2.2 Die Suche nach dem Higgs-Boson Eigenschaften des Higgs-Bosons

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1 2.2 Die Suche nach dem Higgs-Bsn Eigenschaften des Higgs-Bsns Das Higgs-Bsn ist das einzige vrhergesagte Teilchen des Standardmdells der elektrschwachen Wechselwirkung, das nch nicht eperimentell nachgewiesen werden knnte. Es ist aber unverzichtbar für die Knsistenz der Therie (Unitarität und Renrmierbarkeit). Die elastische WW-Streuung W + L W L W+ L W L ist bei hhen Energien E k = k2 +MW 2 dminiert durch lngitudinal plarisierte Zustände W ± L wegen ε µ 1 L (k,λ = 0) = (k,0,0,e k ) k M W k µ. M W M W PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 191

2 Für s = q 2 M 2 W gilt für die Wechselwirkungsamplituden: a) A J=0 (a) (W LW L W L W L ) = + G F s 8π 2. Unitarität der Streumatri(=Erhaltung der Wahrscheinlichkeit) verlangt eine Begrenzung der Partialwellenamplituden: ReA J=0 1 2 ; Dies ist nur erfüllt für Energien s 4π 2 G F (1.2 TeV) 2. Die Unitarität wird erhalten für beliebige Energien durch Kmpensatin durch den Austausch schwach wechselwirkender skalarer Higgs-Bsnen: b) A J=0 (b) (W LW L W L W L ) G F s 8π 2. = Die elektrschwache WW benötigt zur Erhaltung der Unitarität der Streumatri ein skalares Feld, das an Eichbsnen gm W,Z und an Ferminen m f (schwach) kppelt: das Higgs-Bsn. Ohne das Higgs-Bsn (mit nicht zu grßer Masse) wird darüber hinaus die schwache Wechselwirkung berhalb 1 TeV tatsächlich stark und nicht mehr störungstheretisch berechenbar, d.h. neue Phänmene jenseits des Standardmdells. = Grenzen für die Masse des Higgs-Bsns. PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 192

3 2.3.2 Grenzen für die Masse des Higgs-Bsns Die Masse des Higgs-Bsns M H ist ein vm Standardmdell nicht vrhergesagter freier Parameter. Es gibt bere und untere Schranken aufgrund der Frderung der Selbstknsistenz der elektrschwachen Wechselwirkung, der Endlichkeit der Higgs-Selbstwechselwirkung und der Higgs- Vakuumstabilität bis zur Energieskala Λ, bis zu der das Standardmdell als elementare Therie gültig bleiben sll. Für s M 2 H ist A J=0 (a+b) (W LW L W L W L ) G FM 2 H 4π 2 und die Unitarität mit Hilfe des Higgs-Bsns nur gewährleistet, falls = G FM 2 H 4π ; = M 2 H 2π 2 G F (870 GeV) 2. PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 193

4 Selbstwechselwirkung des Higgs-Bsns q 2 -Abhängigkeit der Selbstkpplung mit Higgs-Vakuumplarisatin: λ(q 2 ) = λ(q0) 2 ( 1 3λ(q2 0 ) 4π 2 ln q 2 q 2 0 ), wbei λ(v 2 ) = M2 H 2v 2. Es gilt λ(q 2 0) +0 und λ(q 2 ) 0. = Landau-Pl bei einem Wert q 2 = Λ 2 und 0 < λ(q 2 ) < (physikalisch) für ( ) 3λ(v 2 ) Λ 2 H 4π 2 ln v 2 ( ( MH 2 < 8π2 v 2 Λ 2 H ln 3 v 2 3M2 H 8π 2 v 2ln )) 1 = ( Λ 2 H v 2 ) < 1,d.h. { (750 GeV) 2 f. Λ H = 1 TeV (140 GeV) 2 f. Λ H = M Planck PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 194

5 hc M Planck = G GeV kg ist die sg. Planck- N Masse der Planck-Energieskala, bei der die Gravitatin s stark wird wie die übrigen Wechselwirkungen und quantisiert werden muß (Quantisierung der Raum-Zeit bei Abständen kleiner als die Planck-Länge 1/M Planck ). Die Energieskala Λ 2 H = v 2 e 8πv 2 3M H, 2 bei der die Higgs-Selbstwechselwirkung stark wird, wird klein bei grßen M H. Dies ist im Gegensatz zur QED mit Λ 2 QED = m 2 ee 3π α(m 2 e ) m 2 ee 103. Im Fall der QCD mit N q = 6 < 16 (asympthtische Freiheit) liegt der Pl bei niedrigen q 2, bei der Cnfinement-Skala 12π Λ 2 QCD = MZe 2 (332Nq)αs(M Z 2) (50 MeV) 2. PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 195

6 Stabilität des Vakuums: Fermin (tp-quark)-vakuumplarisatin bei der Higgs- Selbstwechselwirkung führt mit zunehmender tp-masse m t zu λ(q 2 ) < 0, d.h. Instabilität des Higgs-Vakuums mit V Higgs V Higgs, falls M H nicht grß genug ist zur Kmpensatin. 55 M H 700 GeV für Λ H = 1 TeV, 130 M H 190 GeV für Λ H = M Planck, für m t = 175±5 GeV. D.h. untere Grenze der Higgs-Masse: GeV, verschärfte bere Grenze: GeV. Bei hher tp-quarkmasse ist die Einschränkung der Higgs- Masse stärker. Bei M H 1 TeV wird die schwache Wechselwirkung stark, das SM wird inknsistent, kein elementares Higgs-Bsn, Physik jenseits des SM ntwendig. PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 196

