Experimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus

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1 Experimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus Hauptseminar TU Dresden, Michael Kobel

2 Inhalt Motivation Higgs Theorie Vergangenheit bis heute erste Suchen der Stand nach LEP Tevatron Zukunft LHC ILC 2

3 Die schwache Eichsymmetrie Symmetrie im Schwachem Isospin I I 3 I 2 I 1 Neutrino: I 3 = ½ Elektron: I 3 = -½ Up-Quark: I 3 = ½ Down-Quark: I 3 = -½ Idee: (ν, e), (u, d) sind Paare identischer Teilchen, die sich nur in ihrer schwachen Ladung I 3 unterscheiden Invarianz unter lokalen Umeichungen des Isospins Emission/Absorption von Eichbosonen I 3 I 2 ν W + I 1 I 2 I 1 I 3 e 3

4 Elektroschwache SU(2) L xu(1) Y Eichsymmetrie 1961 S. Glashow Eichsymmetrie in Schwachem Isospin und Hyperladung beschreibt elektromagnetische und Schwache Wechselwirkung + Übereinstimmung mit Experiment + Nur 2 freie Parameter (Kopplungen g W, g Y ) + Renormierbar wegen lokaler Eichsymmetrie (Beweis `t Hooft (DD Colloq ), Veltman 1971) - Braucht masselose Eichbosonen γ, Ζ, W +,W - und masselose Fermionen e,µ,... - Explizite Masseterme, z.b. m l l R würden Eichsymmetrie zerstören ν L l L 4

5 Minimales Modell: Der Higgs Mechanismus 1 komplexes SU(2) Duplett φ Quartisches Potenzial Spontane Symmetriebrechung 2 komplexe Felder φ 0 und φ + Grundzustand Φ 0 + φ Φ = 0 φ 1 0 = 2 υ + h φ 0 2 freie Parameter: v (Vakuum Erwartungswert) λ (Steilheit des Potenzials) φ +

6 Vorhersagen Lokale Eichinvarianz für Higgs Terme erzwingt Mischung des B und W 3 Feldes (Massendiagonalisierung) Aμ cosϑw sinϑ B W μ = 3 Z μ sinϑw cosϑ W W μ Der kin. Term des Higgsfeldes enthält über automatisch die Z-h und W-h Wechselwirkungen (Eichkopplung!) sowie Boson-Massenterme ( ) ( µ D φ φ) µ D ( 2 + µ 2 2 µ g W W + ( g g Z Z ) 1 8 ( υ² + 2υ + h²) + W µ W h ) M W g υ M Z = g + gyυ M = = 2 W 2 W γ Y µ 0 Fermion- Massenterme per Hand: SU(2)-skalar eichinvariant g + l l R φ 0 φ ν L l L

7 Weitere Auswirkungen Ermöglicht Quark Mischung und CP Verletzung ( d ) ) ( d ) s = (V s CKM b Schwache Eigenzustände, 4 freie Parameter, Masse Eigenzustände Schwache Mischung über Kopplungen festgelegt g Y /g W = tan θ w ; e = g W sin θ w (keine ausschließliche Vorhersage des Higgs Mechanismus) Vorhersage des Z/W Massen Verhältnisses M W = M Z cos θ w Zentrale Vorhersage von Higgs Duplett Modellen b 7

8 W,Z Massen durch Eichsymmetrie erzwungen v =( 2 G F ) -½ = 246 GeV aus µ-zerfall in Fermi Theorie Higgs Boson Masse aus Potenzialparameter λ (fast) komplett beliebig Massenerzeugung m W = ½ g W v m H = (2λ) v Fermion Massen per Hand aus Yukawa Kopplungen m f = ½ g f v Kopplungen g f = 2m f /v : 12 Parameter, unvorhersagbar Kopplungen identisch an Higgsfeld und Higgsboson überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse! 8

9 Analogie: Supraleitung Meisner Effekt: B-Feld (Photonen) erhalten endliche Reichweite (Masse) in einem Hintergrundfeld Higgs Mechanismus Supraleitung Hintergrundfeld Higgs Feld Cooper Paare Natur Bosonisch, S=0 Bosonisch, S=0 Amplitude A v (n / Μ) ohne Feld m W = 0 m γ = 0 Kopplung k ½g W 2e Dämpfung exp(- m W r) exp(- r/ λ) Reichweite λ=1/ka fm nm Masse 1/ λ = ka m W = ½g W v m γ = 2e (n / Μ) 9

