Suche nach dem Higgs Boson

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1 Suche nach dem Higgs Boson Arnulf Quadt Universität Bonn Teil 1 Das Standardmodell Symmetriebrechung Der Higgs Mechanismus Das Higgs Boson Higgs Suche bei kleinen Massen Teil Higgs Suche bei LEP-II Die Suchkanäle Statistische Methoden Das Jahr 000 Ergebnisse August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 1

2 Suche nach dem Higgs Boson () Arnulf Quadt Universität Bonn Teil 3 Modell-unabhängige Suchen Higgs & SUSY Geladene Higgs-Bosonen Exotische Higgs Suchen LEP-Zusammenfassung Teil 4 Higgs Suchen am Tevatron Higgs Suchen am LHC Higgs am Linearbeschleuniger Zusammenfassung August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page

3 Suche nach dem Higgs Boson Teil 1 Das Standardmodell Symmetriebrechung Der Higgs Mechanismus Das Higgs Boson Higgs Suche bei kleinen Massen August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 3

4 Das Standardmodell Fermionische Konstituenten der Materie: Fundamentale Kräfte: elektromagnetisch : Photon m fl = 0 schwach : ± ; Z 0 -Bosonen m = 81 GeV; M Z = 91 GeV stark : Gluonen m g = 0 (Gravitation) : klassisches Feld fehlender Baustein: Ursprung der! Masse Higgs Boson August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 4

5 Unitarität G F s 8 p ß» 1 ) s» 4p ß GF = A + g s M ' L L! L L Streuung g s M 4 ' g s» 1 Unitarität M Fermi: 0 L 0 L! 0 L 0 L : Die Theorie schwach gekoppelter massiver Vektorbosonen ist nur für Energien p s» 1: TeV konsistent Lösung: damit Teilchen bis zu hohen Energien schwach wechselwirkend bleiben H Vektorbosonen sind stark gekoppelt bei hohen Energien Unitarität erzwingt Existenz eines neuen skalaren Teilchens (Higgs Boson), August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 5

6 s M Massive Fermionen Z f ' 0 g g Mf p s m Gleiches Problem und gleiche Lösung: f H f g Mf p s m + ' f Theorie von schwach gekoppelten massiven Eichbosonen und Fermionen erfordert die Existenz eines fundamentalen skalaren Higgs-Teilchens als Folge von Unitarität: H : 0 skalares Teilchen Kopplung ++ Masse der Quelle ο August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 6

7 Analogie zum Higgs Mechanismus (1)... ein berühmter issenschaftler tritt ein, erregt die Aufmerksamkeit der Leute und zieht bei jedem Schritt einen Haufen Verehrer an um den Higgs Mechanismus zu verstehen, kann man sich einen Raum voller redender Physiker vorstellen, der dem vom Higgs-Feld gefüllten Raum entspricht dadurch steigt der iderstand gegen seine Bewegung und damit seine Trägheit, er gewinnt Masse, genau wie ein Teilchen im Higgs- Feld... August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 7

8 Analogie zum Higgs Mechanismus ()... es erzeugt wieder die gleiche Art von Haufen, aber diesmal unter den Physikern. In dieser Analogie entspricht das Higgs Boson im Higgs-Feld dem Physiker-Haufen. Das Higgs- Boson gewinnt Masse.... ein Gerücht geht durch den Raum... August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 8

9 = 0 μ ffi + m ffi = 0 Lagrange-Dichten typischer Massenterm quadrat.im Feld, neg.vorzeichen Für Feld ffi(xμ) und Lagrange-Dichte: L= 1 (@ μffi)(@ μ ffi) } z 1 Euler-Lagrange Gleichung Klein-Gordon Gleichung QED: L QED = μψ(ifl m)ψ + z} μ ψfl μ Aμψ 1 4 F μνf μν e Kopplung Eichfelder mit Forderung: - invariant unter LOKALEN Eichtransformationen. sonst divergent! L QCD: = μq(ifl m)q z} g (μqfl μ Taq)G a μ 1 4 Ga μνg μν a QCD mit G a μν a a μ gfabcg b μg c ν Durch Eichinvarianz sind Terme der Form m A 1 A μ nicht erlaubt ) μ Photonen und Gluonen sind masselos Aber wie können wir echselwirkungen von schweren Eichbosonen (m ;Z ß 100 GeV) beschreiben??? August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 9

