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

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 Tevatron LHC Timo Boße 30.06.2003

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 Timo Boße 30.06.2003

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: Timo Boße 30.06.2003

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 Timo Boße 30.06.2003

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 Timo Boße 30.06.2003

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 = 1019 GeV (Planckmasse): 130 GeV < mH < 190 GeV Für Λ ≈ 1 TeV: 50 GeV < mH < 800 GeV Würde also leichteres Higgs gefunden, ließe das auf neue Physik jenseits der Planckmasse schliessen. Timo Boße 30.06.2003

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 mH=196 GeV an. Timo Boße 30.06.2003

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: Verhältnis der Vakuumserwartungswerte: h H A H + H - C P = +1 C P = -1 skalar mh < mH Timo Boße 30.06.2003

MSSM-Higgs-Boson Es werden 2 Parameter zum Beschreiben des MSSM-Higgs benutzt: mA und tan β Alle anderen Massen und Kopplungen hängen von diesen Parametern ab Oberes Massenlimit für h: Falls mA und mH groß werden: Eigenschaften von h ähnlich denen von HSM Daher: Unterscheidung zwischen SM und MSSM in diesem Fall schwierig Timo Boße 30.06.2003

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 Timo Boße 30.06.2003

Verzweigungsverhältnis (BR) bei mH = 115 GeV Zerfälle mH < 130 GeV Zerfall Verzweigungsverhältnis (BR) bei mH = 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 Timo Boße 30.06.2003

Zerfälle mH > 130 GeV Wobei unter Paarproduktionsschwelle: Oberhalb der Schwelle: σ(HWW)/σ(HZZ) ≈ 2 Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP Vier Experimente: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP Schwerpunktsenergie (ECM oder auch ) von 1996 – 2000 sukzessive von 161 auf 209 gesteigert ∫L (pb) Timo Boße 30.06.2003

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 mH > 115 zumTragen. Timo Boße 30.06.2003

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 mH=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 % Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP: Nachweiskanäle Die 4 verschiedenen Endzustände: Verzweigungsverhältnisse für mH=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 % Timo Boße 30.06.2003

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: Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP: Higgs-Kandidaten Die Top 20 der Higgs Kandidaten: Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP: Higgs-Kandidaten ALEPH 4-jet ECM=206,7 GeV mh==114,3 Größte Signifikanz Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP: Higgs-Kandidaten Größte Signifikanz in einem nicht 4-jet- Kanal Timo Boße 30.06.2003

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: Ni : # Ereignisse bi : erwartete Hintergrundrate si : 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): Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP: Likelihood (Experimente) Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP:Likelihood (Gesamt) Minimum bei mH=115,6 GeV Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP: Confidence Levels 1-CLb: Wahrscheinlichkeit für Nur-Hintergrund- Experiment einen Signal- ähnlicheren „likelihood“ zu erhalten CLs+b: Maß für die Wahrscheinlichkeit der s+b-Hypothese Definiere: Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP: Confidence Level Somit legt LEP2 das untere Massen- limit für das SM- Higgs-Boson auf 114,1 GeV. Erwartet: 115,4 Timo Boße 30.06.2003

Suche an LEP: MSSM-Higgs Ausschlußbereiche für mh Timo Boße 30.06.2003

Hadronische Beschleuniger: Higgs-Produktion Viel mehr Untergrund als bei e+e--Beschleunigern Timo Boße 30.06.2003

Tevatron Zwei Experimente suchen nach Higgs: Timo Boße 30.06.2003

Tevatron Suche nach Higgsmassen von 90 – 190 GeV bei Schwerpunktsenergien ECM von 1,8 – 2,0 TeV Plot zeigt die Wirkungsquer- schnitte der jeweiligen Higgs- produktionsmechanismen bei ECM=2,0 TeV Luminosität: Timo Boße 30.06.2003

Tevatron: Nachweiskanäle Low mass range: mH= 90 – 130 GeV Bemerkungen Hintergrund Kanal Ebenfalls großer BR und viel Hintergrund BR ~ 1/3 der vorherigen Kanäle, aber wenig Hintergrund Größter BR, dafür viel Hintergrund Hintergrund Andere 4 Jets - Ereignisse 1/1000 Signal/Hintergrund Timo Boße 30.06.2003

Tevatron: Nachweiskanäle High mass range: mH= 130 – 190 GeV Hintergrund: Signal/Hintergrund: mH [GeV] 140 150 160 170 180 190 S/B 0,058 0,094 0,34 0,45 0,25 0,11 mH [GeV] 140 150 160 170 180 190 S/B 0,24 0,41 0,63 0,54 0,46 Timo Boße 30.06.2003

Tevatron: Potential Benötigte ∫L für Ausschluß, Beiweis und Entdeckung eines SM-Higgs am Tevatron Timo Boße 30.06.2003

LHC Timo Boße 30.06.2003

LHC Sucht nach Higgsmasse im Bereich: Lumi: Am Anfang: 2•1033 cm-2 s-1 Nach 2-3 Jahren: 1034 cm-2 s-1 Timo Boße 30.06.2003

LHC: Nachweiskanäle Low mass range High mass range Zerfall Hintergrund Bemerkungen Sauberer Kanal, da Hintergrund größtenteils reduzibel, kleines BR u.a. Großes BR, aber viel Hintergrund, erfordert sehr gutes b-tagging Low mass range Relativ sauberer Kanal Guter Kanal von 200 – 700 GeV, da Hintergrund klein und gut zu reduzieren ,WZ, WW, Z + jets (red.) ZZ (irred.) Gute fehlende Energie Messung erforderlich High mass range W + jets, WW, Gute Energiemessung und jet-Identifikation nötig Timo Boße 30.06.2003

LHC: Entdeckungspotential LHC sollte also SM-Higgs in diesem Massen- bereich nach ca. 2-3 Jahren ent- Decken können Timo Boße 30.06.2003