Suche nach Higgs-Teilchen am LHC

Transkript

1 Suche nach dem Higgs- Teilchen am LHC Fred Uhlig Betreuer: Prof. Dr. K.Rith Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/

2 Inhalt Higgs-Mechanismus Teilchenbeschleuniger LHC Suche nach Higgs-Teilchen Bisherige Erkenntnisse Produktion und Zerfall Detektion

3 Higgs-Mechanismus Problem: Wie erhalten Teilchen Masse? Peter Higgs sagt universales Hintergrundfeld voraus (1964) Higgsfeld Teilchen erhalten Masse durch Kopplung an Higgsfeld, wobei Kopplungsstärke ~ Masse Kopplung erfolgt via Higgsboson

4 Der Higgs Mechanismus, eine Analogie: Higgs-Hintergrundfeld erfüllt den Raum Ein Teilchen im Higgs-Feld Widerstand gegen Bewegung... Trägheit Masse

5 Theoretische Vorhersage SM muss modifiziert werden Zwei Werkzeuge: spontane Symmetriebrechung Eichtheorie

6 Spontane Symmetriebrechung Betrachte reelles, selbstwechselwirkendes Skalarfeld Φ mit einer Lagrangefunktion der Form: L = ( α Φ α Φ) μ 2 Φ 2 λ Φ 4 wobei Terme mit Φ 2 = Masseterm Φ 4 = WW-Term Aus L erhält man ein Potential V = μ 2 Φ 2 + λ Φ 4 Higgspotential -für λ>0 und μ 2 <0 gibt es zwei mögl. Grundzustände ±υ, mit 2 μ υ = λ = 247GeV System entscheidet sich für einen Symmetrie wird gebrochen! υ + υ

7 nächster Schritt: Einführung von komplexen Skalarfeld Φ =(1/ 2)(Φ 1 +iφ 2 ) und entwickeln der Lagrangefkt um Minimum durch Vergleich mit ursprüngl. Lagrangefunktion erhält man Φ 1 Teilchen der Masse 2 2 2μ = 2λυ Higgsboson Φ 2 masseloses Teilchen Goldstoneboson

8 Eichtheorien Ziel: Invarianz von Theorie unter globaler bzw. lokaler Phasentransformation globale Phasentransformation Φ e iθ 0Φ, für komplexes Skalarfeld bereits erfüllt lokale Phasentransformation Theorie wird renormalisierbar, d.h. es treten keine Divergenzen mehr auf

9 Kombination von spontaner Symmetriebrechung und Eichtheorien 1. Anwendung auf Elektrodynamik man erhält analog ein Higgsboson und ein Goldstoneboson durch spontane Symmetriebrechung aber Forderung von Invarianz unter lokaler Phasentransformation von Φ und Eichfeld A μ mittels Φ( x) e iθ ( x) Φ( x) und führt zu massereichem Eichfeld A μ. A μ ( x) A μ 1 e θ ( x) x μ Photon nicht mehr masselos!

10 Lösung: Erweiterung zur elektroschwachen Feldtheorie Einführung von elektroschwachen Feldern: Isospin-Triplett W +,W -,W 0 Isospin-Singulett B 0 Linearkombination von W 0 und B 0 ergeben Felder Z 0 und γ Kopplung an Felder mit 4 komponentigem Skalarfeld Φ( x) = 1 2 Φ Φ iφ iφ 2 4

11 für Higgsmechanismus relevanter Teil der Langrangefunktion: L i ' Y = i gt Φ iwμ g Bμ V 2 xμ 2 ( Φ) mit V 2 2 ( Φ) = μ Φ + λ Φ 4 analoges Verfahren: spontane Symmetriebrechung für λ>0 und μ 2 <0 globale und lokale Eichung

12 Man erhält: Massenterme für W +,W - und Z 0 m W = ± Higgsboson H gυ 2 m H = m Z = g + 2 2λυ 2 2 ' υ g 2 υ = 247GeV λ= freier Parameter im SM elektromagn. Eichfeld A μ bleibt ungebrochen m γ = 0 Vektorbosonen W +,W - und Z experimentell bestätigt. Nur das Higgsboson fehlt noch!

13 Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) Proton-Proton Ringbeschleuniger 14 TeV Schwerpunktsenergie 27 km Tunnelumfang ca m unter der Erde über 1200 supraleitende Magnete Luminosität L= cm -2 s -1 (vgl. TEVATRON L ~10 31 cm -2 s -1 ) 4 Experimente (ATLAS,CMS, ALICE, LHCb) Geplante Inbetriebnahme Ende 2007 (erste Planungen 1984)

14 Panoramabild CERN

15 Supraleitende Dipolmagnete Magnete - Magnetfeld: 8.33 Tesla - Betriebstemperatur: 1.9 K LHC Tunnel mit Beschleunigerelementen

16 LHC Experimente

17 Supraleitende Spule, 4 Tesla CMS Kalorimeter ECAL HCAL Eisenjoch TRACKER Total weight t Overall diameter 15 m Overall length 21.6 m Myonkammer Myonendkappen

