Suche nach dem Higgs Boson bei LEP

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1 Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP DPG-Tagung Bnn Klaus Desch Universität Hamburg (OPAL Kllabratin) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 1

2 Gliederung Vm Ursprung der Masse Higgs Bsn Prduktin bei LEP Suchstrategien Der kntrllierte Zufall: Statistik kleiner Zahlen Finale Furis? Higgs Jagd in den nächsten zehn Jahren K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 2

3 Vm Ursprung der Masse Paradigma: Alle Teilchen sind massels! Wir bebachten aber, daß sich (fast) alle Teilchen bei einer Energie E mit bewegen. Widerspruch? Die Idee: Die (an sich masselsen) Teilchen stehen in ständiger Wechselwirkung mit einem Feld, das ihre Bewegungsgleichungen beeinflußt, und zwar genau s, als hätten sie die Masse m ( effektive Masse ). Das Feld ist überall, wir können es nicht abschalten, als sind die Frmulierungen mit echter Masse (hne Feld) und effektiver Masse für die Teilchen äquivalent. Einzige Möglichkeit, das Feld nachzuweisen ist durch seine Anregung. Führt man dem Feld Energie zu, kann ein Teilchen, das Higgs-Bsn, erzeugt werden. K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 3

4 Vm Ursprung der Masse W kmmt der Erwartungswert des Higgs-Feldes her? V( φ) heisses Universum V( φ) kaltes Universum < φ> = < φ> = v.. Phasenubergang φ v φ K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 4

5 Vm Ursprung der Masse Warum brauchen wir den Higgs-Mechanismus? Der Higgs-Mechanismus ist der einzige bekannte Weg, die Mikrphysik als knsistente, eichinvariante Feldtherie zu beschreiben! Dieser Ansatz (das Standard-Mdell) ist etrem erflgreich! / Der Higgs-Mechanismus im Standard Mdell: 1 kmplees skalares Dublett des schwachen Isspins Vakuumerwartungswert GeV drei der vier Freiheitsgrade bilden die lngitudinalen Kmpnenten der schweren Eichbsnen 1 Freiheitsgrad Higgs-Bsn Erzeugung der Teilchenmassen: = # + =! " ( ist die schwache Kpplung!!) = $ " %'&(*) = -,. (, ist ein freier Parameter!) wir kennen die Higgs-Masse nicht! K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 5

6 Vm Ursprung der Masse Wir können die Higgs Masse aber einschränken: 1) theretisch: Untere Grenze: Vakuum-Stabilität Obere Grenze: Perturbativität K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 6

7 3 1 Vm Ursprung der Masse 2) eperimentell: direkte Suchen (gleich) indirekt über virtuelle Effekte, deren Größe vn der Higgs Masse abhängt (erfrdert höchste eperimentelle Präzisin UND präzise theretische Vrhersagen auf dem Quanten-Niveau) (5) thery uncertainty α had = ± ± LEPI LEPII 95% CL LEPEW fit χ 2 2 Higgs mass [GeV] 4 2 LEPEW average Ecluded 1 2 m H [GeV] Preliminary direct searches year Der Beweis für die Realisierung des Higgs- Mechanismus erfrdert aber: die Bebachtung (mindestens) eines Higgs-Bsns die Bestätigung seiner Eigenschaften (Spin,CP,Kpplungen an Bsnen und Ferminen) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 7

8 4 SM Higgs Prduktin bei LEP e+ Z e+ W ν Z * H W - e H Higgs-Strahlung - e WW-Fusin ν σ HZ (pb) Higgsstrahlung (pb) 4 ν σ Hν WW-Fusin 189 GeV 2 GeV 26 GeV 28 GeV GeV 2 GeV 26 GeV 28 GeV m H (GeV) m H (GeV) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 8

9 > Higgs Zerfälle branching fractin _ bb τ + τ gg _ cc W + W ZZ γγ m (GeV/c 2 H ) Higgs kppelt an Masse / Zerfall dminant :<;=:?> auch relevant bei grßen + wird -Zerfall relevant (schwierig, mmentan nch nicht in SM Suchen berücksichtigt) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 9

