Durchbruch in der modernen Physik? Aktuelle Ergebnisse zur Suche nach dem Higgs Teilchen am CERN

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1 Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften, Fachrichtung Physik Durchbruch in der modernen Physik? Aktuelle Ergebnisse zur Suche nach dem Higgs Teilchen am CERN Michael Kobel Technische Universität Dresden Seniorenakademie Akademisches Donnerstagskolloquium Dresden

2 1. BEDEUTUNG DER TEILCHENMASSE 2. Massen-Mechanismus im Standardmodell (SM) 3. Suche nach dem Higgs Boson im SM 4. Auswirkungen der möglichen Entdeckung des Higgs Bosons Dresden, Michael Kobel 2 of 49

3 Das große Bild S S S S S LHC: Nachstellen der Prozesse zwischen Elementarteilchen s nach dem Urknall Teilchenbeschleuniger: LHC LEP Geschichte der Physik Zurück zum Urknall Dresden, Michael Kobel 3

4 ENERGIE ist der Schlüssel zu zu Raum: zu Masse: zu Zeit: Dresden, Michael Kobel 4

5 Einige Fragestellungen v Zeit: - Untersuchung von Einzelprozessen bei s nach dem Urknall - Untersuchung der Ursuppe bei 10-6 s nach dem Urknall - Klang des Universums Jahre nach dem Urknall - v Raum: - Welche Teilchen haben noch eine Unterstruktur? - Welche Teilchen sind elementar? - Gibt es mehr als 3 Raumdimensionen? - v Materie: - Gibt es neue schwerere Elementarteilchen? - Was ist Dunkle Materie? - Woher bekommen Teilchen ihre Masse? - Was ist überhaupt Masse? - Dresden, Michael Kobel 5

6 Masse im Alltag v ist die Masse aus zusammengesetzten Teilchen wie Proton und Neutron v 99% davon ist Quanten-Schaum, (d. h. Bindung zwischen 3 Quarks) Fermilab Today v Kann mit Supercomputern theoretisch berechnet werden v Zukünftige Experimente: FAIR in Darmstadt CBM PANDA v Werden hier nicht besprochen Dresden, Michael Kobel 6

7 Masse der Elementarteilchen v deckt 14(!) Größenordnungen ab n ~ Sandkorn e ~ Auto t ~ Ozeandampfer v ist eine Eigenschaft der Teilchen und nicht eine Frage der Größe (alle gleich groß = ohne Unterstruktur!) ( kilo-tons ) v ergibt charakteristische Muster bzgl. Teilchen-Generationen bzgl. leichter Neutrinos (~ leichter als ihre Partner) v Warum? xxxxx -2 xxxx Xxxxxxx -3-1 The Dawn of Physics Beyond the Standard Model, by Gordon Kane, Scientific American, June 2003 Dresden, Michael Kobel 7

8 Bedeutung der Teilchenmassen fi Beispiel: Elektron fi Einfluss auf Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, ) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien fi Bindungsenergie steigt mit m e E 0 ( m e ) = H- Atom: Z 2 a a 2 em 2 em m m e e = 13, 6 ev fi Größe der Atomhülle (Bohr Radius) fällt mit 1 / m e r 0 ( me ) = a em = 1 Za em m 1 137, e Dresden, Michael Kobel 8 8

9 was wäre wenn Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: Download: : v Massen von Elementarteilchen bestimmen den Ablauf der Kosmologie v Wissenschaftler wollen zunächst verstehen, was Masse ist, um danach versuchen, die Werte zu verstehen Dresden, Michael Kobel 9

10 v Warum brennt die Sonne so langsam? p + p D + e + + n (Energiegewinn: DE = 0,5 MeV) Vermittelndes W-Teilchen sehr schwer: m W = MeV Rate unterdrückt um ~ (DE / m W ) 4 > p W + v Weiterführende Literatur R.N. Cahn, The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life (1996) V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model (1997) C. Hogan, Why the Universe is Just So (1999) Th Damour und J.F.Donoghue, Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding (2007) n n e + Zerfallsprodukte des W + n entsteht über W + Dresden, Michael Kobel 10 of 49

