Higgs-Physik und Phänomenologie jenseits des Standardmodells

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1 Higgs-Physik und Phänomenologie jenseits des Standardmodells Dr. Jochen Dingfelder und Prof. Markus Schumacher Freiburg / Sommersemester 2009 Kapitel 1: Higgs-Physik im Standardmodell 1.1 Theorie und Phänomenologie 1.2 Stand der Suche und Entdeckungspotenzial am LHC 1.3 Untersuchung des Higgs-Sektors am LHC und ILC 1.4 Probleme des SM-Higgs-Sektors und möglicher Erweiterungen und Alternativen Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 1

2 Das SM in der Nussschale Der Teilcheninhalt: 6 Quarks + 6 Leptonen + Antiteilchen Kräfte durch Eichsymmetrien beschrieben Im SM: SU(2) L xu(1) Y -xsu(3) C 8 Gluonen (M=0) 1 Photon (M=0) 2W, Z (M=80/)0 GeV) Experiment: alle Teilchen massiv bis auf Gluonen und Photon d.h. Symmetrie der Natur nur SU(3) C xu(1) QED Eichsymmetrien verbieten ad hoc Massenterme - generell für Eichbosonen - für Fermionen, da linkschirale Felder in Dublett, rechtschirale Felder in Singulett bzgl SU(2)IW Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 2

3 Das SM Ist seit 30 Jahren erfolgreich! Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 3

4 Das Elektroschwache-SM: formal Der Teilcheninhalt und die elektroschwachen Quantenzahlen SU(2) L xu(1) Y -invariante Lagrangedichte Wechselwirkungen Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 4

5 Massenterme zerstören Eichinvarianz Massenterm für Eichbosonen generelles Problem Massenterm für Fermionen Problem da rechts- und linkshändige Teilchen unterschiedliche QZ Eichinvarianz nettes Prinzip. Aber stört die Verletzung derselben? Warum keine ad hoc -Massenterme? Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 5

6 Zerstörung der Renormierbarkeit keine Präzisionsvorhersagen auf Schleifenniveau möglich scheint aber zu funktionieren (mit Erweiterung durch Higgs-Boson) z.b. Vorhersage von Masse des Top-Quarks Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 6

7 TEVATRON-Entdeckung wo LEP-Vorhersage Synergie von Hadron- und Leptonbeschleunigern Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 7

8 Unitaritätsverletzung in Streuprozessen schlechtes Hochenergieverhalten für Streung von z.b. VV VV Verletzung der Unitarität bei Schwerpunktsenergien von ~ 1.2 TeV Grund: dritter longitudinaler Freiheitsgrad für massives Eichboson long (p) 1 M W (E,0,0,p) ~ E Vgl.: masseloses Photon besitzt nur zwei transversale Freiheitsgrade Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 8

9 Der Brout-Englert-Guralnik-Hagen-Higgs-Kibble-Mechanismus Ziel: Brechung der Eichsymmetrien von SU(2) L xu(1) Y U(1) QED ohne Verletzung von Renormierbarkeit und Unitarität muss spontan sein, d.h. - Lagrangedichte ist eichinvariant - Zustand niedrigster Energie verletzt Eichinvarianz Idee: Einführung von neuen Felder die einen nicht verschwindenden Vakuumerwartungswert erhalten Bedingungen: - Lorentzinvarianz skalares Feld - um erwünschte Brechung zu erhalten: geladen bzgl. SU(2) L und U(1) Y - Vakuum muss elektromagnetisch ungeladen sein - 3 longitudinale Freiheitsgerade für W/Z-Bosonen - Restaurierung der Unitarität für VV-Streung Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 9

10 Der Brout-Englert-Guralnik-Hagen-Higgs-Kibble-Mechanismus im SM ökonomischste Wahl: ein Dublett von komplexen skalaren Higgs-Feldern mit geeignet gewähltem Potenzial zunächst 2 freie Parameter Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 10

11 Spontane Symmetriebrechung im frühen Universum Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 11

12 Der Brout-Englert-Guralnik-Hagen-Higgs-Kibble-Mechanismus für 2 >0: Symmetrie spontan gebrochen - Minmimum des Potenzial bei V<>0 - Higgsfeld hat Vakuumumerwartungswert v Physik ergibt sich aus Oszillationen um das Minimum - gegen den Potenzial Anstieg 1 massives Higgs-Boson H - entlang der Potenzialmulde 3 masselosen Goldstone-Bosonen verschwinden in unitärer Eichung long. Freiheitsgrade von W und Z Higgs-Feld hat 2 Komponenten: Hintegrundfeld und Teilchen Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 12

13 Massen für die Eichbosonen effektive Masse durch Wechselwirkung mit dem Hintergrundfeld v Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 13

14 Massen für die Fermionen zusätzliche Yukawaterme in Langrangedichte effektive Masse durch Wechselwirkung mit dem Hintergrundfeld v Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 14

