TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE (+ Vorlesung MASSE) Der Higgs-Mechanismus

Ähnliche Dokumente
FORTGESCHRITTENE TEILCHENPHYSIK FÜR. Achim Geiser. Caren Hagner. Der Higgs-Mechanismus. Sommersemester Universität Hamburg, IExpPh

H ± Das Higgs-Teilchen. Manuel Hohmann Universität Hamburg. 11. Januar 2005

Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson. Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien. Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien

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

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC

Higgs und Elektroschwache WW

Handout zur Suche nach dem Higgs

Standardmodelltests: W- und Z-Bosonen

6.1 Effektive Massen durch Abschirmfelder. V e mr. γ 0 (6.2)

Die Suche nach dem Higgs-Teilchen

Physik jenseits des Standardmodells

Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums. Univ. Prof. Dr. André Hoang

Teilchenphysik III, Wintersemester 2018 Prüfungsfragen

Spontane Symmetriebrechnung

TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Diesseits und jenseits des Standardmodells (teilweise in Anlehnung an Skript R. Klanner/T.

Supersymmetrie. Jan Uphoff. 19. August Goethe-Universität Frankfurt am Main

Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien

Von der Entdeckung des Higgs-Teilchens zur Suche nach Dunkler Materie -Neues zur Forschung am LHC-

Die Schwache Wechselwirkung & Higgs-Mechanismus. Max Camenzind Akademie HD Juni 2015

FORTGESCHRITTENE TEILCHENPHYSIK FÜR. Achim Geiser. Caren Hagner. Sommersemester Universität Hamburg, IExpPh

Suche nach dem Higgs Boson

Elementarteilchenphysik

Renormierung und laufende Quarkmassen. Beziehung zur Quantenelektrodynamik

Standardmodell der elektroschwachen Wechselwirkungen (SM)

Das Standardmodell der Teilchenphysik. Clara Fuhrer

Higgs-Physik und Phänomenologie jenseits des Standardmodells

Masse des Top-Quarks

Experimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus

Chirale Symmetrie, ihre Brechung und Restauration

Das 2-Higgs-Dublett-Modell (2HDM)

8 Spontane Symmetriebrechung

6 Spontane Symmetriebrechung

Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Der Higgssektor des MSSM

2.10 Normierung der Dirac-Spinoren

Effektive Feldtheorien in Higgs-Physik

Kerne und Teilchen. Moderne Physik III

Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik

Was bedeutet Masse? Ausgewählte Kapitel aus Teilchenpysik und Kosmologie Achim Geiser, DESY + Uni HH

Kerne und Teilchen. Moderne Physik III. 8. Moderne Elementarteilchen-Physik Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik

Kern- und Teilchenphysik

Supersymmetriebrechung

XII.3 Spontane Symmetriebrechung. Higgs-Boson

Elementarteilchenphysik

Symmetriebrechung und Goldstone-Theorem

Experimente zur Physik Jenseits des Standardmodells

TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Wie geht es weiter? Träume und Aufgaben der Teilchenphysiker

Die Entdeckung der neutralen Ströme & Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen. Sabine Blatt Betreuer: Prof. Dr. J. Mnich 28.

Der Ursprung der Masse

Supersymmetrie. Der Urknall und seine Teilchen. Simon Kast

Der Ursprung der Masse

Das Higgs Boson und seine Masse Was lernen wir von der Entdeckung am LHC?

Symmetrien Symmetriebrechung CP-Verletzung Vorhersage neuer Quarks. Symmetriebrechung. Kevin Diekmann

Moderne Experimentalphysik III: Hadronen und Teilchen (Physik VI)

1.3 Historischer Kurzüberblick

Wechselwirkung von Neutrinos und Kopplung an W und Z

Überblick über schwere Hadronen (c,b) Katharina Anna Brodatzki Ruhr-Universität Bochum

Ein neues Teilchen am LHC Ist es ein Higgs-Boson?

