Die Suche nach dem Higgs-Boson

Transkript

1 Di Such nach dm Higgs-Boson spontan Symmtribrchung und Higgsmchanismus Massnrzugung dr W- und Z-Bosonn und Frmionn Mass ds Higgs Produktion und Zrfallskanäl Higgssnsitivität an Tvatron und LHC

2 Spontan Symmtribrchung und Higgsmchanismus Elktroschwach Thori: Aus lokalr Eichinvarianz untr Transformationn in dr SU() L U(1) Y folgt di Existnz dr masslosn Bosonn B, W 1, W, W 3 mit unndlichr Richwit. In Wirklichkit: SU() L U(1) Y gspaltn in in symmtrisch U(1) m und in stark gbrochn SU() L -Symmtri ds schwachn Isospins. di schwach Kraft ist xtrm kurzrichwitig und wird vrmittlt übr massiv Austauschbosonn W ± und Z 0, währnd das Photon kin Mass trägt.

3 Spontan Symmtribrchung und Higgsmchanismus Es muss in nus Fld mit folgndn Eignschaftn ingführt wrdn: invariant untr SU() U(1) an Lptonn, Quarks und di Bosonn B, W 1, W, W 3 gkopplt mit Vakuumrwartungswrt 0 bricht di Symmtri dr lktroschwachn WW

4 Spontan Symmtribrchung Bispil: Frromagntismus T > T Curi Di Spins sind statistisch vrtilt T < T curi Di Spins richtn sich innrhalb dr Wiß schn Bzirk inhitlich aus

5 Spontan Symmtribrchung Such nach dm Higgsboson Sminar: Physik mit höchstnrgtischn Tilchnbschlunigrn

6 Higgsmchanismus Wir führn also in skalars, komplxs Dublttfld in: Φ = Φ Φ iφ + iφ gladn nutral dssn Lagrangdicht folgndrmaßn bschribn wird: L Higgs = (D μ Φ) (D μ Φ) V(Φ), wobi ( ) V(Φ) = μ Φ Φ+ λ Φ Φ das Potntial bschribt, an dssn μ v Minimum das Fld dn Wrt Φ = = hat. λ 1 0 Btracht di Lösung Φ0 = v

7 Massnrzugung vom M W und M Z Dr Trm (D μ Φ 0 ) (D μ Φ 0 ) in dr Lagrangdicht bschribt di Wchslwirkung ds Higgsflds Φ 0 = mit dn Eichfldrn. D μ ist di kovariant Ablitung bzüglich dr FldrW µ i und B µ : D Mit dn Bzihungn: σ i i ' µ = µ ig Wµ ig Bµ folgt m W = ½ gv m Z = 1 ' v g + g m γ = 0 W Z A 0 ± = = = g g + Y 1 ( W W ) 1 μ g g ' ' 3 ( gw g ' B ) 3 ( g ' W + gb )

8 Erzugung dr Frmionmassn Di Kopplung ds Higgsflds an di Frmionn kann durch dn Yukawa-Trm bschribn wrdn als: [ ] ( ) ( ) ( ) f f f L RH LHR f L R R L L L R R L L v v v 0, v 0, = + = + = + ν ν Mass ds Elktrons Dr Paramtr f wird nicht von dr Thori fstglgt.

9 Dr Vakuumrwartungswrt v Dr Wrt ds Higgsflds bi minimalr potntillr Enrgi kann jdoch brchnt wrdn: g W Aus dr Frmi-Rlation G F = und mw 8 = m W 1 folgt für v: v = 46 GV G F g W v

10 Das Higgs-Boson Aus Symmtrigründn gibt s zum Higgsfld nur in massivs Boson, das Higgs-Boson, das in Anrgung aus dm Potntialminimum bschribt. Φ(x) = 1 0 v+ η( x) Di witrn Frihitsgrad (Goldston-Bosonn) findn sich in dn zusätzlichn Spininstllungn für di nun massivn W/Z-Bosonn. (longitudinal Polarisation)