15 Higgs-Bosonmasse und Higgs-Bosonselbstwechelwrikung Masse des Higgs-Bosons Selbstwechselwirkung des Higgsbosons Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 15

16 Alle Kopplungen festgelegt u. proportional zu Masse ein freier Parameter: M H bzw. quartische Selbstkopplung Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 16

17 Zerfallsbreiten und Verzweigungsverhältnisse 1.2TeV Kopplung ~ Masse Zerfall in schwerste Fermionsorte dominant NC=3 für Quarkzerfälle tau > charm wegen laufender Masse Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 17

18 Zerfälle in Eichbosonen 1.2TeV Kopplung ~ Masse steiler Anstieg in Partialbreite für MH>2MV W=2xZ wegen Kombinatorik schleifeninduzierte Zerfälle in zwei Photonen Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 18

19 Verzweigungsverhältnisse des SM Higgs Bosons für M<135 GeV: H bb, dominant für M>135 GeV: H WW, ZZ dominant klein: H aber wichtig am LHC Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 19

20 ZusammenfassungTheorie/Phänomenologie Higgs-Mechanismus erlaubt konsistente Formulierung einer Theorie zur Beschreibung der elektroschwachen Phänomene Massenerzeugung durch Wechselwirkung mit Hintergrundfeld Der Preis: ein neues Teilchen das Higgs-Boson ein freier Parameter: Masse des Higgs-Bosons das Profil ist unter Annahme deren Wertes komplett bestimmt die Kopplungen des Higgs-Bosons an Teilchenspezies ist proportional zu deren Masse Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 20

21 Kenntnis über die Masse des Higgs-Bosons theoretische Grenzen: - Unitärität, Hochenergieverhalten von Wirkungsquerschnitten - Pertubativität - Vakuumstabilität experimentelle Grenzen: - Vergleich der Präzisionsmessungen mit SM-Vorhersage - direkte Suchen bei LEP und am TEVATRON Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 21

22 Unitaritätsrettung duirch das Higgs-Boson VV-Streung inklusive Higgs-Boson Berücksichtigung anderer Streuprozesse: M H <750 GeV Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 22

23 Trivialität und Vakuumstablität Energie- /Temperaturabhängigkeit der quartischen Kopplung Linkes Diagramm: Anstieg von < 1 (unendliche) bis zu maximalen Energieskala a) = 0 Theorie trivial kein spontane Symmetriebrechung b) (v) endlich maximale Energieskala bevor Landaupol obere Grenze für M H (M H )v Trivialitätsgrenze Rechtes Diagramm : Abfall (wenn m t gross genug) Verlange stabilies Vakuum, d.h. >0 bis zu Energieskala untere Grenze auf M H (M H )v Vakuumstablitätsgrenze Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 23

24 Trivialität bzw. Abwesenheit eines Landaupols Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 24

25 Vakuum-Stabilität Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 25

26 Trivialittätsgrenze und Vakuumstablität wenn SM bis gültig dann MH in [x,y] wenn MH ausserhalb [x,y] dann neue Physik bei E< Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 26

27 Indirekte Grenze auf M H aus Präzisionsmessungen M H geht durch Schleifenkorrekturen in Präzisionsobservablen ein z.b. M W (Phys) = M W (Born) + W t b W W W 2 m t + ln(m H ) H W direkte Messung von M top nötig um Higgs-Masse einzuschränken Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 27

28 Elektroschwacher Fit im Standardmodell Masse des Higgs-Boson <163 GeV mit 95%CL Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 28

29 Die Suche nach dem Higgs-Boson Die Vergangenheit: bei LEP (1989 bis 2000) In die Gegenwart: am TEVATRON (2002 bis heute) In der Zukunft: am LHC (2009 bis???) Particle Data Group 1988: In summary the only cast-iron constraint on the Higgs boson mass is M > 14 MeV (at 95 % CL). A combination of theorectical arguments and bounds from K, B, Upsilon decays probably exclude the range below 4 GeV. Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 29

30 LEP1: 1989 bis 2000 Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 30

31 Higgsproduktion bei LEP einziger relevanter Prozess: Higgs-Strahlung durch grosse Kopplung von H and Z LEP1 (1989 bis 1995) Schwerpunktsenergie ~ MZ Abfall des WQ mit M H, da Z nicht off shell sein mag LEP2 (1995 bis 2000) Schwerpunkstenergie <209 GeV Abfall des WQ mit M H, wegen Phasenraumunterdrückung reelles Z im Endzustand Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 31

32 Wirkungsquerschnitte bei LEP LEP1: dominanter Untergund Z-Zerfälle LEP2: Zweifermionproduktion, W- und Z-Paarproduktion Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 32

33 Suchtopologien bei LEP2 4-Jet Neutrino Tau Lepton 66(50)% 19(14)% 3(2)%+ 6(5)% 6(4)% Für M H = 60 (100) GeV LEP1: nur Suche im Neutrino- und Leptonkanal wegen Untergrund LEP2: alle Topologien studiert, am Wichtigsten 4-Jet-Kanal Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 33