10 Beispiel: Skalares Feld ffi L= Lagrange-Dichte: μffi) ( 1 1 μ ffi ffi4 ) mit > 0 verlange Spiegelsymmetrie: ffi! ffi Fall 1: μ > 0 Skalares Feld mit Masse μ 4-Teilchen Vertex mit Kopplung Selbstwechselwirkung! Grundzustand ffi = 0 Massenterm? z } Fall : μ < 0 Massenterm hat falsche Vorzeichen = ffi(μ + ffi ) = stabile Minima: ffi = ±v mit v = p μ = ) oder ffi = ±0! kein Minimum, instabil V V -v v φ φ spontane Symmetrie-Brechung für Störungstheorie Entwicklung um Minimum:,! wähle: ffi(x) = v + (x) (oder ffi(x) = v + (x)) Selbstwechselwirkung Massenterm erzeugt Spiegelsymmetrie gebrochen!! 0 1 (@ v z } )L = μ ) v const: } z Massenterm August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 10 m = p v = p μ

11 Spontane Brechung einer Globalen Eichsymmetrie Betrachte komplexes skalares Feld ffi = (ffi 1 + iffi )= p Lagrange-Dichte: L= (@μffi) Λ (@ μ ffi) μ ffi Λ ffi (ffi Λ ffi) globale U(1) Eichsymmetrie: ffi! e iff ffi Fall 1: > 0; μ > 0... wie vorher... Fall : > 0; μ < 0 eingesetzt: L= 1 (@ μffi 1 ) + 1 (@μ ffi ) 1 μ (ffi 1 + ffi ) 1 4 (ffi 1 + ffi ) wie vorher ffi ffi Minima: = v mit v = μ ) Kreis ist Lösung ξ 1 η wähle: ffi 1 = v; ffi = 0! ffi(x) = q 1 [v + (x) + iο(x)] 0 1 (@ = L μο) ) + μ +konst: + kubische=quartische T + erme 1 in ο; } (@μ z } z nur kinematischer Term masseloses Goldstone Boson!! ) v(ffi) weil flach inο-richtung... Massenterm: 1 m = μ ) m = p μ Massenterm zwar erzeugt, aber auch ein nicht-beobachtetes masseloses skalares Teilchen...!?? August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 11

12 ffi! q 1 (v + h(x))e i (x)=v! Aμ + 1 μ Aμ... in lokaler SU()... massive ± ;Z 0 ;H 0 Der Higgs-Mechanismus Spontane Brechung einer LOKALEN U(1) Eichsymmetrie: lokale U(1) Eichsymmetrie: ffi! e iff(x) ffi kovariante Ableitung : Dμ ieaμ und Eichfeld: Lagrange-Dichte: L= (@ μ + iea μ )ffi Λ (@μ ieaμ)ffi μ ffi Λ ffi (ffi Λ ffi) 1 4 F μνf μν Aμ! Aμ + 1 μff Fall 1: > 0; μ > 0... ähnlich der QED Lagrange Dichte... Fall : > 0; μ < 0 mit ffi(x) = q 1 [v + (x) + iο(x)] ' q 1 (v + )e iο=v wähle (x) so, daß h(x) reell 00 1 (@ v h + 1 L μh) e v A μ vh h4 = + 1 e A μh + ve A μh 1 4 F μνf μν } z } z Massenterm des Vektorteilchens Aμ: ma = ev # kinemat. und Massenterm des massiven skalaren Teilchens mh = p v h: Freiheitsgrad des Goldstone Bosons in longitudinaler Polarisation von Aμ aufgegangen... Massenterm für Vektorteilchen Aμ erzeugt, und auch für das beobachtbare massive skalare Higgs Boson!!! Im SM Higgs Dublett: ffi = q 1 ffi 1 + iffi iffi 4 ffi 3 5 August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 1