11 Mass ds Higgs-Bosons Um di Mass ds Higgs-Tilchns zu brchnn, ntwicklt man V(η) um das Minimum: 1 Aus Φ= und V = μ Φ Φ+ λ Φ Φ rgibt sich für di v+ η( x) Mass: m H = 0 λ v ( ) Dr Slbstkopplungsparamtr λ wird nicht von dr Thori fstglgt. m H ist nicht aus dr Thori abzulitn

12 Mass ds Higgs-Bosons Übr Trm höhrr Ordnung lassn sich indirkt Rückschlüss auf di Mass zihn 114,4 GV m H zwischn 114GV und 11GV

13 Higgsproduktion Gluonfusion dominirt an Hadroncollidrn

14 Higgsproduktion Am LEP: - Higgsstrahlung als dominantr Prozss + - H 0 Z 0 - klin Biträg durch WW und ZZ-Fusion (klin Wirkungsqurschnitt bi LEP-Enrgin) Kombination dr LEP Exprimnt rgibt untr Grnz dr Higgs-Mass bi 114,4 GV.

15 Zrfallskanäl Es gibt zwi wsntlich vrschidn Brich: m H < 130 GV: H zrfällt in schwr Frmionn, hauptsächlich b (Kopplung an Massn) m H > 150 GV: H zrfällt in WW und ZZ.

16 Zrfallskanäl am LEP + (H 0 bb) (Z 0 qq) 4-Jt, BR 60% bi Higgs Boson mit 115 GV Mass, Jts mit Z-Mass, Jts mit b flavour + (H 0 bb) (Z 0 νν) Fhlnd Enrgi dr Nutrinos, b-quarkjts, BR 17%. + (H 0 bb)(z 0 +, μ + μ ) nrgirich Lptonn mit Z-Mass, B-Jts, wnig Hintrgrund, dahr trotz klinr BR (6%) gutr Bitrag + (H 0 τ + τ )(Z 0 qq) and (H 0 qq)(z 0 τ + τ ) τ-jts und Quarkjts, BR 8%

17 Zrfallskanäl am LHC dirkt Higgsproduktion: gg H γγ, W + W -, Z 0 Z 0 assoziirt Higgsproduktion: tth 0 ttbb W + W fusion: qqh 0 qqτ + τ

18 Bispil: H WW μ + νμ ν lptonischr Zrfall dr W Bosonn charaktrisirt durch Myonn mit hohm transvrsaln Impuls und fhlndr Enrgi dr Nutrinos ähnlich Zrfäll: Z/γ μ + μ ; Z/γ τ + τ ; WW tt μ + νμ ν bμνbμν Um zwischn Higgs-Signal und Hintrgrund zu untrschidn, wird das gmssn Signal an mhrrn Stlln abgschnittn.

19 Slction Cuts bi M H =160GV p T dr μ ½M H, Mass dr μ M Z klinr Öffnungswinkl dr bidn Myonn.

20 Öffnungswinkl Δ μμ zwischn dn Myonn Wnn das Higgs-Boson mit Spin 0 in W ± (Spin 1) zrfällt, sind di Spins antikorrlirt. Winkl zwischn dn Myonn klin Konkurrnzprozss: Z/γ μ + μ, WW μ + νμ ν (großr Winkl π, bzw. twa glichvrtilt)

21 Zwi Brich von m µµ wrdn abgschnittn: Invariant Mass dr Myonn m µµ < 0GV (in dism Brich signifikantr Bitrag von Y- und bb-zrfälln, bi klinr Higgsmass großr Vrlust an Signalffizinz) m µµ -m Z < 15 GV (Biträg von Z-Zrfall, bi größrr Higgsmass wnig Vrlust an Signalffizinz)

22 Öffnungswinkl Δ μμ nach Cuts Untrdrückung ds Hintrgrunds

23 Higgs-Snsitivität bi Tvatron mit 10 fb -1 kann das Higgs bis 130 GV mit 3 σ gfundn wrdn. mit 4 fb -1 kann in Higgs bis 130 GV ausgschlossn wrdn.

24 Higgs-Snsitivität am LHC ATLAS und CMS wrdn das Higgs mit 5 s Signifikanz nach ca. 1 Jahr ntdckn odr ausschlißn