34 Neutrino Kanal e e bb HZ zwei Jets, die nicht unter 180 Grad liegen + fehlende Energie nach Selektion: kein interessantes Ereignis Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 34

35 e Lepton Kanal e bbe HZ e zwei Jets und zwei Leptonen gute Massenrekonstruktion aus Rückstossmasse nach Selektion: ein interessantes Ereignis bei OPAL Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 35

36 Der interessante LEP1 Kandidat M = GeV Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 36

37 Obere Grenze auf Anzahl Signalereignisse Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 37

38 Das finale LEP1 Massen-Limit OPAL: <59.6 GeV LEP-Kombination: <65.2GeV ausgeschlossen Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 38

39 Suche bei LEP2 im 4-Jet-Kanal bis 209 GeV e e 4-Jet Kanal HZ bb qq Signatur. 4 Jets LEP1 zwei Jets aus b-quarks vom Higgs-Zerfall - zwei Jets aus Z-Zerfalls : M JJ ~M Z Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 39

40 Ergebnis der Selektion mit multivariaten Methoden Likelihood >0.96 Eff(95GeV)=47% N Sig (95GeV)=7.8 Untergrund: Fermion: 15.0 (davon 65%ZZ bbqq) 2 Fermion: 4.9 Daten: 24 Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 40

41 Massenverteilung der Higgskandidaten Anzeichen eines Signals oder statistische Fluktuation? Woher weiss ich, dass Methode nicht fehlerhaft ist? Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 41

42 Test der Likelihood-Selektion Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 42

43 Finales OPAL-Ergebnis bei LEP2 kein Anzeichen eines Signals Vergleich mit erwarteter Signalrate Ausschluss von kleinen Higgs-Boson-Massen Markus Schumacher, Higgs Physics, WS 04/05 Bonn University Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 43

44 Statistische Interpretation CLB-Verträglichkeit mit der CLS-Verträglichkeit mit nur Untergrund -Hypothese Signal+Untergrund -Hypothese im Mittel 0.5 erwartet für Entdeckung <2.85x10-7 mit 95% CL ausgeschlossen, wenn CLS<0.05 Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 44

45 Ein ALEPH-Kandidat Markus Schumacher, Higgs Physics, WS 04/05 Bonn University Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 45

46 LEP: Finales Ergebnis E CM von 90 bis 209 GeV leichter Überschuss bei ~ 115 GeV (1.7 ) aber nur im 4-Jet-Kanal bei ALEPH Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 46

47 LEP: Finales Ergebnis E CM 90 bis 209 GeV Markus Schumacher, Higgs Physics, WS 04/05 Bonn University Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 47

48 Das finale Massenlimit von LEP Markus Schumacher, Higgs Physics, WS 04/05 Bonn University Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 48

49 Tevatron: Proton-Antiproton-Kollisionen bei 1.96 TeV Fermilab CDF Tevatron D0 CDF D0 Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 49

50 Suchtopologien am TEVATRON M H <135 GeV: W(Z)H mit H bb M H >135 GeV: gg H mit H WW Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 50

51 Signal- und Untergrundwirkungsquerschnitte 1 Higgs gg H Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 51

52 Die wichtigsten Suchtopologien und ihre Untergründe Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 52

53 WH l bb Kein Hinweis auf Existenz des Higgs-Bosons Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 53

54 gg H WW l l W - W - H e - W + ν W + μ + ν Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 54

55 CDF und D0: individuelle Ausschlussgrenzen Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 55

56 Kombination von 75 Suchen bei CDF und D0 Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 56

57 Projektion der Sensitivität der Higgs-Suchen Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 57

58 Zusammenfassung: Massenschranken im SM Theorie: - Unitarität: M<750 GeV - Trivialität und Vakuumstabilität: Experiment: - aus Präszisonmesungen: M< 163 GeV mit 95% CL - aus direkten Suchen: M< GeV (LEP) 160 < M < 170 GeV (TEVATRON) ausgeschlossen mit 95% CL Achtung: die Massenschranken gelten nur im SM! Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 58

59 Literatur Theorie: The Anatomy of electro-weak symmetry breaking. I: The Higgs boson in the standard model. By Abdelhak Djouadi Phys.Rept.457:1-216,2008, hep-ph/ LEP: Search for the standard model Higgs boson at LEP. By LEP Working Group for Higgs boson searches and ALEPH Collaboration and DELPHI Collaboration and L3 Collaboration and OPAL Collaboration (R. Barate et al.). Phys.Lett.B565:61-75,2003, hep-ex/ TEVATRON: Combined CDF and DZero Upper Limits on Standard Model Higgs-Boson Production with up to 4.2 fb-1 of Data By Tevatron New Phenomena, Higgs working group, for the CDF collaboration, DZero collaboration arxiv: Higgs-Physik und BSM-Phänomenologie Kapitel 1: Higgs-Physik im SM Uni. Freiburg / SoSe09 59