Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs-Suche. Markus Backes 21. Juni 2004

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1 Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs-Suche Markus Backes 21. Juni 2004

2 Überblick Theorie Warum Higgs-Theorie? Higgs-Mechanismus Higgs-Physik an den großen Beschleunigern LEP Tevatron LHC Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 2

3 Theorie: Higgs-Mechanismus

4 Standardmodell Bausteine der Materie: WW und ihre Austauschteilchen: elektromagnetisch stark schwach Photon Gluon W-, Z-Bosonen Standardmodell: keine Masse, ABER: experimentell: Fermionen / W-, Z-Bosonen massiv! Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 4

5 Die Higgs-Party (1) Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 5

6 Die Higgs-Party (2) Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 6

7 Lagrangedichte Eichfelder Lagrangedichte ( )( µ ) Φ Φ L = m 1 Φ 2 µ 2 QED: ( µ ) µ µν iγ m Ψ + eψγ A Ψ 1 F F L QED = Ψ µ µ 4 µν L = q iγ µ m q g( qγ Ta q) Gµ 4 QCD ( µ ) µ a a µν QCD: 1 G µν G a Eichinvarianz: Terme der Form: 1 2 m2 A A µ µ sind nicht erlaubt Photonen und Gluonen sind masselos Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 7

8 Skalares Feld Φ ( Φ) ( µ Φ + λφ ) ; 0 L = λ 1 > 2 µ 2 4 Verlange Spiegelsymmetrie: f -f Fall 1: µ² > 0: skalares Feld mit Masse µ Selbstwechselwirkung Grundzustand Φ = 0 Fall 2: µ² < 0: Massenterm hat falsches Vorzeichen Grundzustand 2 stabile Minima V Φ Φ = Φ = ±v 2 2 ( µ + λφ ) = 0 mit v = µ 2 λ Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 8

9 spontane Symmetriebrechung entwickle um Minimum: Φ ( x) = v + η( x) ( ) λv η. 1 L ' = λη + const 2 µ η 4 Massenterm: m η = v λ = 2µ Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 9

10 Brechung einer globalen Eichsymmetrie(1) Betrachte komplexes skalares Feld Lagrangedichte L Φ = Φ + i 1 Φ 2 / 2 * ( ) ( µ ) 2 * ( * Φ Φ µ Φ Φ Φ Φ) 2 = λ µ Globale U(1) Eichsymmetrie: Φ e iα Φ Fall1: λ > 0, µ² > 0 wie vorher Fall2: λ > 0, µ² < 0 setze ein: Minima: Φ L Lösung ist Kreis µ ( Φ ) + ( Φ ) µ ( Φ + Φ ) ( Φ ) 2 = λ 1 Φ 2 µ Φ 2 = v mit v 2 = µ 2 λ Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 10

11 Brechung einer globalen Eichsymmetrie(2) Φ 1 = v Φ = 2 0 wähle: und, ( ) 1 [ ( ) ( )] dann x = v +η x + iξ x Φ 2 2 ( ) ( µ ) ξ + η + µ η + konst. kubische / quartische Terme ξ, η L ' = 1 + in 2 µ 2 nur kinematischer Term masseloses Goldstone-Boson Massenterm: µ 2 2 mηη = µ η mη = Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 11

12 Der Higgs-Mechanismus (1) spontane Brechung einer lokalen U(1) Eichsymmetrie: lokale U(1) Eichsymmetrie: i ( x Φ e α ) Φ Fall1: λ > 0, µ² > 0 Fall2: λ > 0, µ² < 0 wähle ( µ µ ) *( ) 2 * ( * ) 2 1 µν + iea Φ iea Φ µ Φ Φ λ Φ Φ F F L = µ µ 4 Θ ( x) ähnlich der QED Lagrangedichte mit Φ so, daß h(x) reell ist iξ v 1 1 ( x) = [ v + η( x) + iξ ( x) ] ( v + η) exp 2 Φ 1 2 ( v + h( x) ) 2 exp iθ A µ Aµ + 1 ev µ Θ ( x) v µν Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 12

