The Search for the Higgs Boson

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1 The Search for the Higgs Boson Revealing the physical mechanism that is responsible for the breaking of electroweak symmetry is one of the key problems in particle physics A new collider, such as the LHC must have the potential to detect this particle, should it exist. Fundamental problems of the Standard Model: 1. Masses of the vector bosons W and Z: Experimental results: M W = ± GeV / c 2 M Z = ± GeV / c 2 2. Divergences in the theory (scattering of W bosons) -i M (W + W - W + W - ) ~ s / M W 2

2 The Higgs mechanism Scalar fields are introduced Potential : For µ 2 < 0, λ > 0, minimum of potential: Perturbation theory around ground state: 3 massive vector fields: 1 massless vector field: M = 0 Mass terms result from interaction of gauge bosons with Higgs field 1 massive scalar field: The Higgs boson H M H = λ v 2 v = vacuum expectation value v = ( 2 G F ) -½ = 246 GeV The Higgs mechanism (cont.) Coupling terms of W- and Z-bosons and fermions to the Higgs field: The introduced scalar fields can also be used to generate fermions masses (where g f is the coupling of the Higgs field to the fermion) Higgs boson self-coupling L = - λ v h 3 -¼ λ h 4 and finally: Higgs boson regulates divergences in the WW scattering cross section W W H W W

3 Properties of the Higgs Boson The decay properties of the Higgs boson are fixed, if the mass is known: W + H W +, Z, t, b, c, τ +,..., g, W - W -, Z, t, b, c, τ,..., g, Higgs boson likes mass: It couples to particles proportional to their mass decays preferentially in the heaviest particles kinematically allowed Der Higgs Mechanismus, eine Analogie: Prof. D. Miller UC London Higgs-Hintergrundfeld erfüllt den Raum Ein Teilchen im Higgs-Feld Widerstand gegen Bewegung... Trägheit Masse

4 Der erste Schritt in das TeV-Neuland der physikalischen Grundlagenforschung Proton-Proton Beschleuniger im LEP-Tunnel am CERN p p 7 TeV 7 TeV Der Large Hadron Collider (LHC) - Höchste Energien pro Kollision - Bedingungen wie zu Zeiten von s nach dem Urknall Vier geplante Experimente: ATLAS, CMS (pp-physik) LHC-B (Physik der b-quarks) ALICE (Pb-Pb Kollisionen) Gebaut in einer internationalen Kollaboration aus 34 Ländern Geplante Inbetriebnahme: 2007 Proton-Proton Kollisionen am LHC Proton Proton: 2835 x 2835 Pakete (bunches) Abstand: 7.5 m ( 25 ns) Protonen / bunch Kreuzungsrate der p-pakete: 40 Mio. mal / sec. Luminosität: L = cm -2 sec -1 Proton-Proton Kollisionen: ~10 9 / sec (Überlagerung von 23 pp-wechselwirkungen während einer Strahlkreuzung) ~1600 geladene Teilchen im Detektor hohe Teilchendichten hohe Anforderungen an die Detektoren Gelöst in Forschungs- und Entwicklungsprojekten

5 Produktionsraten am LHC Inelastische Proton-Proton Reaktionen: Quark -Quark/Gluon Streuungen mit großen transversalen Impulsen 1 Milliarde / sec ~100 Millionen/ sec b-quark Paare 5 Millionen / sec Top-Quark Paare 8 / sec W e ν 150 / sec Z e e 15 / sec Higgs (150 GeV) 0.2 / sec Gluino, Squarks (1 TeV) 0.03 / sec Der ATLAS Detektor Durchmesser Länge des zentralen Toroiden Gesamte Länge (incl. Myonkammern) Gesamtgewicht 25 m 26 m 46 m 7000 t

6 Der ATLAS Detektor im Vergleich. Scheduled ATLAS ATLAS Installation Installation (Oktober (October 04) 05) 03)

7 Produktion des Higgs-Teilchens Vier Produktionsprozesse Produktionswirkungsquerschnitt in Abhängigkeit der Masse pb Signal: Untergrund: H ZZ (*) llll σ BR = 5.7 fb (m H = 100 GeV) Top Quark-Produktion tt Wb Wb lν clν lν clν σ BR 1300 fb Assoziierte Produktion von Z bb Z bb ll clν clν P T (1,2) > 20 GeV P T (3,4) > 7 GeV η < 2.5 Isolierte Leptonen M(ll) ~ M Z M(l l ) ~ < M z L = 100 fb -1 Untergrund-Unterdrückung: Leptonen von b-quark Zerfällen nicht isoliert entstehen nicht am Primärvertex (B-Meson Lebensdauer: ~ 1.5 ps) Wichtigster Untergrund nach Isolationskriterien: ZZ Kontinuum Entdeckungspotential im Massenbereich von ~130 to ~600 GeV/c 2

8 A simulated H ΖΖ llll event H Zwei isolierte Photonen: P T ( 1 ) > 40 GeV P T ( 2 ) > 25 GeV η < 2.5 Untergrund: q q Signal / Untergrund ~ 4% Sensitivität im Massenbereich von GeV/c 2 Untergrund aus Ereignissen kann aus Seitenbändern bestimmt werden

9 ATLAS Higgs-Boson Entdeckungspotential Der komplette Massenbereich kann bereits nach einer Laufzeit von 1-2 Jahren abgedeckt werden L = 30 fb -1 Mehrere Zerfallskanäle sichtbar Am LHC kann die Frage nach der Existenz eines Standardmodell-Higgs-Bosons geklärt werden There are very exciting times ahead of us!! We hope that many of you will join us in the discovery enterprise In case you have any questions: please do not hesitate to contact me: karl.jakobs@uni-freiburg.de Transparencies will be made available as.pdf files on the web (official summer school pages)

10 End of lectures