10 Higgs Suchkanäle Kanal Untergrund H bb Z qq 4-Jet- Kanal 51% WW qqqq,zz bbqq QCD 4jets H bb Z νν Neutrin- Kanal 15% WW qqlν,zz bbνν H bb + - Z τ τ Tau- Kanal 2.4% WW qqτν,zz qqττ QCD (lw-mult. jets) H τ τ + - Z qq 5.1% H bb + - Z e e, + - µ µ Leptn- Kanal 4.9% ZZ bbll.... ~8% aller Endzustande (fur m = 115 GeV) Selektinseffizienz: 4-5% H K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 1

11 Suchstrategien K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 11

12 Suchstrategien A b-quark Nachweis B C DFED ist DAS Mittel der Wahl A multivariater b-tagger ist effizienter als einfacher IP-tag: 1 b jet efficiency Neural Netw rk WORSE BETTER Impact Parameter Onl y ALEPH Mnte Carl Sim ulatin udsc jet rejectin A MC-Mdellierung kann in G<H -Ereignissen und bei hher Energie verifiziert werden A z.b. b-tag in IKJ$IML C N NPO E Ereignissen A (weiches) b-tag vet auf einen Jet, Verteilung des b-tag des anderen: Number f Jets OPAL uds.2 c b B Jet Likelihd K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 12

13 Suchstrategien (2) Neben dem b-tag bietet die Ereignis-Kinematik gutes Trennungsvermögen: Kinematische Fits (am wichtigsten im 4-Jet-Kanal): arbitrary scale m H = 1 GeV sqrt(s) = 26 GeV 5C Fit 4C Fit arbitrary scale m H = 115 GeV sqrt(s) = 26 GeV 5C Fit 4C Fit n Fit 6 n Fit m H (GeV) m H (GeV) Verbesserung der Massenauflösung (weniger Untergrund unter dem Massen-Peak) Vrsicht an der kinematischen Grenze! Weitere trennende Variablen: Winkelverteilungen (Matrielemente für WW, ZZ, HZ) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 13

14 / Y R R V V S Q Suchstrategien (3) Nach Unterdrückung des Grßteils des Untergrundes durch einen Schnitt auf die kmbinierte diskriminierende Variable (z.b. NN-utput, Likelihd etc.) gibt es nch immer Größen deren Verteilungen für Signal und Untergrund unterschiedlich sind: reknstruierte Masse die diskriminierende Variable selbst Ein ty eample : TX8 W6 V2 4 1 V.95 Discr. Variable V.9 V.85 T T U U signal Higgs mass T8 1 V.95 Discr. Variable V.9 V.85 T T U U backgrund Higgs mass benutze das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis zur Bewertung der Signifikanz eines Ereignisses K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 14

15 + Der kntrllierte Zufall: Statistik kleiner Zahlen Wie kmbiniert und interpretiert man die eperimentellen Ergebnisse der Eperimente? Jedes Eperiment ermittelt (im Prinzip) drei Größen Z []\_^ Z ^a`cb dfe Z i*j : Anzahl Kandidatenereignisse ^hg : Anzahl erwartete Signalereignisse : Anzahl erwartete Untergrundereignisse für jeden Kanal und für jede hypthetische Higgs- Masse ( Test-Masse ) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 15

16 Der kntrllierte Zufall: Statistik kleiner Zahlen Ein ty eample (ein Kanal), d.h. ein Zähleperiment, mit erwartetem Untergrund b = 3 und erwartetem Signal + Untergrund s+b = 15. Anzahl der bebachteten Ereignisse ist pissnverteilt: Pissnwahrscheinlichkeit PissnWahrscheinlichkeiten Untergrund Signal+Untergrund Anzahl bebachteter Ereignisse likelihd rati Likelihd Rati: Q = Pis(S+B)/Pis(B) Anzahl bebachteter Ereignisse Idee: rdne die möglichen eperimentellen Ergebnisse (d.h. die Anzahl der bebachteten Ereignisse) anhand einer charakteristischen Größe ( Teststatistik ), die klein ist für untergrundartige Bebachtungen und grß für signalartige Bebachtungen. Wir benutzen als Teststatistik das Likelihd Rati: k l m mnqpsrut]vwzy {a }{P~. q nqpsrut vƒw y {a }{ ~ q K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 16