13 Der Higgs-Mechanismus (2) L' ' = 1 2 ( ) h v h + e v A λvh λh µ λ 2 µ 4 Massenterm des Vektorteilchens A m m A =ev Kinemat. und Massenterm des massiven skalaren Teilchens h m h = 2 2λv dadurch Massenterm für Vektorbosonen erzeugt aber auch für massives Higgs-Boson! Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 13

14 Massen im Higgs-Mechanismus Grundzustand Masse = Wechselwirkungsenergie von Eichbosonen/Fermionen mit Higgs- Feld Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 14

15 Massengrenzen(1) Forderung aus Unitarität: G M 2 F H 4 2π 1 2 Damit: M 2 H 2 2π G F ( 850GeV ) 2 Untergrenze ist bei ~7 GeV gegeben, da sonst die Quantenkorrekturen zum Higgs-Potential wichtiger würden als das Potential selber Theorie: 7GeV M H 850GeV Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 15

16 Massengrenzen(2) andere Möglichkeit der Massenabschätzung durch Strahlungskorrekturen m H abhängig von m t jedoch nicht sehr sichere Grenze, da kleine Änderungen der top-masse große Sprünge in den Higgs-Massengrenzen verursachen zur Zeit: m H < 283 GeV Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 16

17 Massengrenzen(3) Aber... ohne neueste Berechnung der top- Masse M Higgs < Higgs GeV 95% 95% CL CL Top-Masse erhöht sich um 1 σ auf GeV Grenzen von M higgs steigen stark an: min GeV, limit GeV Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 17

18 Higgs-Zerfallskanäle Higgs-Kopplung proportional zu Masse: Higgs zerfällt immer in kinematisch schwerstmögliches Teilchenpaar Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 18

19 Higgs-Physik am LEP

20 LEP (Anlage) Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 20

21 LEP (Detektoren) Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 21

22 Higgs-Produktion Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 22

23 Higgs-Zerfälle low m H : Zerfall in bb high m H : Zerfall in ZZ * /WW * 4 leptons Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 23

24 Higgs-Kandidaten 4-jet: e + e - HZ bbqq E-miss: e + e - HZ bbνν Tau: e + e - HZ bbτ + τ - / τ + τ - qq Lept: e + e - HZ bbe + e - / bbµ + µ - Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 24

25 4-jet-Kandidat; ALEPH; e + e - HZ bbqq Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 25

26 E T -miss-kandidat; L3 e + e - HZ bbνν measured H-mass: 114,4 GeV Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 26

27 τ-kandidat; OPAL e + e - HZ bbτ + τ - / τ + τ - qq Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 27

28 Lepton-Kandidat; DELPHI e + e - HZ bbe + e - / bbµ + µ - Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 28

29 Ergebnisse von LEP 2461 pb -1 gesammelte LEP-Daten (536 pb -1 oberhalb 206 GeV) offiziell kein Higgs entdeckt LEP s letztes Wort (2003): Massengrenzen observed m H > H GeV GeV expected m H > H GeV GeV Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 29

30 Higgs-Physik am Tevatron

31 Tevatron (Anlage) Run I : Run II : s = 1.8TeV s = 1.96TeV Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 31

32 Tevatron (Detektoren) CDF: D0: Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 32

33 Higgs-Produktion Gluon-Fusion assoziierte Produktion Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 33

34 Higgs-Zerfälle m H < 135 GeV: Zerfall in bb aber: hoher QCD- Untergrund, daher Suche (fast) unmöglich! m H > 135 GeV: Zerfall in Eichbosonen Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 34

35 Planung für Run II Nutzung des steigenden H WW (*) Verzweigungsverhältnisses Nutzung des großen gg H Wirkungsquerschnittes Suche in Kanälen wie VH ZWW (*) / WWW (*) pp HX WW (*) X lνl ν Profitieren von verbesserten Detektoren Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 35