10 Vorhersagekraft? Ist die Higgs Hypothese überprüfbar? Ja! Über Higgs Boson(en) Entdeckung und BR Messung Lernen wir was Masse ist? Ja! Die Stärke der Kopplung eines Teilchens ans Higgsfeld Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein! Außer des m W / m Z Verhältnisses Hilft er für f r das Verständnis der Massenwerte? Ja! Wir wissen, welche tieferen Fragen zu beantworten sind: Eichbosonen: : Warum ist v = 246 GeV? Fermionen: : Was bestimmt die Kopplungen g f? 10

11 Indirekte Massenvorhersage für Higgs Boson Korrekturen höherer Ordnung: M W = M Z cos θ w + f (M t2, ln(m H / M Z ) ) W t W H b H W W W W W SM Vorhersage: M W =( ± 0.021)GeV Direkte Messung: M W =( ± 0.030)GeV Differenz: Δ = (0.041 ± 0.037)GeV Fit der SM Higgs Masse: M H (α th ) =( )GeV M H (α exp )=( )GeV 11

12 Theoretische Grenzen Elastische W W Streuung (Born Niveau) 12

13 Theoretical constraints II 13

14 Higgs Suche seit 25 Jahren Past: e + e - Maschinen CESR, Cornell und DORIS, DESY s =10GeV L(arge) E(lectron) P(ositron) collider CERN, s = GeV Present: pp Tevatron, FNAL s pp = 2 TeV Future: pp: LHC, CERN, s pp = 14 TeV e + e - : ILC, s = TeV 14

15 Der Higgs Steckbrief Zerfalls BRs eindeutig vorhersagbar für das Standard Model Higgs: Oberhalb Schwelle m² f für Fermionen, m² H für Bosonen (W,Z) Produktions Prozess vom Experiment abhängig 15

16 Die Vor-LEP Ära H Produktion von reellen bb (ϒ) virtuellen t loops Higgs Zerfall τ + τ μ + μ inklusive Eine der ersten Higgs Entdeckungen 1984: Crystal Ball, DORIS, DESY 4 s.d. Effekt in ϒ γ X bei m X = 8300 MeV Nicht bestätigt von CUSB, CLEO, ARGUS, CBall

17 Dominanter Prozess: e + Z * H LEP typisch sensitiv für x-sections bis ~0.1 pb e - The LEP Aera bei s = m Z (LEP I) Z P. Janot by LEP I 17

18 Signal Topologien 18

19 Die Suche bei LEP2 s= GeV γγ > hadrons qq WW ZZ ZH(114) Signal / Untergr. Trennung nur auf statistischer Basis Wichtige Methoden b-nachweis im H Zerfall H Mass aus kinem. Fit ZZ und WW veto Korrekte Jet-Jet Paarungen... 19

20 Getting rid of background

21 b-nachweis im Higgs Zerfall Wesentlich zur Untergrundreduktion Nutze b-eigenschaften b-lebensdauer: 1.5 ps Zerfallslänge: ~3 mm (vertex detector) Leptonische Zerfälle (Lepton ID) Combination in Neuronalem Netz

22 Beispiel: ALEPH Kandidat (M H =114.3 GeV) 22

23 Das L3 bbνν Ereignis

24 Optimierung der Selektion Kinematische Fits (z.b. 4j Topologie: 5 Nebenbedingungen (E,p,M Z )) Beste Jet-Jet Paarung mit Hilfe von Likelihood Methoden Grenze OPAL allein: M H > GeV Alle 4 LEP Experimente 2000: etwas zu viele Ereignisse bei ~115 GeV

25 Request and Decision

26 Nachträgliche Rechtfertigung CL b 115 = 0.42 % m H >113.5 GeV (115.3 expected) CL b 115 ~ 3 % m H >114.1 GeV (115.4 expected) CL b 115 ~ 9 % m H >114.4 GeV (115.3 expected) Untergrund Wahrscheinlichkeiten CL b (m H =115) Nov 2000 July 2001 final ALEPH: DELPHI: L3: OPAL:

27 Summary

28 Higgs Suche am Tevatron (Run II) Zerfall: M H < 130 GeV: bb dominant M H > 140 GeV: WW dominant 28

29 Tevatron Run II Erwartungen 10 fb -1 5 fb -1 Möglichkeiten bis 2008 (optimistische 7.5 fb -1 ): 5σ Entdeckung: sehr schwierig 3σ Evidenz bis 125 GeV oder: Verbesserung des Massenlimits auf 175 GeV 29

30 Die Higgs Suche bei LHC LHC Schedule 2007: erste Kollisionen Detektor comissioning 2008: 10 fb -1 low lumi ab 2009: 100 fb -1 /a high lumi 30

31 Hauptsuchkanäle Andere dominierende Produktionsprozesse als bei Tevatron: nicht triggerbar zu kleine x-section wichtig für BR bb,br ττ Entdeckungskanal für Hbb,ττ