18 Der ATLAS Detektor Durchmesser 25 m Länge des zentralen Toroiden 26 m Gesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 m Gesamtgewicht 7000 t

19 Der ATLAS Detektor im Vergleich.

20 Suche nach Higgs-Teilchen Was wissen wir bis jetzt? Wird im SM gebraucht um Teilchenmassen zu erzeugen Keine Massenvorhersage aus Theorie, außer einer Obergrenze von m H <1 TeV m H >114 GeV aus direkten Messungen von LEP Indirekte Massenlimits aus Messung der elektroschwachen WW (LEP,TEVATRON,...) Ergebnisse der elektroschwachen WW- Messungen (Stand, Juli 2006): M H M H = 85 (+39) (-28) GeV < 166 GeV (95 % CL)

21 Higgsproduktion (i) Gluonfusion gg H (ii) Vektorbosonfusion qq Hqq (iii) begleitende Produktion (W/Z, tt) _ - qq HZ gg Htt

22 WQ für Higgsproduktion

23 Higgszerfall Hohe Massen Leptonendzustände dominieren (H ww,zz) Niedrige Massen Hadronische Endzustände dominant, aber auch Zerfall in Lepton- und Photonendzustände (H ww*,zz*, γγ)

24 Detektion Wann kann man von einer Entdeckung sprechen? Angenommen ein neues Teilchen X γγist produziert worden: Peakbreite m γγ Signalsignifikanz: N S S = N B N S = Zahl Signale N B = Zahl Hintergrundsignale N B Fehler der Hintergrundsignale für große Zahlen In Peakregion S > 5 : Das Signal ist 5x größer als der Fehler des Hintergrunds. Wahrscheinlichkeit, dass das Hintergrundsignal mehr als 5σ variiert : 10-7 Entdeckung

25 H ZZ(*) llll Signal: Hintergrund: σ BR = 5.7 fb (m H = 100 GeV) Top-Produktion tt Wb Wb lν clν lν clν σ BR 1300 fb begleitende Produktion Z bb Z bb ll clν clν Hintergrundunterdrückung: Leptonen vom b-quarkzerfall nicht isoliert (nahe c-jet) kommen nicht vom primären Vertex E kin (1,2) > 20 GeV E kin (3,4) > 7 GeV Isolierte Leptonen M(ll) ~ M Z M(l l ) ~ < M z L = 100 fb -1 Dominanter Hintergrund nach Unterdrückung: ZZ Kontinuum Entdeckungspotential für Massen von ~130 bis ~600 GeV/c 2

26 H ΖΖ llll Simulation

27 H γγ m H 150 GeV γ γ σ x BR 50 fb (BR 10-3 ) Hintergrund : - γγ (nicht-reduzierbar): Bsp: σ γγ 2 pb / GeV q q γ γ γj+ jj (reduzierbar): σ γj+jj ~ 10 6 σ γγ q g man braucht starke Jet-Unterdrückung q γ π 0 γ und hohe Photoneffizienz damit σ γj+jj << σ γγ anspruchsvollste Zerfallskanal für die elektromagn. Kalorimeter: Energie- und Winkelauflösung, Photoneffizienz, γ /jet und γ / π 0 Trennung

28 H γγ ATLAS 100 fb -1 CMS 100 fb -1 Zwei isolierte Photonen: E kin (γ 1 ) > 40 GeV E kin (γ 2 ) > 25 GeV Massenauflösung für m H = 100 GeV: ATLAS : 1.1 GeV (LAr-Pb) CMS : 0.6 GeV (Kristalle) Signal / Untergrund ~ 4% Untergrund kann mit Hilfe von Seitenbänder unterdrückt werden Entdeckungspotential für Massen von GeV

29 H γγ Simulation in ATLAS ATLAS

30 Falls das Standard Model Higgs-Teilchen existiert, wird es am LHC entdeckt! Das gesamte Massenspektrum vom LEP-Limit ~114 GeV bis zur theoretischen Obergrenze von ~1 TeV Discovery p > % wird von diesen beiden Kanälen H ZZ ll ll und H γγ abgedeckt.

31 Weitere Zerfallskanäle: Vectorboson Fusion qq H qq WW qq lν lν Motivation: Erhöhung des Entdeckungspotetials bei niedriger Masse Verbesserung der Messung von Higgsparametern (Masse, Kopplung zu Bosonen, Fermionen) Charakterisitische Signatur: Jet - zwei vorwärts gerichtete Jets - geringe Jet-Aktivität in Zentralregion Jet Jets φ η Higgs Zerfall

32 Higgs Entdeckungspotential Komplette Massenspektrum wird schon nach wenigen Jahren abgedeckt sein Mehrere Zerfallskanäle sichtbar vergleichbare Situation für CMS Experiment

33 Literaturverzeichnis Byron P. Roe: Particle Physics at the New Millenium Abraham Seiden: Particle Physics CERN Summer Student Lectures &nbweeks=7 Physics at Hadronic Colliders Jakobs, K (Universitaet Freiburg) The Standard Model (6/8) Pich, A (IFIC, University of Valencia)