13 Oktober 1964 Prof. Peter Higgs SPIRES: FIND AUTHOR HIGGS,P Result: 8 documents found FIND TITLE HIGGS Result: 5118 documents found. Eine einzelne Idee verändert die elt... August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 13

14 1 q M ' ) M = 1 4 g v M Z = M = cos 8M ) v = ( p G F ) 1= V Massen in Higgs Mechanismus Grundzustand v= p 6= 0 0 v φ Prinzip: M = 0 v Masse = echselwirkungsenergie von Eichbosonen/Fermionen M > mit Higgs-Grundzustandsfeld v= p + + g = = 1 g v 4 M 1! 1 q + 1 q ( gv ) 1 q + ::: q m f = g f v= p g v q aus Fermi: F p G = g = = 46 GeV August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 14

15 M H =v» 1 Λ = v Obere Massengrenze für das Higgs Boson wenn die einzige Unbekannte Higgs Masse festgelegt ist Alle Eigenschaften des SM higgs Bosons sind nach Konstruktion determiniert, Zerfallseigenschaften: Lebensdauer, Verzweigungsverhältnisse Produktionsmechanismus und irkungsquerschnitte! obere Massengrenze durch Unitarität:! ) ' G F M H A( 4 p ß H» p ß=G F M (850 GeV )» +... H + ψ Änderung von mit Energie-Skala Q obere Massengrenze aus starkem Kopplungs Limes: ) = 0 h ß (Q Q i = + ::: v log mit 0 = M H =v (Q ) = 3M H = 1 M v erreicht Landau-Pol bei = Λ Q 4ß v log Q! 1» 8ß v 3 H log 1 enn SM bis Skala Λ fortsetzbar, dann ist MH beschränkt August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 15

16 Untere Massengrenze für das Higgs Boson t untere Massengrenze aus top-bottom: sehr groß! wird negativ ) = 0 h1 3g4 t 3ß (Q Q i = + ::: v log g 4 t ο M 4 top M H > Minimum, sonst Vakuum instabil V φ August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 16

17 z ) ßff(M p (1+ ρ)(1+ 3Q) sin eff GF p M )(1 GF ) (1 Rew Z M ßff M + [1»ff +»t +»H] Z sin eff w cos g Al ) i ( ff ß ) h ff 11 log M H M 5 i 6 3 sin 16ß ' ff ß M t M ρ ff 4ß ln M H M Z Z ' ff 9ß ln M H M 3Q Z M + t 13 6 Z M M t ln M Z Higgs Massenabschätzung aus Strahlungskorrekturen Fermi-Kopplung f G lim q q!0 8 = p 1 q M... korrigiert durch Quantenfluktuationen... γ f G p = t b»ff = ff(m Z)=ff 1»t = 3ff M t M Z sin4 16ß H»H = M Z = w ll = F 3 Z G p h M [1 + ρ] 1 + ( g Vl ß 4 ' 0 13 ff ß ffivb = + ffivb) b d(1 ßff(M = Z ) M M Z ; M t ; M ; log M H ; sin eff w ff; spielen alle eine große Rolle... August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 17

18 Elektroschwache Präzisions-Daten Summer 001 LEG Measurement Pull Pull α (5) had (m Z ) ± m Z [GeV] ± Γ Z [GeV].495 ± σ 0 had [nb] ± R l ± A 0,l fb ± A l (P τ ) ± R b ± R c ± A 0,b fb ± A 0,c fb ± A b 0.9 ± A c ± A l (SLD) ± sin θ lept eff (Q fb ) 0.34 ± m (LEP) [GeV] ± m t [GeV] ± m (TEV) [GeV] ± sin θ (νn) 0.55 ± Q (Cs) ± Gute Übereinstimmung des Standard Modells mit den Daten... August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 18