Struktur der Materie II (L) Kern und Teilchenphysik

Suche nach dem Higgs-Boson. Massen der Elementarteilchen. PD Dr. Hubert Kroha Tests des Standardmodells

Der Higgs-Mechanismus. Max Camenzind Akademie Heidelberg Juli 2015

Physik des Top-Quarks. Seminarvortrag SS 2005, Jan Steggemann Betreuer: Dr. Oliver Pooth

Phänomene und Konzepte der Elementarteilchenphysik

Isospin. N N I I 3 Q pp nn Triplet pp np Singulet I 3 Q B

Unsichtbares sichtbar machen

Die Entdeckung der W- und ZBosonen am CERN

Protonzerfall. GUT (Grand Unified Theory) Motivation:

Fundamentale Physik. < Grundfrage der Menschheit: woraus besteht, wie funktioniert alles? Teilchenphysik, Allgemeine Relativitätstheorie, Kosmologie

6. Elementarteilchen

Physik jenseits des Standardmodells

Von Quarks, Gluonen und Confinement

VII. Starke Wechselwirkung (QCD)

Fortgeschrittene Teilchenphysik

Experimentelle Elementarteilchenphysik

Charlotte Hellmann Betreuerin: Dr. Kerstin Hoepfner

Elementarteilchenphysik I RWTH SS 2007

A. Straessner FSP 101 ATLAS. Lange Nacht der Wissenschaften 5. Juli 2013

Spontane Symmetriebrechung und Goldstone-Theorem

Einheit 13 Subatomare Physik 2

Standardmodell der Teilchenphysik

Electroweak symmetry breaking and the search for the Higgs boson

Alternativen zum Standardmodell

Die Suche nach dem Ursprung der Masse mit dem Large Hadron Collider

Channels & Challenges Neue Physik am LHC

Teilchenphysik Seminar SS 2001: Astro- und Teilchenphysik. Seminarvortrag zum Thema: Die Higgs-Suche. Referent: Stefan Kasselmann Datum:

Fortgeschrittene Experimentalphysik für Lehramtsstudierende. Teil II: Kern- und Teilchenphysik

Seminar im WS 2003/04: Neutrinos

Die Bausteine der Natur

Kerne und Teilchen. e + e - Kollisionen. Moderne Experimentalphysik III Vorlesung 9. MICHAEL FEINDT INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK

Christopher Braun Betreuer: Prof. Dr. K. Rith

Neues vom LHC. Exkursion in die Welt der Elementarteilchen. Elementarteilchenphysik heute Higgs und das Gottesteilchen LHC - Wohin geht die Reise?

Notizen zur Kern-Teilchenphysik II (SS 2004): 2. Erhaltungsgrößen. Prof. Dr. R. Santo Dr. K. Reygers

Suche nach dem Standardmodell-Higgsboson. Theorieübersicht Resultate vom Tevatron Suche bei LHC Bestimmung der Parameter des Higgsbosons

Physik der Elementarteilchen

Jenseits der Antimaterie

Seminarvortrag Die Suche nach dem Higgs-Boson. Stefan Brisken

5. Physik jenseits des Standardmodells

Quanten-Chromodynamik

Transkript:

TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE ( Vorlesung MASSE) Der Higgs-Mechanismus (Literatur: A. Djouadi, hep-ph 05037) Caren Hagner Achim Geiser Uniersität Hamburg, IExpPh Sommersemester 009

ÜBERBLICK. Die quantenmechanische Beschreibung on Elektronen. Feynman-Regeln und Diagramme 3. Lagrange-Formalismus und Eichprinzip 4. QED 5. Starke echselwirkung und QCD 6. (Elektro)Schwache echselwirkung 7. Higgs-Mechanismus om ereinfachten Modell zum Standardmodell Suche nach dem Higgs-Boson CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg.

7. arum überhaupt Higgs? SM durch Präzisionsmessungen bisher sehr gut bestätigt z.b. Übereinstimmung on gemessenen Massen und Kopplungsstärken der Vektorbosonen und Z Problem (siehe auch Übung): Die Einführung on massien Vektorbosonen,Z erletzt die Eichinarianz Linkshändigkeit der Schwachen -> Fermion-Massenterme erletzen Eichinarianz! > Diergenzen, Theorie nicht renormierbar! Man hat die Generierung on Fermion- und Vektorbosonmassen noch nicht richtig erstanden Lösung: Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung (Higgs) CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 3

