Suche nach dem Higgs- Teilchen am LHC Fred Uhlig Betreuer: Prof. Dr. K.Rith Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/2007 29.01.2007
Inhalt Higgs-Mechanismus Teilchenbeschleuniger LHC Suche nach Higgs-Teilchen Bisherige Erkenntnisse Produktion und Zerfall Detektion
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
Der Higgs Mechanismus, eine Analogie: Higgs-Hintergrundfeld erfüllt den Raum Ein Teilchen im Higgs-Feld...... Widerstand gegen Bewegung... Trägheit Masse
Theoretische Vorhersage SM muss modifiziert werden Zwei Werkzeuge: spontane Symmetriebrechung Eichtheorie
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
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
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
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!
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 1 3 + + iφ iφ 2 4
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
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!
Teilchenbeschleuniger LHC (Large Hadron Collider) Proton-Proton Ringbeschleuniger 14 TeV Schwerpunktsenergie 27 km Tunnelumfang ca. 70-100m unter der Erde über 1200 supraleitende Magnete Luminosität L= 10 34 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)
Panoramabild CERN
Supraleitende Dipolmagnete - 1232 Magnete - Magnetfeld: 8.33 Tesla - Betriebstemperatur: 1.9 K LHC Tunnel mit Beschleunigerelementen
LHC Experimente
Supraleitende Spule, 4 Tesla CMS Kalorimeter ECAL HCAL Eisenjoch TRACKER Total weight 12500 t Overall diameter 15 m Overall length 21.6 m Myonkammer Myonendkappen
Der ATLAS Detektor Durchmesser 25 m Länge des zentralen Toroiden 26 m Gesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 m Gesamtgewicht 7000 t
Der ATLAS Detektor im Vergleich.
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)
Higgsproduktion (i) Gluonfusion gg H (ii) Vektorbosonfusion qq Hqq (iii) begleitende Produktion (W/Z, tt) _ - qq HZ gg Htt
WQ für Higgsproduktion
Higgszerfall Hohe Massen Leptonendzustände dominieren (H ww,zz) Niedrige Massen Hadronische Endzustände dominant, aber auch Zerfall in Lepton- und Photonendzustände (H ww*,zz*, γγ)
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
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
H ΖΖ llll Simulation
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
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 100 140 GeV
H γγ Simulation in ATLAS ATLAS
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 > 99.9999 % wird von diesen beiden Kanälen H ZZ ll ll und H γγ abgedeckt.
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
Higgs Entdeckungspotential Komplette Massenspektrum wird schon nach wenigen Jahren abgedeckt sein Mehrere Zerfallskanäle sichtbar vergleichbare Situation für CMS Experiment
Literaturverzeichnis Byron P. Roe: Particle Physics at the New Millenium Abraham Seiden: Particle Physics CERN Summer Student Lectures http://agenda.cern.ch/tools/sslpdisplay.php?stdate=200 6-07-03&nbweeks=7 Physics at Hadronic Colliders Jakobs, K (Universitaet Freiburg) The Standard Model (6/8) Pich, A (IFIC, University of Valencia)