32 Der tth Yukawa Prozess mit Hbb q q b b q q l ν tt Endzustände: rein hadronisch: bqq bqq ~ 44% kein Triggern möglich semileptonisch: bqq blν ~ 44% Trigger durch Lepton Signifikanz=2.8σ (m H =120 GeV,L int =30 fb -1 ) rein leptonisch: blν blν ~12% weniger Statistik, aber weniger Untergrund Signifikanz=1.4σ (m H =120 GeV, L int =30 fb -1 ) q q l ν l ν Signaleigenschaften: - 1(2) isolierte Leptonen - 4 b Jets - fehlendes p t durch 1(2) Neutrinos Benchmark für r den Detektor

33 Herausforderungen der tth Analyse Untergrund verlangt vollständige Rekonstruktion des Endzustands Kombinatorik der Jets Quartische Gleichung für ν Impulse im rein leptonischen Kanal Jet Energie Messung zur ν Rekonstruktion Anpassung der Selektion an niedrige/hohe Lumi (23 Pile-up Ereignisse) p t Schnitte b Tag Massenauflösung Ergebnis: 1a high (100 fb -1 ) 3a low (30 fb -1 )

34 Higgs Entdeckung durch Vektor Boson Fusion Jet Jet 2 Vorwärts Tagging Jets: wenig zentrale Aktivität großes η, großes Δη Rainwater, Zeppenfeld et al. Größtes Entdeckungspotenzial für kleine m H Messbar in H ττ und H bb Erlaubt, Higgs Kopplungen zu messen Gut auch für unsichtbare Zerfälle Vorwärts Tagging Jets φ η Higgs Zerfall Massen- rekonstruktion im ττ Kanal: (kollineare τ- Zerfalls Näherung )

35 Bedeutung der VektorBosonFusion (VBF) Entdeckungskanal für niedrige Higgs Massen Nach 1 Jahr (10 fb -1 ) 5σ für alle Massen bis 200 GeV σ σ Direkte Messung von Kopplungsverhältnissen VBF VBF W W W BR(H WW) BR(H ττ) = Γ Γ W Γ Γ τ = Γ Γ τ

36 Higgs Vermessung am International Linear Collider Status des ILC Weltweiter Konsens als nächstes Projekt in Synergie mit LHC Beschleuniger Konzept seit 08/04: (TESLA (DESY), supraleitend) Derzeit: Global Design Effort Detaillierte Studie von Technologie und möglichen Standorten Politische Entscheidung zu Finanzierung und Standort: 2009 / 2010 möglicher Beginn: ab

37 Higgs Physik am ILC Rückstoßmasse zu l + l - (GeV) Unabhängig ngig vom Higgs Zerfall Unabhängig ngig von Higgs Breite Messung des Produktions WQ Hauptziel: Higgs Präzisionsmessungen Verzweigungsverhältnisse auf wenige Prozent genau Higgs Selbstkoppplung λ Higgs Potenzial CP Quantenzahlen, Higgs Masse(n) auf 50 MeV genau Modell unabhängige Suchen Welches Higgs Modell hat die Natur realisiert? 37

38 Und wenn es doch kein Higgsfeld gibt? Brauche in jedem Fall zusätzliche Wechselwirkung für W + W - unter 1 TeV Zu entdecken bei LHC in WWqq oder bei ILC in WWνν und ZZνν ZZ Messung anomaler Quartischer Eichkopplungen für r Skalen der neuen starken Wechselwirkung unterhalb 2-52 TeV WW 38

39 Zusammenfassung Fermion und Eichboson Massen eine der Schlüsselfragen für die Entstehung des Universums und des Lebens Feine Anpassung ihrer Werte untereinander (m d -m u, m d -m e ) und in bezug auf die Stärken der elektromagnetischen und starken Wechselwirkung Higgs Duplettfelder sind aussichtsreichster Massen-Mechanismus Erstes Ziel: Entdeckung der Higgs Bosonen Zweites Ziel: Genaue Identifikation des Higgsmechanismus Experimente auf diesem Weg Tevatron bis σ Evidenz (5σ Entdeckung) für S.M. Higgs nur bis 125 (115?) GeV LHC ab σ Entdeckung von S.M. (und bis 2011 anderer) Higgs Bosonen im gesamten erlaubten Bereich unterhalb von 1 TeV ILC ab ~2020 Präzise Vermessung aller Parameter des Higgs Sectors Die Suche nach dem Ursprung der Masse könnte in 2 Jahren enden Präzise Vermessung beginnt jedoch erst danach Dann erst haben wir die richtigen Fragen nach den Werten der Fermionmassen 39