7. Lösung: Der Higgs-Mechanismus Alle Bosonen und Fermionen sind eigentlich masselos Masse entsteht durch echselwirkung mit einem Hintergrundfeld, dem Higgs-Feld (SU()-Dublett). Konsequenz: Masse transformiert sich effekti wie ein SU() L -Dublett, nicht wie ein Skalar, -> Eichinarianz ist gerettet

Der Higgs-Mechanismus - eine Analogie (I) Higgs-Hintergrundfeld erfüllt den Raum Ein Teilchen im Higgs-Feld... Teilchen mit konstantem Impuls... iderstand gegen Bewegung... Trägheit Masse CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 5

Der Higgs-Mechanismus - eine Analogie (II) Anregung des Hintergrundfeldes angeregtes Higgs-Hintergrundfeld massies Higgs-Boson CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 6

masselose Teilchen in ständiger echselwirkung mit dem Higgs-Feld massies Teilchen, echselwirkung mit dem Higgs-Feld absorbiert... wie effektie u-quark-masse (Konstituentenmasse) im Gluon-Feld des Protons CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 7

7. DER HIGGS-MECHANISMUS Problem: Massenterme erletzen die Eichinarianz der Lagrange-Dichte! Das führt in letzter Konzequenz zu Diergenzen und zu einer nicht mehr renormierbaren Theorie! Die Idee des Higgs-Mechanismus (P. Higgs 964) ist, die Verletzung der Symmetrie nicht dem Teilchen und seiner Masse an sich anzulasten, sondern dem Vakuum (Grundzustand) des Systems spontante Symmetriebrechung! Beispiel : Unter Druck nimmt ein Stab eine neue Form an obwohl keine Richtung physikalisch ausgezeichnet wurde! Der Stab sucht also spontan einen neuen Grundzustand, der die Symmetrie bricht! Beispiel : Ferromagnet: Die kollektie Ausrichtung der Spins in den eiss schen Bezirken erfolgt spontan und unorhersagbar (parallele Spins sind energetisch günstiger) aber die Richtung der kollektien Ausrichtung ist unorhersagbar wieder sind alle Richtung energetisch gleich. Im Higgs-Mechanismus postuliert man die Existenz eines komplexen skalaren Feldes φ: φ φ 0 φ φ SU() L -Dublett; Index und 0 bezeichnet elektr. Ladung; beide Komponenten sind komplex, aber keine Dirac-Spinoren (Skalare!). T 3 Q Y / φ 0 -/ 0 Die Lagrange-Dichte dieses Feldes lautet: ( D φ) ( D φ ) a a Alle möglichen Zustände haben aber die gleiche mit Potential: V ( φ) φ λ φ φ φ λ φ φ Energie! CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 8 D L φ igt V ( φ) ig Y B 4 ( )

7. Das Higgs-Potential, ereinfacht Betrachte Lagrange-Funktion eines skalaren Feldes φ:, λ > 0 Interpretiere V(φ) als Potentialfunktion und bestimme Minimum: Zustand bei φ0 instabil normaler Massenterm Minimum φ 0 0, Teilchen mit Masse Minimum bei -, Symmetrie spontan gebrochen, z.b.: CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 9

Vereinfachtes Higgs-Modell CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 0

7. Das Higgs-Potential in Dimensionen Definiere φ σ, und entwickle L:, λ > 0 σ jetzt Teilchen mit positiem Massenquadrat! (- > 0) (Higgs-Teilchen) aber nicht mehr symmetrisch um neue Symmetrieachse CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg.

7. Das Higgs-Potential in mehr Dimensionen Jetzt mit 4 skalaren Feldern φ i, i0,,,3:, λ > 0, < 0 Sektflaschenpotential -> Σφ i! Setze z.b. φ 0 σ, φ i π i, i,,3: σ σ wieder Teilchen mit positiem Massenquadrat! (- > 0, Higgs) zusätzlich jetzt 3 masselose Pionen (Goldstone-Bosonen) π CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg.