11 1. Bedeutung der Teilchenmasse 2. MASSEN-MECHANISMUS IM STANDARDMODELL (SM) 3. Suche nach dem Higgs Boson im SM 4. Auswirkungen einer möglichen Entdeckung des Higgs Bosons Dresden, Michael Kobel 11 of 49

12 Standardmodell der Teilchenphysik ( ) v 3 Fundamentale Wechselwirkungen zwischen Teilchen (+ Schwerkraft) erfordern Botenteilchen (Austauschteilchen) werden aus Symmetrien vorhergesagt! v Bausteine der Welt Träger von Ladungen Spielfeld der entsprechenden Wechselwirkungen v Massenmechanismus Herkunft der Teilchenmassen noch unbekannt Symmetrien verbieten Teilchenmassen!! Hypothese: Spontane Symmetriebrechung durch Hintergrundfeld Nachweis: Higgs-Teilchen v Errungenschaft des Standardmodells beschreibt *alle* bekannten Prozesse Ist (derzeit) DIE grundlegende Theorie der Physik Dresden, Michael Kobel 12

13 Fundamentale Wechselwirkungen Dresden, Michael Kobel 13 of 49

14 Die Ordnung der WW-Stärke hängt vom Abstand ab! Kernphysik Teilchenphysik Wir Dresden, Michael Kobel 14

15 Das Spielfeld der Wechselwirkungen v Bausteine geordnet nach Ladungen Eine Ladung für jede Wechselwirkung (generiert die W.Wirkung) Elektrische Ladung Schwache Ladung Starke Ladung Herkunft der Anordnung der Teilchen in Multiplettstruktur unverstanden! Dresden, Michael Kobel 15

16 Weltformel : Lagrangedichte des Standardmodells v auf CERN T-shirt und Mouse Pad Dresden, Michael Kobel 16

17 Bedeutung v Aufstellung der Terme dieser Weltformel : Natur verlangt ihre Invarianz unter 3 Symmetrien ( lokalen Umeichungen ) Terme, die die Symmetrie nicht erfüllen, sind verboten Symmetrie lässt sich nur mit Hilfe von Wechselwirkungen erfüllen -> lokale Eichsymmetrie ist Ursache der Wechselwirkungen! v Erläuterung der Formel: Jedem Term entspricht in dieser Reihenfolge kinetische Energie freier Teilchen Wechselwirkung zwischen Teilchen Massen und Mischungen der Teilchen (über Hintergrundfeld) Potenzielle Feldenergie und Anregungen (Higgs-Teilchen) Alle Prozesse lassen sich mit Hilfe dieser Formel vorhersagen (z.b. Licht, Magnetismus, Elektromotor, Radiowellen, Kernzerfälle, Brennen von Sternen ) Dresden, Michael Kobel 17

18 Etappen auf dem Weg zum Standardmodell v 1961: GLASHOW (*1932) Lokale Elektroschwache Eichsymmetrie v 1964: ENGLERT, BROUT, HIGGS Spontane Symmetriebrechung KIBBLE, GURALNIK, HAGEN (Bilder) zur Massenerzeugung ( Higgs Boson ) v 1964: GELL-MANN (*1929), ZWEIG(*1937) Quarks v 1965: HAN, NAMBU (*1921), GREENBERG Starke Farb- Ladung v 1967: SALAM ( ), WEINBERG (*1933) Anwendung auf Baustein-Teilchen Weinberg: A model of Leptons (Nobelpreis 1979 mit Glashow, Foto) Dresden, Michael Kobel 18 Masse für Bausteine

19 Lokale Eichtransformation auf einer Waage Hier 60 Dort 60 Messung: Messung: 50 v Lokale Eichinvarianz erfordert Absorption oder Emission von Eich-Teilchen (g, W, Z, g) Dresden, Michael Kobel 19

20 Spontane Symmetriebrechung v Idee von Brout, Englert, Higgs, Kibble, Hagen und Guralnik, 1964 Φ = Allgegenwärtiges Hintergrundfeld 0 mit Potenzial V ~ f 4 Łf ł Oft auch (unvollständigerweise) Higgsfeld genannt Völlig homogen, strukturlos 1 0 Φ 0 = 2 Łu ł Grundzustand 1 Anregungsmöglichkeit: Φ 0 + f bricht Rotationssymmetrie 1 0 = 2 Ł u + H ł (berechtigt) genannt: Higgs-Boson H Beweist Existenz des Hintergrundfelds v 2 neue freie Parameter v (Vakuumerwartungswert) l (Steilheit des Potenzials) f 0 Dresden, Michael Kobel 20 of 49 f +

