Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC Fred Uhlig Betreuer: Prof. Dr. K.Rith Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/2007 29.01.2007 Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) Proton-Proton Ringbeschleuniger 14 TeV Schwerpunktsenergie 27 km Tunnelumfang ca. 70-100m 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

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

Supraleitende Dipolmagnete - Magnetfeld: 8.33 Tesla - Betriebstemperatur: 1.9 K LHC Tunnel mit Beschleunigerelementen Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

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

CMS Kalorimeter Supraleitende Spule, 4 Tesla Eisenjoch TRACKER Myon- ECAL HCAL Eisenjoch TRACKER Myon- endkappen Total weight 12500 t Overall diameter 15 m Overall length 21.6 m Myonkammer Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

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

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

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 = 85 (+39) (-28) GeV MH < 166 GeV (95 % CL) Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

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

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

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

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 : 10-7  Entdeckung Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

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

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

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

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 : 1.1 GeV (LAr-Pb) CMS : 0.6 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

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

„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 > 99.9999 % Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

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

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

Literaturverzeichnis Byron P. Roe: Particle Physics at the New Millenium Abraham Seiden: Particle Physics CERN Summer Student Lectures http://agenda.cern.ch/tools/SSLPdisplay.php?stdate=2006-07-03&nbweeks=7 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