17 Der kntrllierte Zufall: Statistik kleiner Zahlen Wie grß ist die Wahrscheinlichkeit, k s ˆ zu bebachten? Š wenn Signal + Untergrund eistiert? Š wenn nur Untergrund eistiert? Wahrscheinlichkeit/Bin Wahrscheinlichkeitsdichte fur Q Untergrund signal+untergrund *ln(Q).. CL S 1 CL S 1.CL B CL B σ Evidenz 95% Ausschluss σ Entdeckung *ln(Q) *ln(Q) Cnfidence levels CL and CLˆ sind die Integrale der Wahrscheinlichkeitsdichten (p.d.f s) für k vn Œ bis k Žˆ. Angegeben wird nrmalerweise CLˆ = CLˆ / CL. CLˆ.5 bedeutet Ausschluß der Signalhypthese mit 95% CL 1 - CL 5.7 < bedeutet 5 Entdeckung. K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 17

18 l š š Ÿ š Ÿ Der kntrllierte Zufall: Statistik kleiner Zahlen Kmbinatin vn mehreren Kanälen ist leicht! k š šœl hžfÿ k mit ein ganz wenig Rechnen: k Œ hžfÿ w v Ein ty eperiment mit 8 Kanälen: chan s+b b Wahrscheinlichkeit/Bin Wahrscheinlichkeitsdichte fur Q Untergrund Signal+Untergrund *ln(Q) Kanal bedeutet: verschiede Suchkanäle (4-jet,Neutrin, etc) und: verschiedene bins ( ª, diskr. Var.) des gleichen Suchkanals mit unterschiedlichen s/b. K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 18

19 Der kntrllierte Zufall: Statistik kleiner Zahlen Ein echtes Beispiel (LEP, Osaka2) : -2 ln(q) H m =116 m H=11 m H=112 H=114 Observed LEP s Epected backgrund Epected signal + backgrund «(GeV/c 2 ) m H 21 GeV ±³²a µ_ wird zu ¹»º im Grenzfall grßer Anzahl vn Kandidaten ¼ Unterschied zwischen Untergrunderwartung und bebachtetem ±½²¾ µ_ kann (relativ) leicht als Wahrscheinlichkeit interpretiert werden. Für die genauen Zahlen wird natürlich À Á und  À à aus den p.d.f s für ±½²¾ µ_ berechnet. K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 19

20 Higgs Suche im Jahr 2 Wieder ein ezellentes Jahr für LEP: OPAL Online DataTaking Statistics Integrated Luminsity pb Week number Luminsity/.5 GeV pb OPAL Centerfmass Energy (GeV) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 2

21 Y2K Higgstry Juli: Keine Hinweise auf Higgs ¼ Untere Grenze GeV (95% CL) 5.September: ALEPH sieht Überschuss im 4-jet Kanal kmpatibel mit Ä ª Å Â ÂÇÆ GeV LEP Kmbinatin ergibt 2.2È Überschuss über Untergrund. 14.September: LEP shutdwn um einen Mnat verschben bis 2.Nv.2 3.Nvember: Weitere Kandidatenereignisse erhöhen die Signifikanz auf 2.9È. LEP-Higgs-Gruppe und alle vier Eperimente beantragen LEP run in 21 8.Nvember: LEP wird geschlssen. K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 21

22 Higgs-Kandidaten ALEPH: DELPHI: L3: OPAL: Signifikante Higgs-Kandidaten in allen Eperimenten. É wie signifikant??? K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 22

23 Higgs-Kandidaten End f detectr tracks Made n 29-Aug-2 17:6:54 by DREVERMANN with DALI_F1. Filename: DC54698_4881_829_176.PS_H_CAND ALEPH DALI_F1 ECM=26.7 Pch=83. Efl=194. Ewi=124. Eha=35.9 BEHOLD Run=54698 Evt=4881 Nch=28 EV1= EV2= EV3= ThT= 614 2:32 Detb= E3FFFF Gev EC (φ 138)*SIN(θ) 5 Gev HC 1cm 1cm X" P>.5 Z<1 D<2 F.C. imp. RO TPC.3cm.6cm Y" µ 15 GeV θ=18 θ= Ê Ë Ì ÍÎÍqÏÑÐÓÒ GeV NN-utput:.996 K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 23

24 Higgs-Kandidaten DALI Run=5665 Evt=3253 ALEPH 4 Gev EC 1 Gev HC.8cm.7cm Y.8cm X P>2 Z<5 D<2 (φ 43 )*SIN(θ) YX.7cm 22. GeV θ=18 θ= Ê Ë Ì ÍÎÍKÔÕÐÓÖ GeV NN-utput:.997 K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 24