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8 2.3.3 Suche nach dem Higgs-Bsn bei LEP Indirekte Obergrenze für die Higgs-Masse M H vn den Präzisinsmessungen der elektr-schwachen Wechselwirkung bei LEP, SLC und Tevatrn im Vergleich zur Therie mit elektrschwachen Strahlungskrrekturen March 2009 Thery uncertainty α had = α (5) ± ± incl. lw Q 2 data m Limit = 163 GeV χ Ecluded m H [GeV] Preliminary M H < 163 GeV (95%CL) PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 198

9 Direkte Suche bei LEP II bei Schwerpunktsenergien bis zu 208 GeV: Der dminierende Higgsprduktinsprzeß in der Elektrn- Psitrn-Vernichtung ist Higgs-Abstrahlung beim Z 0 - Austausch: e e + Z H Z e + e W +, Z ν e, e + H W, Z ν e, e mit H b b (τ + τ ). M H > GeV (95%CL) PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 199

10 Bei einer Masse M H = GeV wurde 2001/02 bei LEP (vr allem beim ALEPH-Eperiment) bei der höchsten Energie eine Anhäufung vn Kandidatenereignissen für Higgs-Zerfälle in bb gefunden. Die Signifikanz der Higgs-Ereignisse gegenüber den erwarteten Untergrundereignissen ist jedch nur ca. 2 Standardabweichungen. PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 200

11 Kandidat für H bb-prduktin bei LEP II (ALEPH-Eperiment) Made n 30-Aug :24:02 by knstant with DALI_F1. Filename: DC056698_007455_000830_1723.PS DALI Run=56698 Evt=7455 ALEPH Z0<5 D0<2 RO TPC 0 1cm 1cm X" 0 1cm 1cm Y" (φ 175)*SIN(θ) θ=180 θ=0 15 GeV 3 Gev EC 6 Gev HC PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 201

12 Direkte Suche am Tevatrn Higgs-Prduktin in pp-vernichtung durch WW- und ZZ- Fusin. Higgs-Bsnzerfälle H b b (m H 120 GeV) und H WW (m H 160 GeV). PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 202

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14 Zerfälle des Higgs-Bsns M H bestimmt alle Zerfallsraten. 1) H f f: M = g f ū f u f = g f 2E f = g f M H ; M 2 N f C g2 fm 2 H; Γ(H f f) = N f C M 2 = 1 16πM H G F 4 2π m2 fm H. g 2 m 2 f 16π Nf C4MW 2 M H Für M H 100 GeV: H b b. Für M H > 2m t = 350 GeV: H t t. 2) H γγ: Γ(H γγ) = G Fα π 3M3 H C Ph ist verhältnismäßig klein ( α 2 ). Verzweigungsverhältnis am größten für 90 M H 150 GeV. PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 204

15 3) H W + W (der Z 0 Z 0 ): für M H > 2M W (bzw. > 2M Z ) Für M H M W : lngitudinale W-Plarisatin: M = igm W ε µ1 ε µ k µ1 k µ 2 2 igm W MW 2 ; Γ(H W + W ) M 2 g2 MH 4 ; 4M 2 W 1 16πM H g 2 M 4 H 4M 2 W = G F 8 2π M3 H mit k µ1 k µ (k 1+k 2 ) 2 = 1 2 M2 H. Ttale Higgs-Zerfallsbreite: Γ tt 1 2 M3 H[TeV] 1 2 M H f.m H 1 TeV. PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 205

16 PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 206

17 Ttale Zerfällsbreite des Higgs-Bsns PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 207

18 Der LHC Beschleuniger PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 208

19 LEP/LHC-Tunnel Der LHC Beschleuniger 1250 supraleitende Diplmagnete mit 1.6 Mrd. km supraleitendem Kabel ( 2 Erdumlaufbahn um die Snne) PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 209

20 Beispiel: das ATLAS-Eperiment am LHC PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 210

21 Higgs-Zerfall im ATLAS Detektr Cmputersimulatin des Zerfalls eines Higgs-Teilchens im ATLAS Detektr: Higgs Z 0 Z 0 (µ + µ )(µ + µ ) PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 211

22 Suche nach dem Higgs-Bsn am LHC: Higgs-Signale des ATLAS-Eperiments nach ca. 4 Jahren Laufzeit: Signal significance 10 2 H γ γ + WH, tth (H γ γ ) tth (H bb) H ZZ (*) 4 l H WW (*) lνlν H ZZ llνν H WW lνjj Ttal significance 10 5 σ L dt = 100 fb -1 (n K-factrs) m H (GeV) Der Massenbereich 120 < M H < 700 GeV wird abgedeckt durch den Gldenen Kanal : H Z 0 Z 0( ) (e + e ) (e + e ) (µ + µ )(µ + µ ) PD Dr. H. Krha: Tests des Standardmdells der Teilchenphysik, WS 2015/16 212