19 ff(0) (5) 1 (s) fftop(s) ff Neueste Ergebnisse zu ff em ff(s) = had (s) ff l (s) und ff top (s) sind berechenbar ff had (s) hat QCD Unsicherheiten 7 6 ρ,ω,φ Ψ's Υ's Burkhardt, Pietrzyk 001 Bestimme aus BES Daten von had = ff(e+ e!hadrons) R 5 ff(e + e!μ + μ ) 4 ff Quelle (5) (M Z) had Rhad alter ert (1995) 0:0804 ± 0:00065 BES (001) 0:0761 ± 0:00036 pqcd + BES (001) 0:0738 ± 0:0000 zentraler ert etwas kleiner. Unsicherheiten deutlich reduziert 3 1 Bacci et al. Cosme et al. Mark I Pluto Cornell,DORIS Crystal Ball MD-1 VEPP-4 VEPP-M ND DM BES 1999 BES % 5.9 % 6 % 1.4 % rel. err. cont s in GeV August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 19

20 χ 6 4 α had = α (5) Higgs Massenfit aus E-Daten theory uncertainty ± ± m [GeV] LEP1, SLD, νn, APV Data LEP, pp Data 68% CL α LEG Excluded 10 m H [GeV] Preliminary m H [GeV] Preliminary m t [GeV] = GeV MH MH < 196 GeV (@95% CL) August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 0

21 b = 3G F p ß M HM b (M H) 4 V = ( 1 ) G F p ß M 3 H 8 g = ( G F ff s p ß 3 ) M 3 H 36 Φ -Schleife für flfl Higgs Zerfalls-Eigenschaften Allgemein: Da ο Higgs-Kopplung Masse, Zerfall dominant in schwerstes Teilchenpaar, das kinematisch möglich ist b H M b (Q) ο M b (M b ) ff s (Q ) läuft... H! b μ b: b V H dominant ο M 3 H H! ; ZZ: V γ g 95 ( 1 7f + ) ff s ß 6 4 Λ H! gg; flfl: H t γ g August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 1

22 Branching ratio bb τ τ cc gg γγ Zγ LEP region Higgs Zerfälle und Breite TEVATRON ZZ tt LHC region m H (GeV) (MH = 130 GeV ) ß 10 MeV (MH ß 1 TeV) ß 1 M 3 H(TeV) ß 1 3 TeV 100 ;(H) [GeV] [GeV] MH August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page

23 Higgs-Suche bei kleinen Massen (bis 5 GeV) m H < m μ Anomales magnetisches Moment des Muons (g ) μ :. µ H. Kernphysik Experimente (starke Abhängigkeit von Annahmen) γ. Seltene Kaon-Zerfälle: s u mμ mfi Kaon- und B-Zerfälle. u d H mμ 5 GeV -Zerfälle, z.b.! flh. im Moment noch nicht sehr aussagekräftig wegen theoretischer Unsicherheiten in! H::: August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 3

24 search for the minimal Standard Model Higgs boson has been performed A with data from e + e collisions in the OPAL detector at LEP. The is based on 85 nb 1 of data taken at center-of-mass energies between analysis 88.3 and 95.0 GeV. The search concentrated on the reactions e + e! + e or μ + μ or ν μν)h 0 ;H 0! (qμq or fi + fi ), for Higgs masses above (e GeV=c. No Higgs boson candidates have been observed. The present 3 study excludes the existence of a Standard Model H 0 Higgs-Suche bei kleinen Massen (bisο60 GeV) Abstract e + e! tμt! Hfl... wenn top-quark viel leichter wäre... e + e! Z 0! HZ 0Λ hier OPAL-Beispiel von 1989: with mass in the 3:0» mh» 19:3 GeV =c at the 95% confidence level. range später 175pb mit pro Experiment Grenzen um die 60 GeV erreicht... 1 Ausschlußgrenzen 1991 schon 11.3 GeV mit 6:8 pb 1 schon bei LEP-I wurden modell-unabhängige Higgs Suchen durchgeführt August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 4

25 Zusammenfassung - Teil 1. Symmetriebrechung und Higgs Mechanismus. Higgs Massen. Higgs Zerfallseigenschaften. Higgs Suchen bei kleinen Massen bis 60 GeV August 001, Mainzer Klausurtagung - Bullay, Arnulf Quadt Page 5