Folien Higgsmechanismus

Experimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus
Vorlesung TU Dresden , 30.1.2007
Michael Kobel
Inhalt

Motivation


Vergangenheit bis heute



Higgs Theorie
erste Suchen
der Stand nach LEP
Zukunft

LHC
2
Die schwache Eichsymmetrie

Symmetrie im Schwachem Isospin I
I3
I2
I1
Neutrino: I3 = ½
Elektron: I3 = -½
Up-Quark: I3 = ½ Down-Quark: I3 = -½
Idee: (n, e) , (u, d) sind Paare identischer Teilchen,
die sich nur in ihrer schwachen Ladung I3 unterscheiden

Invarianz unter lokalen Umeichungen des Isospins
 Emission/Absorption von Eichbosonen
W+
n
I3
I2
I1
e
I2
I1
I3
3
Elektroschwache SU(2)LxU(1)Y Eichsymmetrie

1961 S. Glashow
Eichsymmetrie in Schwachem Isospin und Hyperladung
beschreibt elektromagnetische und Schwache Wechselwirkung
+ Übereinstimmung mit Experiment
+ Nur 2 freie Parameter (Kopplungen gW , gY)
+ Renormierbar wegen lokaler Eichsymmetrie
(Beweis `t Hooft (DD Colloq 10.10.) , Veltman 1971)
- Braucht masselose Eichbosonen g , Z, W+,Wund masselose Fermionen e,µ,...
-
Explizite Masseterme, z.B.
n L 
m  R  
L 
würden Eichsymmetrie zerstören
4
Der Higgs Mechanismus

Minimales Modell:



1 komplexes SU(2) Duplett f
Quartisches Potenzial
Spontane Symmetriebrechung

2 komplexe Felder f0 und f+
f + 
Φ   0 
f 

Grundzustand
1  0 


Φ0 
2  + h 

f0
f+
2 freie Parameter:
 v (Vakuum Erwartungswert)
 l (Steilheit des Potenzials)
Vorhersagen


Lokale Eichinvarianz für Higgs Terme erzwingt
Mischung des B und W3 Feldes (Massendiagonalisierung)
 A   cos W  sin W   B 
 
 W 3 
Z
sin

cos

W
W   
  
Der kin. Term des Higgsfeldes
1
8



( ² + 2h + h²) gW2 Wµ+W µ
D f  D f  enthält über
+ ( g + g )Z Z 
†
µ
µ
2
W
2
Y
µ
µ
automatisch die Z-h und W-h Wechselwirkungen (Eichkopplung!)
sowie Boson-Massenterme
M W  12 gW M Z  12 gW2 + gY2 Mg  0

Fermion- Massenterme per Hand:
SU(2)-skalar  eichinvariant
f 
g   R  0 
f 
+
†
n L 
 
L 
Weitere Auswirkungen

Ermöglicht Quark Mischung und CP Verletzung
()
d‘
s‘
b‘
=
(V ) ( )
CKM
d
s
b
Schwache Eigenzustände, 4 freie Parameter, Masse Eigenzustände


Schwache Mischung über Kopplungen festgelegt
gY /gW = tan qw ; e = gW sin qw
(keine ausschließliche Vorhersage des Higgs Mechanismus)
Vorhersage des Z/W Massen Verhältnisses
MW = MZ cos qw
Zentrale Vorhersage von Higgs Duplett Modellen
7
Massenerzeugung

W,Z Massen durch Eichsymmetrie erzwungen
mW = ½ gW v

v =( GF) -½ = 246 GeV aus µ-Zerfall in Fermi Theorie
Higgs Boson Masse aus Potenzialparameter
mH = l v
l (fast) komplett beliebig

Fermion Massen „per Hand“ aus Yukawa Kopplungen
mf = ½ gf v
Kopplungen gf =2mf /v : 12 Parameter, unvorhersagbar
Kopplungen identisch an Higgsfeld und Higgsboson
 überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse !
8
Analogie: Supraleitung
Meisner Effekt: B-Feld (Photonen)
erhalten endliche Reichweite (Masse)
in einem Hintergrundfeld
Higgs Mechanismus Supraleitung
Hintergrundfeld
Higgs Feld
Cooper Paare
Natur
Bosonisch, S=0
Bosonisch, S=0
Amplitude A
v
n / M
ohne Feld
mW = 0
mg = 0
Kopplung k
½gW
2e
Dämpfung
exp(- mWr )
exp(- r/ l)
Reichweite l=1/kA
0.0025 fm
10 - 100 nm
Masse 1/ l = kA
mW = ½gWv
mg = 2en / M
9
Vorhersagekraft?

Ist die Higgs Hypothese überprüfbar?


Lernen wir was Masse ist ?


Ja! Die Stärke der Kopplung eines Teilchens ans Higgsfeld
Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher?


Ja! Über Higgs Boson(en) Entdeckung und BR Messung
Nein! Außer des mW / mZ Verhältnisses
Hilft er für das Verständnis der Massenwerte?