21 Konsequenzen Anregungen erscheinen als massives Higgs Boson Zuerst gezeigt von Peter Higgs, PRL 13 (1964) 508 m H = 2l u Kinematischer Term des Hintergrundfelds µ µ f f 1 ( ² u + uh + H²) g W W + ( g + g ) Z ( D ) µ ( ) ( Z ) µ D ~ 8 erzeugt Z-H u. W-H Wechselwirkung mit bekannten Stärken g erzeugt W und Z-Boson Massenterme Massen vorhersagbar! W µ W Y µ m W = 1 = 2 gwu mz = 2 gw + gy u mg 0 Erzeugung der Baustein-Massen Postulat (Weinberg): Jedes Baustein-Teilchen f koppelt mit seiner eigenen Kopplung y f an das Hintergrundfeld mf = 1 2 yfu Dresden, Michael Kobel 21

22 Parameter-Übersicht v Hintergrundfeld Erwartungswert v : Elektroschwache Skala Setzt Skala für *alle* Teilchenmassen (Bausteine, W, Z, Higgs Boson) Genau bekannt z.b. aus Myon Zerfall: v =( 2 G F ) -½ = 246,221 GeV Herkunft und Größe dieser Skala bzgl. Planck Skala ~ GeV unklar ( Hierarchie-Problem ) v Steilheit des Potentials l Beschreibt Steifigkeit, Zähigkeit des Hintergrundfelds, je zäher, umso schwerer dessen Anregung und umso schwerer das Higgs Boson Erlaubter Bereich nach vorherigen Higgs Suchen : l = 0,1 10 l unbekannt, also Higgsmasse nicht vorhersagbar v Fermion Yukawa Kopplung y f Beschreibt Stärke der Wechselwirkung der Fermionen mit Hintergrundfeld Präzise rückrechenbar aus Teilchenmassen Breites Spektrum von y t = 0,995±0.006 bis y e = 0, (immernoch unbekannt für Neutrinos) Herkunft von y f völlig unklar! Dresden, Michael Kobel 22

23 In Bildern v Leeres Vakuum (v = 0 ) alle Teilchen sind masselos Bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit v Hintergrundfeld (v 0 ) Teilchen werden durch Wechselwirkung mit dem Feld verlangsamt Teilchen erhalten effektiv eine Masse Wert hängt von der Stärke y f der WW mit dem Hintergrundfeld ab v Higgs-Teilchen Quantenmechanische Anregung des Hintergrundfeldes Notwendige Konsequenz des Konzepts! Dresden, Michael Kobel 23

24 Eigenschaften des Higgs Bosons v Alle Eigenschaften vorhersagbar (abgesehen von m H ) Kopplung von Bausteinteilchen an Higgsboson: 2 m f y y f = f frhfl bekannt Spin, Parität: J PC = 0 ++ (wie Vakuum) v Als Funktion von m H eindeutig vorhersagbar: Produktionsprozess Verzweigungsverhältnisse im Zerfall und Breite (Lebensdauer) u Lebensdauer s s s Dresden, Michael Kobel 24 24

25 1. Bedeutung der Teilchenmasse 2. Massen-Mechanismus im Standardmodell (SM) 3. SUCHE NACH HIGGS BOSON IM SM 4. Auswirkungen einer möglichen Entdeckung des Higgs Bosons Dresden, Michael Kobel 25 of 49

26 Higgs-Boson Suche (seit > 35 Jahren) v Früher (1980er-2011) e + e - : CESR, Cornell und DORIS, DESY E ee =10GeV L(arge) E(lectron) P(ositron) collider CERN, E ee = GeV Tevatron, FNAL pp E pp = 2 TeV v Heute: pp: LHC, CERN, E pp = 7-14 TeV v Zukunft: Linear Collider? e + e - : ILC / CLIC, E ee = TeV Dresden, Michael Kobel 26 26

27 Die Suche am LEP gg-> Hadronen qq WW ZZ ZH(114) v Grenze: m H > 114 GeV Maximale Schwerpunktsenergie Folie 27 von 20 27