7. Das Goldstone-Theorem zu jeder spontan gebrochenen Symmetrie mit n Freiheitsgraden gehören n- masselose skalare Bosonen, (Goldstone-Bosonen) (iderstandsfreie Bewegung im Tal des Potentials) ozu ist dies nun gut? wir brauchen massie Vektorbosonen! CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 3

7. Das abelsche U()-Modell Lagrange-Dichte mit, inariant unter lokalen U()- Eichtransformationen wieder Minimum bei und Entwicklung um iξ CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 4

7. Das abelsche U()-Modell Einfachste lokale Eichtheorie: U() Eichsymmetrie Dann im Higgs-Lagrangian Ableitung ersetzen D iea ie zuor entwickeln um Minimum und man erhält L ξ ( ) ( ) ν ξ η λη ( e) A A ea F F auch hier masseloses Goldstoneboson m 0, m λ, m A ξ η e Φ i e α 4 ( x ) Φ ν Komischer Term A ξ Eichboson A hat nun Masse neuer Freiheitsgrad (longitudinale Polarisation), noch nicht berücksichtigt CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 5

CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 6 7. Die Lösung: Higgsmechanismus Trick : Neue Eichtransformation frisst Goldstone-Boson auf: Ziel erreicht: Ein massies Photon A in einer lokal eichsymmetrischen Theorie, keine Goldstone-Bosonen mehr Ein neues massies, ungeladenes Teilchen h Taucht auf: Higgs-Boson ( ) ( ) ( ) θ θ Φ e A A e x h x i, ( ) ν ν λ λ λ F F h A e h A e h h A e h h L 4 4 4 3

7.3 Standard-Modell: Spontane Symmetriebrechung Einführung eines skalaren Hintergrundfeldes, das im Grundzustand eine on Null erschiedene Amplitude besitzt, also einen Vakuumerwartungswert hat Dies erreicht man durch den Ansatz V ( Φ) Φ λ Φ 4 Φ 0 0 Für den Grundzustand gilt: Φ 0 0, mit - λ < 0 CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 7

7.3 Standard-Modell: Higgs-Boson Φ ist ein Dublett komplexer skalarer Felder Φ Φ Φ Φ Φ iφ Φ 0 3 i Im SM geht man daon aus, daß Φ alles macht: Erzeugt Fermionenmassen durch Yukawa-Kopplung Gibt Vektorbosonen Masse, lässt γ masselos Es existieren 4 Higgs-Freiheitsgrade. Drei daon beschreiben masselose Goldstone-Bosonen, die Spinfreiheitsgerade der Vektorbosonen erzeugen --> und Z massi. Der ierte ist hat zur Konsequenz, daß das Higgs-Feld durch Energiezufuhr angeregt werden kann. Existenz eines neutralen, skalaren Teilchens, das Higgs-Boson 4 CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 8

7.3 Higgs-Mechanismus im Standard-Modell Φ ist ein Dublett komplexer skalarer Felder, addiere zur Standard-Lagrange-Dichte Φ Φ Φ Φ Φ iφ 0 3 i Φ 4 einen Higgs-Term (wie orher) mit dem Grundzustand reparametrisiere und führe Eichtransformation durch -> Goldstone-Bosonen erschwinden CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 9

7.3 Higgs-Mechanismus im Standard-Modell Expandiere Higgs-echselwirkungsterm nach dieser Transformation definiere die neuen Felder und suche die releanten bilinearen Terme heraus Dies liefert die gewünschten Boson-Massen: CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 0

CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. ( ) ( ) ( ) ( ) 8cos 8 4 ) )( ( H H Z Z g H H g g H H D D θ φ φ Die Lagrange-Dichte des Higgs-Feldes: im Rahmen der SU() L U() Y -Theorie: Mit folgt: Also: 7.3 DIE MODIFIZIERTE LAGRANGE-DICHTE Einsetzen des Z und Ausmultiplizieren: Der Potentialterm wird zu: Er beinhaltet einen Higgs-Massenterm und die Higgs- Selbstwechselwirkungen. ( ) ) ( ) (, 4 φ φ λ φ φ φ φ φ V B g i igt D V D L a a ) ( 0 x H φ E kin des Higgs-Teilchens -Masse H-Z-wirkung, Z-Masse ) )( ( 0 0 ) )( ( 0 3,,, H g g B i H i ig H D φ ( ) ( ) ( ) ( ) 3,,, 8 8 ) )( ( H g g B H i g H H D D φ φ ( ) 4 3 4 H H H λ λ λ φ φ H--wirkung

7.3 Yukawa-Kopplungen Nutze Tatsache dass φ Isodublett zur Definition eichinarianter Fermion-Higgs-Kopplungen: z.b. erster Term ausgeschrieben: so dass Masse der Fermionen λ i heissen Yukawa-Kopplungen, (müssen experimentell bestimmt werden) CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg.