36 Erwartungen aus Tevatron Run II 95% CL bis ~185 GeV mit 10 fb -1 3σ Beobachtung bis ~180 GeV mit 20 fb -1 5σ Entdeckung bis ~125 GeV mit 30 fb -1 zur Zeit (Mai 2004): int. Lum. von 0,5 fb -1 Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 36

37 integrierte Luminosität Luminosität Run-II Ziel: 3-4*10 32 cm -2 s -1 Run-II maximum: 4.1*10 31 cm -2 s -1 (to date) Run-I maximum: 2.4*10 31 cm -2 s -1 Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 37

38 Higgs-Physik am LHC

39 LHC (Anlage) Proton-Proton 2835*2835 bunches Protons/bunch Beam energy 7 TeV Luminosity cm -2 s -1 Crossing rate Collisions 40 MHz ~ Hz Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 39

40 LHC (Detektoren) Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 40

41 Higgs-Produktion m H klein m H groß dominant Gluon-Gluon-Fusion Vektorboson-Fusion ~50mal kleiner assoziierte tth-prod. Assoziierte WH/ZH-Prod. Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 41

42 Wirkungsquerschnitte Proton- (anti)proton cross section Vorteil des LHC: Wirkungsquerschnitt des Higgs steigt mit wachsendem s stärker als Untergrund σ(nb) Events/sec for L=10 33 cm 2 s s(tev) Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 42

43 Higgs-Zerfälle m H < 2m Z : H γγ tth lνbb + X H ZZ* 4l H WW* lνlν WH WWW* lνlνlνl ± l ± ννjj m H > 2m Z : H ZZ 4l H ZZ llνν H ZZ lljj H WW lνjj Dominanz vollkommen hadronischer Endzustände, diese können aber nicht vom QCD-Untergrund separiert werden. σ(h bb) ~ 20 pb; σ(bb) ~ 500 µb Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 43

44 Higgs-Zerfälle m H < 2m Z : H γγ tth lνbb + X H ZZ* 4l H WW* lνlν WH WWW* lνlνlνl ± l ± ννjj m H > 2m Z : H ZZ 4l H ZZ llνν H ZZ lljj H WW lνjj Dominanz vollkommen hadronischer Endzustände, diese können aber nicht vom QCD-Untergrund separiert werden. σ(h bb) ~ 20 pb; σ(bb) ~ 500 µb Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 44

45 H γγ σ σ ( γγ ) ( H γγ ) m H = 120 GeV brauche σ(m H )/m H < 10% Signal: gutes EM-Cal. Benötigt! 1% soll erreicht werden am CMS durch PbWO4-Kristallkalorimeter bei 100 GeV < m H < 150 GeV Background: Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 45

46 H γγ großer Background, aber: irreduzibel! schwierige Identifizierung! Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 46

47 H WW* lνlν Background: WW lνlν tt WbWb lνlνbb Wtb WbWb lνlνbb CMS Reduzibel durch jet-veto m lletmiss (GeV) D.Green et al. Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 47

48 H ZZ 4 leptons geringer Background: ZZ 4l tt 4l Zbb 4l irreduzibel reduzibel durch Lepton-Isolation bzw. b-veto Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 48

49 H ZZ 4 leptons Simulierter Event im ATLAS- Detektor mit 4 Myonen Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 49

50 Entdeckungspotential CMS: ATLAS: 30 fb fb -1 Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 50

51 Entdeckungspotential Entdeckung mit 5σ Signifikanz schon bei 10 fb -1 schnellere Entdeckung bei größeren Massen bis 600 GeV aber: es wird dauern, bis 10 fb -1 Daten genommen sind (Kalibration/Verständnis der Detektoren) 5s Abdeckung des gesamten Massenbereichs: LHC findet Higgs oder schließt es aus! Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 51

52 Zitat "Falls ich noch am Leben sein sollte, wenn ein Higgs- Boson gefunden wird, vielleicht im Jahre 2004, würde ich vielleicht gerne zur Pressekonferenz eingeladen werden. P. Higgs Wie erhalten Teilchen Masse? Higgs -Suche 52

53 ...Ende...