Suche nach dem Standardmodell-Higgs

Suche nach dem Standardmodell-Higgs-Boson bei CMS mit 2010 und 2011
aufgezeichneten LHC-Daten
CERN, 13. Dezember 2011
Das Higgs-Boson ist das einzige vom Standardmodell (SM) der Teilchenphysik
vorhergesagte Teilchen, das noch nicht experimentell gefunden wurde. Seine Entdeckung
würde unser Verständnis, wie Teilchen Masse erhalten, sprunghaft erweitern. Falls aber
kein Higgs-Boson am LHC gefunden würde, wäre dies äußerst bedeutsam, da dann mehr
Augenmerk auf alternative, über das Standardmodell hinausgehende Theorien mit
assoziierten Higgs-ähnlichen Teilchen gelegt werden müsste.
Heute hat die CMS-Kollaboration ihre neuesten Resultate zur Suche nach dem Higgs-Boson
des Standardmodells vorgestellt. Alle bis Ende 2011 aufgezeichneten Proton-ProtonKollisionen wurden analysiert. Die Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von
4,7 fb-1 [REF: FB], was bedeutet, dass CMS die Erzeugung des Higgs-Teilchens fast im
gesamten Massenbereich oberhalb der vom LEP-Beschleuniger (Large Electron Positron
Collider) gesetzten unteren Grenze von 114 GeV/c2 (oder 114 GeV in natürlichen
Einheiten [REF: GEV]) bis hinauf zu 600 GeV/c2 untersuchen kann. Unsere Ergebnisse
wurden durch Kombination von Suchen in mehreren vorhergesagten Zerfallskanälen des
Higgs-Teilchens gewonnen. Darunter sind Zerfälle in W- oder Z-Bosonpaare, die ihrerseits
in vier Leptonen zerfallen, sowie in Paare von schweren Quarks, Paare von Tau-Leptonen,
und Photonpaare (Abbildung 1).
Abbildung 1 Ein typischer Higgs-Kandidat mit Zerfall in zwei hochenergetische Photonen,
deren Energie (dargestellt durch rote Balken) im elektromagnetischen Kalorimeter von
CMS gemessen wurde. Die gelben Kurven sind Spuren von anderen Teilchen, die bei der
Kollision entstanden sind.
Unsere vorläufigen Resultate, für verschiedene statistische Konfidenzniveaus [REF: CL],
schließen die Existenz des SM-Higgs-Bosons in einem weiten Bereich von möglichen
Higgs-Boson-Massen aus:
 127 – 600 GeV mit einem Konfidenzniveau von 95%, wie in Abbildung 2a gezeigt;
 128 – 525 GeV mit einem Konfidenzniveau von 99%.
Eine Masse ist dann “mit einem Konfidenzniveau von 95% ausgeschlossen”, wenn das SMHiggs-Boson mit dieser bestimmten Masse in mindestens 95% der Fälle, bei mehrfacher
Wiederholung des Experiments, mehr Evidenz erzeugen würde als die in unseren Daten
beobachtete.
Abbildung 2a: Ausschlussgrenze des SM-Higgs-Teilchens mit einem Konfidenzniveau von
95% (unterhalb der roten Linie). Die Analyse beruht auf 4,7 fb-1 an Proton-Proton-Daten,
welche 2010 und 2011 von CMS aufgezeichnet wurden. Daten, bei denen einzelne Teile
des Detektors ausgeschaltet oder nur teilweise in Betrieb waren, sind darin nicht
enthalten. Die schraffierten Bereiche zeigen die von LEP, dem Tevatron des Fermilab und
die neu von CMS bereits ausgeschlossenen Massenbereiche. Die strichlierte Linie und die
grünen und gelben Bänder zeigen die mittlere erwartete Empfindlichkeit von CMS
entsprechend der bislang analysierten Datenmenge.
Wir können ein SM-Higgs-Boson mit einer Masse zwischen 115 GeV und 127 GeV mit
einem Konfidenzniveau von 95% nicht ausschließen. Verglichen mit den Vorhersagen des
Standardmodells ohne Berücksichtigung eines Higgs-Teilchens gibt es, wie in Abbildung
2b gezeigt, einen Überschuss an Ereignissen in diesem Massenbereich, der
übereinstimmend in fünf unabhängigen Kanälen auftritt.
Abbildung 2b: Ausschlussgrenze des SM-Higgs-Teilchens mit einem Konfidenzniveau von
95% für 4,7 fb-1 an 2010 und 2011 aufgezeichneten und zertifizierten Proton-ProtonDaten. Gezeigt ist der Bereich niedriger Massen.
Mit der bis jetzt aufgezeichneten Datenmenge ist es schwierig, zwischen den beiden
Hypothesen Existenz und Nichtexistenz eines Higgs-Signals im Bereich dieser niedrigen
Massen zu unterscheiden. Der beobachtete Ereignisüberschuss könnte eine statistische
Fluktuation von bekannten Untergrundprozessen sein, entweder mit oder ohne Beitrag
eines SM-Higgs-Bosons. Die größeren Datenmengen, die 2012 aufgezeichnet werden sollen,
werden die statistischen Unsicherheiten verkleinern, was eine klare Aussage über die
Existenz oder Nichtexistenz des SM-Higgs-Bosons in diesem Massenbereich ermöglichen
wird.
Der Überschuss ist kompatibel mit der Hypothese eines SM-Higgs-Bosons mit einer Masse
um 124 GeV. Die statistische Signifikanz dieses Überschusses, verglichen mit dem
bekannten Untergrund, beträgt jedoch weniger als zwei Standardabweichungen (2),
sobald der “Look Elsewhere Effect” [REF: LEE] berücksichtigt wurde. Sie liegt beträchtlich
unter dem Signifikanzgrad, der normalerweise mit Überschüssen assoziiert wird, die dem
Lauf der Zeit standhalten.
Wenn wir der Hypothese nachgehen, dass unser beobachteter Überschuss das erste
Anzeichen für die Existenz des SM-Higgs-Bosons sein könnte, stellt sich heraus, dass die
Erzeugungsrate (der „Wirkungsquerschnitt“ relativ zum SM, /SM) für jeden Zerfallskanal
etwa mit den Erwartungen übereinstimmt, wenn auch mit großen Unsicherheiten. Jedoch
bedeutet die niedrige statistische Signifikanz, dass dieser Überschuss auch als Fluktuation
des Untergrunds interpretiert werden kann.
Die 2012 aufzuzeichnenden Daten werden beitragen, den Ursprung des Überschusses
schlüssig zu erklären.
Literatur
[REF: FB] http://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-721.html
[REF: GEV] Das Elektronvolt (eV) ist eine Energieeinheit. In der Teilchenphysik, wo Masse
und Energie oft gleichberechtigt verwendet werden, ist es üblich, eV/c2 als Masseneinheit
zu verwenden (wegen E = mc2, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum ist).
Noch üblicher ist die Verwendung eines Systems mit natürlichen Einheiten, in dem c als
eins gesetzt wird (also E = m), und somit eV auch eine Masseneinheit ist.
[REF: CL] Das Konfidenzniveau ist ein statistisches Maß, das besagt, wie oft Testergebnisse
bei 100 Messungen in einem bestimmten Bereich erwartet werden können. So bedeutet
zum Beispiel ein Konfidenzniveau von 95%, dass das Resultat einer Messung in 95% der
Fälle mit den Erwartungen übereinstimmt. (Quelle: NADbank)
[REF: LEE]
http://cms.web.cern.ch/news/should-you-get-excited-your-data-let-lookelsewhere-effect-decide