Ja! Wir wissen, welche tieferen Fragen zu beantworten sind:
 Eichbosonen: Warum ist v = 246 GeV ?
 Fermionen: Was bestimmt die Kopplungen gf ?
10
Indirekte Massenvorhersage für Higgs Boson
Korrekturen höherer Ordnung:
W
MW = MZ cos qw + f (Mt2 , ln(MH / MZ) )
H
W




W
t
W
b
W
H
W
W
SM Vorhersage:
MW=(80.363 ± 0.021)GeV
Direkte Messung:
MW=(80.404 ± 0.030)GeV
Differenz:
D = (0.041 ± 0.037)GeV
Fit der SM Higgs Masse:
MHath) =(98+38-29)GeV
MHaexp)=(89+42-30)GeV
11
Theoretische Grenzen

Elastische W W Streuung (Born Niveau)
12
Theoretical constraints II
13
Higgs Suche seit 25 Jahren

Past: e+e- Maschinen



Present: `pp


CESR, Cornell und
DORIS, DESY s =10GeV
L(arge) E(lectron) P(ositron) collider
CERN, s = 85 –208 GeV
Tevatron, FNAL
s`pp = 2 TeV
Future:


pp: LHC, CERN, spp = 14 TeV
e+e-: ILC, s = 0.5-1.0 TeV
14
Der Higgs Steckbrief


Zerfalls BRs eindeutig vorhersagbar für das Standard Model Higgs:
 Oberhalb Schwelle m²f für Fermionen , m²H für Bosonen (W,Z)
Produktions Prozess vom Experiment abhängig
15
Die Vor-LEP Ära

H Produktion von
reellen`bb ()
 virtuellen t loops
Higgs Zerfall
+ 
 t t
+ 
  
 inklusive



Eine der ersten Higgs „Entdeckungen“

1984: Crystal Ball, DORIS, DESY
 4 s.d. „Effekt“ in  g X
bei mX = 8300 MeV
 Nicht bestätigt von CUSB, CLEO,
ARGUS, CBall 1986
16
The LEP Aera bei s = mZ (LEP I)

Dominanter Prozess:
e+
Z*
e-

P. Janot
Z
H
LEP typisch sensitiv für
x-sections bis ~0.1 pb
by LEP I
17
Signal Topologien
18
Die Suche bei LEP2 s=200-208 GeV
gg>
hadrons
qq

WW

Signal / Untergr. Trennung
nur auf statistischer Basis
Wichtige Methoden

ZZ
ZH(114)




b-Nachweis im H Zerfall
H Mass aus kinem. Fit
ZZ und WW veto
Korrekte Jet-Jet Paarungen
...
19
Getting rid of background
Beispiel: ALEPH Kandidat (MH=114.3 GeV)
21
Die Higgs Suche bei LHC

LHC Schedule



2007: erste Kollisionen
Detektor „comissioning“
2008: 10 fb-1
„low lumi“
ab 2009: 100 fb-1/a „high lumi“
22
Hauptsuchkanäle

Andere dominierende Produktionsprozesse als bei Tevatron:
nicht triggerbar
für Hbb,tt
zu kleine x-section
wichtig für BRbb,BRtt
Entdeckungskanal
Bedeutung der VektorBosonFusion (VBF)


Entdeckungskanal
für niedrige Higgs Massen
Nach 1 Jahr (10 fb-1)
5s für alle Massen bis 200 GeV

Direkte Messung von
Kopplungsverhältnissen
s VBF  BR(H → WW) GW GW GW


s VBF  BR(H → tt)
GW Gt
Gt
Higgs Vermessung am International Linear Collider

Status des ILC





Weltweiter Konsens als nächstes Projekt in Synergie mit LHC
Beschleuniger Konzept seit 08/04: (TESLA (DESY), supraleitend)
Derzeit: Global Design Effort
Detaillierte Studie von Technologie und möglichen Standorten
Politische Entscheidung zu Finanzierung und Standort: 2009 / 2010
möglicher Beginn: ab 2018
25
Higgs Physik am ILC
Rückstoßmasse zu l+l- (GeV)
Unabhängig vom Higgs Zerfall
Unabhängig von Higgs Breite
Messung des Produktions WQ

Hauptziel: Higgs Präzisionsmessungen






Verzweigungsverhältnisse auf wenige Prozent genau
Higgs Selbstkoppplung l Higgs Potenzial
CP Quantenzahlen,
Higgs Masse(n) auf 50 MeV genau
Modell unabhängige Suchen
Welches Higgs Modell hat die Natur realisiert?
26
Und wenn es doch kein Higgsfeld gibt?

Brauche in jedem Fall zusätzliche
Wechselwirkung für W+W- unter 1 TeV

Zu entdecken bei LHC in WWqq
oder bei ILC in WWnn und ZZnn
ZZ
Messung anomaler Quartischer Eichkopplungen
für Skalen der neuen starken
Wechselwirkung unterhalb 2-5 TeV
WW
27
Zusammenfassung

Fermion und Eichboson Massen eine der Schlüsselfragen
für die Entstehung des Universums und des Lebens


Higgs Duplettfelder sind aussichtsreichster Massen-Mechanismus



Erstes Ziel: Entdeckung der Higgs Bosonen
Zweites Ziel: Genaue Identifikation des Higgsmechanismus
Experimente auf diesem Weg




Feine Anpassung ihrer Werte untereinander (md-mu, md-me) und in bezug
auf die Stärken der elektromagnetischen und starken Wechselwirkung
Tevatron bis 2008
 3s Evidenz (5s Entdeckung) für S.M. Higgs nur bis 125 (115?) GeV
LHC ab 2008
 5s Entdeckung von S.M. (und bis 2011 anderer) Higgs Bosonen
im gesamten erlaubten Bereich unterhalb von 1 TeV
ILC ab ~2020
 Präzise Vermessung aller Parameter des Higgs Sectors
Die Suche nach dem Ursprung der Masse könnte in 2 Jahren enden


Präzise Vermessung beginnt jedoch erst danach
Dann erst haben wir die richtigen Fragen nach den Werten der Fermionmassen
28