Suche nach dem Higgs und die Experimente am LHC Sebastian Reinicke Seminar Astro- und Teilchenphysik WS 2008/09

Inhalt Experimente am LHC Higgs-Mechanismus Alice LHCb Atlas CMS Higgs-Mechanismus Erwartete Produktion am LHC Erwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS

Experimente am LHC

LHC – Large Hadron Collider Umfang 27km ~ 9600 Magnete pp Collider 7TeV /Beam Pb-Pb Collider 575TeV /Beam 600 Millionen Kollisionen /s 11245 Umläufe /s 1,1 * 10^11 p / Bunch Lum. =10 nb^-1 CMS LHCb Alise Atlas

Alice – A Large Ion Collider Exp. Ziel: Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma durch Kollision von p und Schwerionen Im QGP sind Quarks frei – normal gebunden (duo Meson, trio Baryon) Erforschen was die Quarks zusammen hält (QCD) 26m lang, 16m breit 16m hoch 10000t

LHCb – LHC Beauty Ziel: Teilchen mit b-Quarks erforschen Interressieren sich vorallem für bestimmte Erhaltungssätze und die CP-Verletzung (C-charge, P-parity) 21m lang, 13m breit 10m hoch 5600t

Atlas – A Toroidal LHC ApparturS Ziel: Nachweis des Higgs-Bosons Nachweis der Supersymmetrie 46m lang, 25m Durchmesser 7000t

CMS – Compact Muon Solenoid Ziel: Wie ATLAS 21m lang 15m Durchmesser 12500t

Aufbau des CMS Detektors

LHC und Experimente

Higgs-Mechanismus

Higgs Mechanismus Frage: Warum haben die Elemetarteilchen unterschiedliche Massen? 1964 Peter Higgs postuliert skalares Hintergundfeld Higgsfeld Widerstand für Teilchen Trägheit Masse Kopplung über Higgs-Bosonen

Higgs-Comic sich leise unterhaltende Physiker füllen den Raum Higgshintergrundfeld berühmter Physiker betritt den Raum, jeder will sich mit ihm unterhalten berühmter Physiker wird beim durchqueren des Raumes behindert

Warum ist das Higgs so wichtig? einfachste bekannte und experimentell konsistenteste Erklärung für die Masse der Eichbosonen Grundlegende Theorie erfordert Masselose Eichbosonen da sie sonst math. nicht Lösbar ist W- und Z- Bosonen haben große Massen Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher WW experimentelle Bestätigung vieler Eigenschaften Standardmodell gilt als gut abgesichert

Theoretische Berechnungen Standardmodell muss modifiziert werden Eichtheorie spontane Symmetriebrechung

Modifizierung des SM Einführung eines komplexen selbstwechselwirkenden Potentials: global Eichinvariant mit erfüllt für Grundzustand Erwartungswert im Vakuum Wellengleichung: Beschreibt freies Teilchen der Masse Feld wird Antiteilchen zugeordnet

Modifizierung des SM spontane SB wenn Erwartungswert mit System muss sich entscheiden unendlich viele Grundzustände z.B.:

Modifizierung des SM Eichsymmetrie im Grundzustand nicht realisiert Ableitung der Wellengleichung ergibt 2 Teilchen Goldstoneboson mit Masse 0 und Higgs-Boson mit Masse Einführung der lokalen Eichtransformation im GSW-Modell wird der WW masseloser W-Bosonen und Fermionen V zugefügt Ф jetzt komplexes Isoduplett vier reelle Felder

Modifizierung des SM Rechnung ergab Teilchenspektrum von drei Vektorbosonen: und Higgs-Boson: was fehlt ist das Higgs-Boson

Erwartete Produktion am LHC

Suche nach dem Higgs-Boson Bekannt: wird benötigt um Masse der Teilchen zu erklären keine Ladung ganzahligen Spin 0 Skalarboson mH > 112GeV bestätigt durch Messungen am LEP theoretische Obergrenze von 1TeV Massenabschätzung Fermilab (2006): 117GeV < mH < 153GeV (Messung der W-Bosonen-Masse)

Erzeugung der Higgs-Bosonen Gluonfusion tt-Fusion Vektorbosonenfusion Quarks ergeben zwei Jets Event reduzierung des Hintergrundes

Wirkungsquerschnitt für Higgs Produktion wird von Gluon-Gluon-Fusion dominiert zweit stärkster Anteil ist Vektorbosonenfusion

Zerfallskanäle für unterschiedliche H-Massen Masse > 150GeV: Vektor-Bosonen dominieren Masse < 150GeV domineren, auch Photon- Leptonendzustände

Erwartete Detektion am ALTAS Linien = detektierbar Rest mit Neutrinos = nicht direkt detektierbar einige hunderte bis 150GeV Bester Kanal schächer aber komplettes Spektrum

CMS – Simulationen von Zerfällen bei verschiedener H-Masse 80-140 GeV 130-700GeV 0,5-1 TeV

Erwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS

Signifikanz & Signale Ziel der Detektoren ATLAS und CMS - Sicherstellung das Higgs endeckt werden kann (100GeV-1TeV) Signalsignifikanz: (im Signalbereich) bestätigte Endeckung 2 hochpräzise Endeckungskanäle z.B. 120GeV Higgs in CMS

Signale Sehr klares Signal bei (ATLAS) geringere Produktionsrate effektive Hintergrundunterdrückung Paar nur Nachweisbar bei tt-Fusion

Signale Ziel ist somit theoretisch erreicht Higgs-Boson wird falls es exisitiert in dem Bereich von 100GeV-1TeV endeckt werden

Quellen Springer-Lehrbuch, Teilchen und Kerne The European Physical Journal C - Particles and Fields http://public.web.cern.ch/public/ http://atlas.ch/ http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/index.htm http://jaxodraw.sourceforge.net/

ENDE