25 Higgs-Kandidaten Made n 3-Aug-2 17:24:2 by knstant with DALI_F1. Filename: DC56698_7455_83_1723.PS ALEPH DALI Run=56698 Evt=7455 1cm 1cm X" Z<5 D<2 (φ 175)*SIN(θ) RO TPC 1cm 1cm 3 Gev EC 6 Gev HC Y" 15 GeV θ=18 θ= Ê Ë Ì ÍÎÍ ØÐÙ GeV NN-utput:.999 K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 25

26 Higgs-Kandidaten mst significant Hνν candidate L3 Secndary vt s view mass=5.5 GeV 7.3mm t prim. vt L3 1.4mm t prim. vt measured H mass=114.4 GeV H mass reslutin ~3 GeV K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 26

27 Higgs-Kandidaten Event Discussin (4-jet) Run : even t : 6299 Da t e 627 T ime C t r k (N= 91 Sump= ) Eca l (N=12 SumE=15. 7 ) Hca l (N=26 SumE= 43. ) Ebeam Ev i s 21. Emi s s V t ( -. 5,. 4, ) Mun (N= 2 ) Sec V t (N=11 ) Fde t (N= SumE=. ) Bz=4. 35 Bunch l e t 1 / 1 Th r us t = Ap l an=. 61 Ob l a t = Sphe r =. 298 ÚY X Z 27.June Cen t r e f s c r een i s (.,.,. ) 2. cm GeV mû = GeV B-tag(1) =.345 B-tag(2) =.96 Ü = 25.4 GeV Highest weight OPAL candidate =.999 s/b(15 GeV) =.2844 s/b(11 GeV) = s/b(115 GeV) =.5234 LEPC Seminar 3.Nvember 2, Results frm the OPAL Eperiment, Arnulf Quadt Page 8 K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 27

28 Massenverteilungen Achtung! Massenverteilungen zeigen nicht die unterschiedliche Signifikanz der Ereignisse K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 28

29 Interpretatin: Likelihd Ratis -2 ln(q) LEP TOTAL Observed Epected backgrund Epected signal + backgrund mý H (GeV/c 2 ) Übereinstimmung mit SM Wirkungsquerschnitt für Þ ß à á áâzãåäçæ*èêéìë ízî éìï GeV K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 29

30 ñ ñ ñ Interpretatin: Likelihd Ratis Überschuss auch bei kleineren Þ ß? ð Effekt der begrenzten Massenauflösung am kinematischen Limit. Dieses Verhalten wird vm Signal s erwartet: 3-2 ln(q) 2 1 LEP mò =112.5 H mò =115. H mò =117.5 H -1-2 Observed Epected b Epected s+b mý H (GeV/c 2 ) ( Signal -Kurven basieren auf 4DELPHI, gute Näherung, qualitativ.k.) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 3

31 ó ó ù ú ù ú ô ô ó ù ú ô ó 1-CL b 1-CL b ó -3 1 ó -4 Signifikanz der Bebachtung LEP REF Observed Epected s+b Epected b 1 ó -5 1 ó ó ó ó ó ó ó ó ó ó mõ ö(gev/c 2 ) 1 ó -1 1 ó -2 1 ó -3 1 ó -4 1 LEP TOTAL Observed Epected s+b Epected b H mõ ö(gev/c 2 ) H ø 2σ ø 3σ ø 4σ û ø 2σ ø 3σ ø 4σ 1-CL b ó ó -3 1 ó -4 LEP DELTA Observed Epected s+b Epected b 1 ó -5 1 ó ó ó ó ó ó ó ó ó ó mõ ö(gev/c 2 ) REF: bis 5.Sept DELTA: 5.Sept bis 2.Nv TOTAL: Alle Daten H ø 2σ ø 3σ ø 4σ LEP REF DELTA TOTAL á ü ý þ ÿ ã â á9ä í ã ã á9ä í ã ã á9ä í ë ã Prb(2.9 ) =.4% K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 31

