

Die schwache Eichsymmetrie Symmetrie im Schwachem Isospin I Neutrino: I3 = ½ Elektron: I3 = -½ Up-Quark: I3 = ½ Down-Quark: I3 = -½ Idee: (n, e) , (u, d) sind Paare identischer Teilchen, die sich nur in ihrer schwachen Ladung I3 unterscheiden Invarianz unter lokalen Umeichungen des Isospins  Emission/Absorption von Eichbosonen I3 I2 I1 W+ I3 I2 I1 n e I2 I1 I3 3

Elektroschwache SU(2)LxU(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 gW , gY) Renormierbar wegen lokaler Eichsymmetrie (Beweis `t Hooft (DD Colloq 10.10.) , Veltman 1971) Braucht masselose Eichbosonen g , Z, W+,W- und masselose Fermionen e,µ,... Explizite Masseterme, z.B. würden Eichsymmetrie zerstören 4

Der Higgs Mechanismus f0 f+ 2 freie Parameter: Minimales Modell: 1 komplexes SU(2) Duplett f Quartisches Potenzial Spontane Symmetriebrechung 2 komplexe Felder f0 und f+ Grundzustand 2 freie Parameter: v (Vakuum Erwartungswert) l (Steilheit des Potenzials) f0 f+

Vorhersagen Lokale Eichinvarianz für Higgs Terme erzwingt Mischung des B und W3 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

Weitere Auswirkungen Ermöglicht Quark Mischung und CP Verletzung ( ) = (VCKM ) ( ) 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 gY /gW = tan qw ; e = gW sin qw MW = MZ cos qw 7

Massenerzeugung mW = ½ gW v mH = Ö(2l) v mf = Ö½ gf v W,Z Massen durch Eichsymmetrie erzwungen v =(Ö2 GF) -½ = 246 GeV aus µ-Zerfall in Fermi Theorie Higgs Boson Masse aus Potenzialparameter l (fast) komplett beliebig Fermion Massen „per Hand“ aus Yukawa Kopplungen Kopplungen gf =Ö2mf /v : 12 Parameter, unvorhersagbar Kopplungen identisch an Higgsfeld und Higgsboson  überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse ! mW = ½ gW v mH = Ö(2l) v mf = Ö½ gf v 8

Analogie: Supraleitung Meisner Effekt: B-Feld (Photonen) erhalten endliche Reichweite (Masse) in einem Hintergrundfeld Higgs Mechanismus Supraleitung Hintergrundfeld Higgs Feld Cooper Paare Natur Bosonisch, S=0 Amplitude A v Ö(n / M) ohne Feld mW = 0 mg = 0 Kopplung k ½gW 2e Dämpfung exp(- mWr ) exp(- r/ l) Reichweite l=1/kA 0.0025 fm 10 - 100 nm Masse 1/ l = kA mW = ½gWv mg = 2eÖ(n / M) 9

Vorhersagekraft? Ist die Higgs Hypothese überprüfbar? Ja! Über Higgs Boson(en) Entdeckung und BR Messung Lernen wir was Masse ist ? Ja! Die Stärke der Kopplung eines Teilchens ans Higgsfeld Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein! Außer des mW / mZ Verhältnisses Hilft er für das Verständnis der Massenwerte? Ja! Wir wissen, welche tieferen Fragen zu beantworten sind: Eichbosonen: Warum ist v = 246 GeV ? Fermionen: Was bestimmt die Kopplungen gf ? 10

Indirekte Massenvorhersage für Higgs Boson Korrekturen höherer Ordnung: MW = MZ cos qw + f (Mt2 , ln(MH / MZ) ) W t W H b H W W W W W SM Vorhersage: MW=(80.363 ± 0.021)GeV Direkte Messung: MW=(80.404 ± 0.030)GeV Differenz: D = (0.041 ± 0.037)GeV Fit der SM Higgs Masse: MH(ath) =(98+38-29)GeV MH(aexp)=(89+42-30)GeV 11

Theoretische Grenzen Elastische W W Streuung (Born Niveau) 12

Theoretical constraints II 13

Higgs Suche seit 25 Jahren Past: e+e- Maschinen CESR, Cornell und DORIS, DESY Ös =10GeV L(arge) E(lectron) P(ositron) collider CERN, Ös = 85 –208 GeV Present: `pp Tevatron, FNAL Ös`pp = 2 TeV Future: pp: LHC, CERN, Öspp = 14 TeV e+e-: ILC, Ös = 0.5-1.0 TeV 14

Der Higgs Steckbrief Zerfalls BRs eindeutig vorhersagbar für das Standard Model Higgs: Oberhalb Schwelle µm²f für Fermionen , µm²H für Bosonen (W,Z) Produktions Prozess vom Experiment abhängig 15

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

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

Signal Topologien 18

Die Suche bei LEP2 Ös=200-208 GeV gg-> hadrons qq WW ZZ ZH(114) 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 ... 19

Getting rid of background

Beispiel: ALEPH Kandidat (MH=114.3 GeV) 21

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

Hauptsuchkanäle Andere dominierende Produktionsprozesse als bei Tevatron: nicht triggerbar zu kleine x-section wichtig für BRbb,BRtt Entdeckungskanal für Hbb,tt

Bedeutung der VektorBosonFusion (VBF) Direkte Messung von Kopplungsverhältnissen Entdeckungskanal für niedrige Higgs Massen Nach 1 Jahr (10 fb-1) 5s für alle Massen bis 200 GeV t s G = ´ W tt) → BR(H WW) VBF

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 2018 25

Higgs Physik am ILC Hauptziel: Higgs Präzisionsmessungen Rückstoßmasse zu l+l- (GeV) Unabhängig vom Higgs Zerfall Unabhängig von Higgs Breite Messung des Produktions WQ Hauptziel: Higgs Präzisionsmessungen Verzweigungsverhältnisse auf wenige Prozent genau Higgs Selbstkoppplung l Higgs Potenzial CP Quantenzahlen, Higgs Masse(n) auf 50 MeV genau Modell unabhängige Suchen Welches Higgs Modell hat die Natur realisiert? 26

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

Zusammenfassung Fermion und Eichboson Massen eine der Schlüsselfragen für die Entstehung des Universums und des Lebens Feine Anpassung ihrer Werte untereinander (md-mu, md-me) 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 3s Evidenz (5s Entdeckung) für S.M. Higgs nur bis 125 (115?) GeV LHC ab 2008 5s 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