7.3 Higgs-Kopplungen im Standardmodell CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 3

CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 4 7.3 Langrangedichte des SM (andere Notation) ( ) ( ) ( ) ( )( ) 4 sin cos sin 4 h h h m h h j j j Z j A e q h m G ig i q l h m i l i h m Z Z h m B B Sp G G Sp L h CC CC NC em q q a a s l l ll ll Z ν ν ν ν ν ν ϑ ϑ ϑ λ γ γ ν γ ν Higgs-Teilchen h (H) koppelt an die massien Teilchen Kopplung ist proportional zur Masse

7.3 IEDERHOLUNG: HIGGS MECHANISMUS Idee des Higgs Mechanismus: Problem: - Experiment: Teilchen haben Masse - Theorie: Massenterme erletzen SU() L U() Y Symmetrie irkungsquerschnitte diergieren und Theorie nicht renormierbar - Idee: Grundzustand (Vakuum) und nicht erletzt Symmetrie --> Vakuum gefüllt mit skalarem, φ komplexem Feld Φ, Dublett des schwachen φ 0 Isospins (4 Freiheitsgrade) mit QZ: φ φ T 3 / φ 0 -/ 0 Lagrangedichte on Φ: L SU() L U() Y Potential koariante Ableitung: D Y igtaa ig B für Potential: 4 V ( φ) φ λ φ φ φ λ φ φ, λ neue Naturkonstanten für < 0 --> Grundzustand fürφ 0 Vakuumserwartungswert:, λ Q φ Y ( D φ ) ( D φ) V (φ ) ( ) ahl des Grundzstandes --> spontane Brechung der SU() L, U() Y -Symmetrie Eichtransformation: SU() φ φ exp ig ξa ( x) Ta U() g φ φ expi χ( x) ahl des Vakuums: elektrisch neutral und reell: 0 φvakuum Entwicklung um Minimum: Higgs-Teilchen Anregungen 0 φ senkrecht zum Vakuumkreis H ( x) Lagrangedichte Lφ D φ V ( φ) D φ φ λ φ Higgs Feld: g igtaa, i B φ ( φ) V ( H )( H ) E Kin (Higgs) g ( H ) (H-)-: M() 4 gz ZZ( H ) (H-Z)-: M(Z) 8 V ( ( H ) ) (H-H)-: M(H) Vorhersagen: (g Z g/cosθ ) ( )φ CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 5 φ 4 ( ) M (g )/ M Z (g Z )/M /cosθ M A 0 (Photon) M H - (unbekannt)

7.3 IEDERHOLUNG: HIGGS/FERMIONEN- KOPPL: Higgs Kopplungen: ~ g M ~ ½g Z M Z /8 gz - Masse des Higgs-Teilchens nicht orhergesagt (wir werden aber sehen, dass Präzisionsmessungen im Rahmen des SM (höhere Ordnungen) enge Grenzen setzen) - Masse der Fermionen nicht orhergesagt, aber aus Masse folgt Kopplung an das Higgs, e.g: - Higgs Mechanismus ist bisher nicht experimentell nachgewiesen (--> Entdeckung Higgs-Boson und Messen der Kopplungen --> zentrale Fragestellung LHC, ILC) - Es gibt zahllose Alternatien zum SM-Higgs m e g e / CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 6

7.3 Masse in der schwachen : Zusammenfassung Massenterme für Eichbosonen ( und Z) erletzen Eichinarianz Im Gegensatz zu QED und QCD erletzen auch Massenterme für Fermionen die Eichinarianz Technische Lösung: Higgs-Mechanismus > Masse wird effekti schwaches Isodublett (nicht Singlett) Physikalische Konsequenz: Existenz eines neutralen skalaren Bosons, das Higgs-Boson -> experimenteller Nachweis steht noch aus. ichtigste offene Frage des Standardmodells! Higgs-Mechanismus liefert Möglichkeit der Massen, liefert aber nicht deren erte, insbesondere für die Fermionen -> es muss noch mehr dahinter stecken... CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 7