32 115 GeV - Interpretatin Wahrscheinlichkeitsdichten für Signal (115 GeV) + Untergrund nur Untergrund Prb. Density m H =115GeV Observed Backgrund Signal+Backgd lnQ Zetliche Entwicklung des Überschusses: Significance (in number f σs) Significance fr m H = 115 GeV/c 2 (2Nv2) Casts belw 12 GeV Casts between 12 and GeV Casts between 13 and GeV Casts abve 14 GeV Epected fr m H = 115 GeV/c 2 Observed July 2th Observed Sept 5th Current sensitivity 3.8 σ Observed Nv 3rd Observed Oct 1th.5 Epected in the backgrundnly hypthesis Days in 2 K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 32

33 Eperiment für Eperiment ALEPH DELPHI Prb. Density L3 OPAL Observed Backgrund Signal Eperimente signalartig, 1 Eperiment untergrundartig: -2 ln Q ALEPH 3.4 DELPHI untergrundartig L3 1.8 OPAL 1.3 K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 33

34 Kanal für Kanal Hll Hνν Prb. Density Hqq Hττ+ττZ Observed Backgrund signal ln Q -2 ln Q 2 Kanäle mit hhen erwarteten Signalraten sind signalartig 2 Kanäle mit kleinen erwarteten Signalraten sind neutral K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 34

35 î Stabilität / Systematik Nichtberücksichtigte systematische Effekte? ð Viele Checks mit Daten! b-tag: Check mit ( ) Zerfällen und Daten bei hher Energie Schwelleneffekt an der kinematischen Grenze: gleiche Situatin bei 183, 189, 192, 196, 2, 25 GeV: kein ähnlicher Effekt bebachtet (immer gute Knsistenz mit Untergrund- Hypthese (2 bei 189 GeV). statistische Methde: andere Teststatistiken und andere Kmbinierer : ð äã á hne Berücksichtigung der syst. Fehler: ð +.1 Stabilität der Kandidatenereignisse: die 14 signifikantensten Ereignisse überlebten bislang alle Rekalibratinen K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 35

36 Situatin seit 3. Nvember 4 Ver ffentlichungen: zur LEP-Kmb. -.2 ALEPH: Phys.Lett. B495 (2) 1-17 L3: Phys.Lett. B495 (2) DELPHI: Phys.Lett. B499 (21) unvera nd. OPAL: Phys.Lett. B499 (21) unvera nd. Na chste LEP Kmbinatin: zu den Smmerknferenzen L3 reanalysiert mmentan seine Daten LEP ist zu Ende! Eine neue A ra der Higgsjagd beginnt! K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 36

37 Die Karawane zieht weiter... K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 37

38 Die Karawane zieht weiter... Signal significance 1 2 H γ γ tth (H bb) H ZZ (*) 4 l H WW (*) lνlν H ZZ llνν H WW lνjj Ttal significance at LHC 1 5 σ ATLASLHC 1 L = 3 fb TEVATRON 1 L = 1 fb m H (GeV) K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 38

39 " # $ Ist es wirklich das Higgs-Bsn? Präzisins-Physik des Higgs-Bsns an einem! Linear-Beschleuniger wie TESLA Zerfallsunabhängiger Nachweis: Number f Events / 1.5 GeV 2 1 & m H Data % Z H µµ X = 12 GeV SM Higgs Branching Rati Verzweigungsverhältnisse: bb + τ τ - gg cc + - W W Recil Mass [GeV] 1-3 γγ M (GeV) H g b /g b (SM) Etraktin der Kpplungen: MSSM predictin: 2 GeV < m A < 4 GeV ) 4 GeV < m A ) < 6 GeV 6 GeV < m A < 8 GeV ) 8 GeV < m A ) < 1 GeV HFITTER * = 12 GeV m H (b) LC 95% CL LC 1σ.8 g' ( c /g ' c (SM) Selbstkpplung e + e - Higgs-Ptential: M/ [GeV] * Z SM Duble Higgs-strahlung: e + e - ZHH σ [fb] H H Z H s = 8 GeV s = 5 GeV H K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 39

40 Anstatt einer Zusammenfassung......ein Stu ck Weltliteratur: t be cntinued... DANKE! an die LEP-Higgs-Gruppe (vrallem P.Garcia-Abia, P.IgKemenes, A.Okpara, E.Pitt, A.Quadt, M.Schumacher) und C.Grupen fu r die Cartns K. Desch Suche nach dem Higgs Bsn bei LEP, DPG Bnn, Page 4