28 Suchergebnisse vom LEP Dresden, Michael Kobel 28 of 49

29 LHC: Datenmengen und Ereignishäufigkeiten v Steigende Datenmengen: 2010: L ~ cm 2 s 1 Ldt ~ 0.04 fb : L = x cm 2 s 1 Ldt = 4.8 fb : L = 6-8 x cm 2 s 1 Ldt = fb 1? tt Jets Für L = cm 2 s : L cm 2 s 1? Ldt 100 fb 1 pro Jahr? Dresden, Michael Kobel 29 of 49

30 LHC: Leistung 2012 v Integrierte Lumi 2012: bisher 16 fb -1 (2011: 4.8 fb -1 ) ALICE ATLAS LHC-b CMS 2012 Spitzenwert pro Tag 2011 Dresden, Michael Kobel 30 of 49

31 ATLAS: TU Dresden + ISEG Rossendorf: Hochspannung + Ausleseelektronik Dresden, Michael Kobel 31 of 49

32 ATLAS Detektorverständnis: v p T, E T miss, 2-jet Massen v Simulation: Exzellente Datenbeschreibung über viele Größenordnungen Dresden, Michael Kobel 32 of 49

33 Strategie zum Erreichen der Physikziele v 2010 Kalibrierung des Detektors verstehen Wiederentdeckung des Standardmodells v 2011 Genaues Verständnis bei hohen Energien Einfluss von Proton-Verteilungsfunktion Verteilung von zusätzlichen Jets Untergrund zu neuer Physik Neue Physik Erlaubte Bereiche stark eingeschränkt v 2012 Aufschluss über Massen-Mechanismus (Higgs oder nicht Higgs?) und vielleicht mehr Dresden, Michael Kobel 33 of 49

34 SM Higgs-Boson Erzeugung und Zerfall am LHC v Entdecke Hintergrundfeld d. Higgs-Boson Erzeugung Higgs Boson ~ Anregung des Hintergrundfelds (wie Wirbel ~ Anregung der Luft) Schwere Teilchen mit hoher Energie erzeugen Anregung = Higgs-Teilchen im Hintergrundfeld v Higgs Boson Zerfälle vorhersagbar Hängen im SM nur ab von unbekanntem M H Copyright: DLR, Köln Dresden, Michael Kobel Folie 34 von 20

35 Ohne experimentelle Sensitivität: Endzustände mit Quark-Jets dominieren WW Dresden, Michael Kobel 35 of 49

36 Nach Trigger, Rekonstruktion, Untergrundabzug: Völlig andere Endzustände dominieren Dresden, Michael Kobel 36 of 49

37 H WW: Massenreko erschwert wg. Neutrinos (alle Bilder zeigen nur Teilmengen der Daten) v Spin-Korrelation: Leptonen aus H WW Zerfall bevorzugen kleine DF Öffnungswinkel W - W - H e - W + ν W + μ + ν v Bei 8 TeV: transversale Masse m T aus Impulskomponenten transversal zur Strahlrichtung: Daten etwas höher als Untergrund Dresden, Michael Kobel 37 of 49

38 Ereigniskandidat W + W - µ + n e - n Dresden, Michael Kobel 38 of 49

39 H ZZ 4 Leptonen (e oder µ) v Goldener Kanal (praktisch kein Untergrund außer ZZ ohne Higgs) v Sensitivster Endzustand für 200 GeV<m H <275 GeV v zweitsensitivster (nach WW) für 130 GeV<m H <200 GeV v Sehr gute Massenrekonstruktion möglich Dresden, Michael Kobel 39 of 49

40 Ergebnisdarstellung v Messe: 95% Obergrenze auf zusätzliche Beiträge gegenüber reiner Untergrunderwartung (*ohne* Higgs-Beitrag) Normiere diese Obergrenze auf erwarteten Wirkg.-Querschnitt s SM des SM Higgs-Signals v Gestrichelt: Mittlere Erwartung für viele Experimente für reinen Untergrund v Bänder: Grün: 1s.d. Streuung Gelb: 2 s.d. Streuung v Schwarz: Messung Dresden, Michael Kobel 40