7.4 TEST DES SM: ELEKTRO-SCHACHE FITS ie gut werden elektro-schwache Präzisionsdaten beschrieben? as lernen wir? Vorschau: - Anzahl und ahl der freien Parameter - Zusammenhang Parameter Messwerte in führender Ordnung, - Änderungen durch höhere Ordnungen, - Qualität der Übereinstimmungen und Vorhersagen ahl der Parameter:. e, M, M Z (m Fermionen, U CKM ) präzise gemessen. M top, M Higgs Vorhersagen durch Fits, 3. (α S notwendig wegen Effekte starker ) e: Messungen on (g-) e und Quantenhalleffekt: α - 37. 035 999 ±0.000 000 46 (e 4π α) - Quantenfluktuationen (höhere Ordnungen Kap.4.) laufende Kopplungskonstante l,q α - (M Z )7.98± 0.08, ( α QED 0.03497, α QCD 0.080 ± 0.0007) Fehler der starken dominiert! M Z und M : -aus Messung: M Z 9 87.5 ±. MeV und M 80 387 ± 3 MeV (G F kleinerer Fehler!) G F (.66 37±0.000 0) 0-5 GeV - -in niedrigster Ordnung gelten: G F / e /(8 cos θ sin θ ) und sin θ -M /M Z auch diese Beziehungen werden durch Diagramme höherer Ordnung erändert Korrekturen sind klein, aber können dank der großen Präzision der Daten überprüft werden -es stellt sich heraus, dass es möglich ist dies durch Ersetzen der nackten Parameter a 0 durch renormierte Parameter a 0 aδa zu erreichen - δa Auswerten on Feynmandiagrammen höherer Ordnung (sehr aufwendig!): - sin θ M / M Z bleibt gültig für SM-Higgs δm M Z α Top N... C M Z 8π s c M Z c M / M Z, δm M α Top N... s c C M 8π s M M α Top 3g s M H δ s s NC log... 6π s c M 64π c M CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 8 Z

7.4 TEST DES SM: ELEKTRO-SCHACHE FITS höhere Ordnungen (irtuelle Korrekturen) ändern die Beziehungen zwischen den Parametern Empfindlichkeit auf Teilchen mit Massen > s (Bedeutung on Präzisionsexperimenten in der Physik!) Führende (leading) Ordnung: Ergebnisse der E-Fits: O fit f SM ( α, M Z, M, M Top, M Higgs,...) Beispiele für Diagramme höherer Ordnung: - Daten innerhalb Fehler durch SM beschrieben - Vorhersage M Top (or Entdeckung) - Vorhersage on M Higgs Entdeckung am LHC? CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 9

7.5 Intermezzo: ENTDECKUNG DES TOP-QUARK Aus SM-Fits: Vorhersage der Top-Masse: Entdeckung Top 995 am TeVatron am FNAL: p p g g -.8 TeV -echselwirkungen q q Erzeugung in und - nur TeVatron: E CM q q) xxs > (M -x, x > 0. - σ Top ~ 5pb (σ tot ~60 mb 0-0!) *) ( Top ) -Zerfall: - 3xlept.(eν e, ν, τν τ ) - 6xhad.( u d', c s' ) 995: M Top 50-00 GeV *) keine FCNC V tb ~ >> V ts, V tc CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 30

7.5 ENTDECKUNG DES TOP-QUARK esentlich für Identifikation: b-zerfälle mit cτ ~ 500 m Präzisionspurdetektor auf der Basis on Si-Detektoren mit ~ 0m Ortsauflösung: CDF-Detektor: Erkennung on Leptonen (e, ) Messung on Jets Datennahmesystem, dass mit einer Latenzzeit on ~0 s 0 6 Ereignisse/s analysiert, auf ~50/s reduziert ohne die Top (und andere interessante) Ereignisse zu erwerfen ( Trigger ) b-jet b-jet CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 3

7.5 EIGENSCHAFTEN DES TOP-QUARK gemessenes Massenspektrum: Lebensdauer on Top: -Top kann direkt in b zerfallen -Zerfallsbreite ~M 3 Top : 3 G F M Top M Γ M α S M ( Top Vtb f ) 8π M Top M Top 3π M Top Daten Untergrund -hadronische und elektro-schwache Korrekturen wurden berechnet O(0%) Γ Top ~.4 GeV τ ~5 0-5 s zu kurzlebig um einen gebunden Zustand mit anderen Quarks zu bilden! 995: M Top 76±8(stat.) ±0(syst.) GeV heute: M Top 7.5±.3 GeV E-Fits: M Top 7.9 GeV Vorhersagekraft des Standardmodells (höhere Ordnungen!) demonstriert CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 3

7.6 SUCHE NACH DEM HIGGS-BOSON Vorhersage (im SM) der Higgs-Masse: (aus den E-Fits) χ -Kure aus den E-Fits (Effekte ~log(m Higgs /M ) 4 GeV < M H < ~0 GeV Indirekte Grenze (Präzision) Direkte Suche (Energie) ( χ 6 % oberhalb der entsprechende M Higgs erwartet) unabhängig om SM-Higgs ( komplexe φ,φ 0 ) erletzt σ( L- L ZZ) die Unitarität für M Higgs > 0.8 TeV i.e. falls es kein Higgs gibt wird σ für s > TeV so groß, dass eine andere Physik sichtbar werden muss M H blog M CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 33 δm Z M a M Top Z...

HIGGS: ZERFALLSKANÄLE u. SUCHE IN e e - - Higgs Zerfallskanäle sehr massenabhängig: Zerfall in das jeweils schwerste kinematisch erlaubte Fermion-Antifermion oder Bosonen-Paar: Suche bei LEP e e - E CM bis 0 GeV: Überschuss aber nicht signifikant untere (SM) Massengrenze on M Higgs > 4.4 GeV (95% CL): Gesamtbreite Γ: Erzeugung in e e - : (Higgs-Strahlung) CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 34

HIGGS: SUCHE IN pp- am TeVatron und LHC irkungsquerschnitte in Hadron-: - Feynmandigramme: ab 007 am LHC pp- 4 TeV(ATLAS und CMS) M Higgs < 30 GeV: H γγ (schwierig gute M γγ -Auflösung, Signal/UG /0) M Higgs 30-500 GeV: H ZZ * 4Lept. (sehr klar exzellente M Higgs -Auflösung, Γ Higgs! Signal/UG gut) M Higgs 500 800 GeV: H ZZ LJets (Signal/UG gut, wenig Ereignisse! Γ Higgs!) LHC kann Higgs bis ~TeV sehen, schwierig insbes. bei kleinen M Higgs Spuren im Spurdetektor CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 35

ZUSAMMENFASSUNG Zusammenfassung Kapitel 67 - Elektro-schwache Theorie (Glashow-einberg-Salam): renormierbare Feldtheorie mit lokaler Eichinarianz unter SU() L U() Y Massenerzeugung durch den Higgs-Mechanismus. - Theorie beschreibt mit einer Anzahl on Parametern (z.b. α, (α S ), M Z, M, M Higgs, M Fermionen, U CKM ), die experimentell bestimmt werden müssen, die präzisen (0-4 - 0-5 Genauigkeit) experimentellen Daten; damit sind die höheren Ordnungen der Theorie bestätigt. - Insbesondere sind auch die direkt aus der Symmetrie folgenden Kopplungen wie Z--, Z-Z-Z direkt nachgewiesen. - Higgs-Teilchen ist experimentell (noch?) nicht nachgewiesen. - Die elektro-schwache Theorie ist ein wissenschaftlicher Durchbruch ergleichbar mit Newton s Theorie der Graitation oder der Maxwellschen Theorie. - Dennoch ( Kapitel 9) werden wir sehen, dass diese Theorie zu idersprüchen bei Energien > TeV führt, und deshalb nicht die endgültige Theorie sein kann. Physik jenseits des Standardmodells CH/AG SS09: Teilchenphysik f. Fortg. 36