41 Ausschlussgrenzen allein aus H->ZZ (7.4.12) Dresden, Michael Kobel 41

42 H gg v Empfindlichster Kanal bei m H < 120 GeV v Zweitempfindlichster Kanal bei 120<m H <130 GeV v Erwartung kleines Signal bei sehr großem Untergrund v Zusätzliches Problem: Überlagerung vieler pp-kollisionen Photonen besitzen keine Teilchenspur! v Kalorimeter-Segmentierung hilft gegen p 0 Untergrund und falsche Kombinationen von Vertex- Aufhäufungen Extrapolation ergibt Vertex-Zuordnung mit Präzision von wenigen mm m gg 2 =2E 1 E 2 (1-cosq) Dresden, Michael Kobel 42 of 49

43 Gemessenes 2-photon-Massenspektrum Dresden, Michael Kobel 43 of 49

44 ATLAS Kombination v Erwartete und beobachtete Signifikanz eines GeV Higgs Kanal WW l + nl - n gg ZZ l + l - l + l - gesamt Erwartung 2.3 s 2.5 s 2.7 s 4.9 s Beobachtung 2.8 s 4.5 s 3.6 s 6.0 s v p 0 : lokale Wahrscheinlichkeit der Beobachtung unter nur-untergrund Hypothese: einzeln: kombiniert p 0 =1,7 x 10-9 Dresden, Michael Kobel 44 of 49

45 Zeitliche Entwicklung des Signal Dresden, Michael Kobel 45 of 49

46 Ist es ein Higgs? Messung der Eigenschaften v Masse: 126,0 +- 0,6 GeV (ATLAS) v Signalstärke = 125,3 +- 0,6 GeV (CMS) Produktion*Zerfall l = 0,130 nun bekannt (wenn SM Higgs!) v Nächster Update: März 2013 mit 3-facher Datenmenge DPG Jahrestagung Physik in Dresden: Öffentlicher Abendvortrag: Mi, 6.März 2013 Dresden, Michael Kobel 46 of 49

47 1. Bedeutung der Teilchenmasse 2. Massen-Mechanismus im Standardmodell (SM) 3. Suche nach dem Higgs Boson im SM 4. AUSWIRKUNGEN EINER MÖGLICHEN ENTDECKUNG DES HIGGS BOSONS Dresden, Michael Kobel 47 of 49

48 Auswirkungen der Higgs Masse auf die Stabilität des elektroschwachen Vakuums Elias-Miro et al. : v die Potential-Steilheit l ändert sich bei hohen Energien µ, abhängig von m h. Wird negativ bei ~10 10 GeV für m h =126 GeV v Konsequenz: TODAY FUTURE? Metastabiles Vakuum Lebensdauer (~ Jahre) weit länger als Alter des Universums, aber trotzdem v Ausweg: Neue Physik ab ~10 10 GeV? Dresden, Michael Kobel 48 of 49

49 Dresden, Michael Kobel 49 of 49

50 Dresden, Michael Kobel 50 of 49

51 Zusammenfassung und Ausblick v Wir haben online die Entdeckung eines neuen Teilchens erlebt v Es könnte sich um das Higgs-Boson des SM handeln, es könnte aber auch (etwas) andere Eigenschaften haben Vielleicht ist das Hintergrundfeld ein Gemisch aus 2 oder mehr Komponenten? Mehrere Möglichkeiten der Anregung mehrere Higgs-Bosonen Vielleicht ist das Hintergrundfeld ein Kondensat einer neuen Wechselwirkung zusammengesetztes Higgsboson (wie Cooper-Paar in Supraleitung oder Pion in Kernkraft) v Wir müssen nun die Eigenschaften des neuen Teilchens genau messen Hat es wirklich Spin J=0? Es wäre das erste solche Elementarteilchen bzw. Feld! Spin 0 Felder sind extrem interessant für Kosmologie (Inflation!) Zerfällt es genau mit den vorhergesagten Wahrscheinlichkeiten? Einblicke in die (völlig unverstandene!) WW mit Bausteinteilchen v Wenn es tatsächlich das Higgs-Boson des SM mit Masse GeV ist: Das elektroschwache Vakuum ist metastabil Sollte dies uns Sorgen machen? v AUFREGENDE ZEITEN ERWARTEN UNS! Dresden, Michael Kobel 51 of 49