4. physikpotenzial von tesla (einige „highlights“)
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 1
4. Physikpotenzial von TESLA(einige „Highlights“)
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 2
“Highlights” des Physikprogramms
Etablierung des Higgs-Mechanismus
Das Hierarchieproblem
• Supersymmetrie
• Zusätzliche Raumdimensionen
• Kein leichtes oder elementares Higgs-Boson, neue starke Wechselwirkung
Präzisionsmessungen des Standardmodells
L = 500 fb-1 @ 500 GeV ~ 2 bis 3 Jahre
L = 1000 fb-1 @ 800 GeV ~ 3 bis 4 Jahre
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 3
Das Higgs-Profil
Masse (bestimmt das Profil im SM komplett)
Totale Zerfallsbreite
Kopplung an Z und W: Mw~ g v, MZ ~ g v
Kopplung an Fermionen: mf = gf v
Higgs-Selbstkopplung, Higgs-Potenzial
Ziel: Etablierung des Higgs-Mechanismus in allen essentiellen Details als verantwortlich für die Massenerzeugung und die Brechung der elektroschwachen Symmetrie
Mittel: Hochpräzisionsmessungen genaue Bestätigung des Standardmodells oder Hinweis auf neue Physik durch Abweichung
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 4
Produktion des Higgs-Bosons
17 Higgs-Ereignisse pro Stunde
ECM=500 GeV, MH=120 GeV
Higgs-Fabrik
Higgs-Strahlung WW-Fusion
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Masse und Kopplung an das Z-Boson
~ 5 bis 6%m ~ 100 MeV
ZH ~ gZ2
modellunabhängige Bestimmung von gZ
Zerfallskanalblinde Selektion
Von ZH mit Z ,ee
Peak-Position Peak-Höhe
Fit an das Spektrum der Rückstossmassen der beiden Leptonen:
g ~ 2-3%
m ~ 40 bis 80 MeV mit vollständiger Rekonstruktion des Higgs-Zerfalls
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Kopplung an das W-Boson
WW-Fusions-Prozess: b
b
Fit an das Spektrum der fehlenden Masse:
~ gw2xBR(Hbb)
Nach Messung von BR(Hbb) in ZH modellunabhängige Messung von gw
g ~ 3 bis 13%
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Kopplung an FermionenHiggs-Mechanismus erzeugt Fermionmassen mf ~ gf ff~ mf
2 Test durch Bestimmung von BR(Hff)
Zerfall Rel.Fehler
für 500 fb , m=120 GeV-1
BR()~10-4: BR(/BR() = 32 % für 1 ab-1 und E=800GeV
Experiment: Messung von ZHxBR(Hff) BR(Hff)
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Totale Zerfallsbreite
a) M < 180 GeV
tot << Detektorauflösung Indirekte Bestimmung
tot = (Hxx) / BR(Hxx)
Größte Präzision: W-Bosonen (HWW) aus Messung des WQ in WW-Fusion BR(HWW) aus Higgsstrahlung ZH, HWW
Benötigt zur Bestimmung der Fermion-Kopplungen
gf2~ff=BR(Hff)xtot
= 6 bis 13 % für MH=120 bis 160GeV
Indirekte Bestimmung
Direkte Bestimmung
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Totale Zerfallsbreite
Rekonstruierte Higgs-Masse (GeV)
MH>180 GeV: tot >= Detektorauflösung Bestimmung aus dem Massenspektrum
ZHllWW(ZZ)llqqqq
Breite = Faltung von tot und Massenauflösung
MH =200 320 GeV = 23 34 %
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Top Quark Yukawa Kopplung
gttH/gttH = 7 bis 13 %
Für mH =120 bis 200 GeV
Kleiner Wirkungsquerschnitt und „viel Mass“ im Endzustand
Grosse ECM = 800 GeV Hohe Luminosität L = 1 ab-1
Top Quark Yukawa Kopplung O(1) im SM >> andere Fermionen Überraschung ??
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Top Quark Yukawa Kopplung
Präzisionsmessung bei TESLA nur bei ECM=800 GeV
LHC mißt nur die Rate = x BR für ppttH (Hbb oder WW) modellunabhängig
Kombination der
Messung von x BR von LHC mit Messung von
BR(Hbb) u. BR(HWW) von TESLA 500GeV
g
g t
th
(inkl. 20% syst. Fehler auf die Ratenmessung bei LHC)
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Bestimmung der Quantenzahlen
Vorhersage des SM: Spin = 0, CP = ungerade
10 fb /Punkt-1
Spin J:“Schwellenscan” desWirkungsquerschnitteeZHll X(modellunabhängig)
CP: aus WinkelverteilungenVon Z und f aus Zff in eeZHoder ….
(modellunabhängig)
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Observable: -Akoplanarität:
> 8 Trennung zwischen CP+ and CP-für 120 GeV Higgs (350 GeV u. 1 ab-1)
Bestimmung von CP
CP gerade h oder CP ungerade A ?
CP-Natur aus Polarisation der Higgs-Zerfallsprodukte
Untersuche H
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Higgs-Selbstkopplung
Ist die elektroschwache Symmetrie spontan gebrochen ?Rekonstruktion des Potenzials = Messung der Triple-Higgs-Kopplung
Optimierter Detektor: exzellente Identifikation von b-Quarks exzellente Jetenergieauflösung
Winziger WQ: 0.15 fb hohe Luminosität
Komplexer Endzustand: ZHZHHqq bb bb
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 15
Higgs-Selbstkopplung
13 % 23 %
Neurale-Netz-Analyse:
S/ B = 6
13 %
MH=120GeV, ECM= 500GeV, L=1ab-1
Als einziger sensitiv auf
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 16
Das Higgs-ProfilPDG Booklet 201x ?
Warum diese Präzision ?
Genauer Test des SM
Diskriminierung zwischen Higgs-Sektor des SM und Erweiterungen
z.B. des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM)
MSSM: 5 Higgsbosonen: h,H,A,H+-
zwei Vakuumerwartungswerte: tan = v1/v2 (v1+v2) = 246 GeV
Freie Parameter auf Born-Niveau: tan, MA
22
E. Gross
10-3
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Direkte Beobachtung von h,A,H+-
„No Lose Theorem“: SUSY mit GUT mindestens ein Higgs- Boson beobachtbar bei ECM=500 GeV, L=500 fb-1
Beobachtung im MSSM:
e+e-HA,H+H- bis M=ECM/2-
H,A bis M=0.8xECM)
Messungen:
z.B. HAbb bb
M/M = 0.1 bis 0.5%
xBR)/(xBR)= 2 bis 3 %
mit L = 500 fb-1
A
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 18
Indirekte Unterscheidung MSSM SM
Vielleicht: LHC und LC sehen nur das leichte h SM oder MSSM ??
Ausweg: Unterscheidung durch Präzisionsmessungen der Kopplungen
Globaler Fit an alle Messungen:
Kopplungen an Fermionen, W,Z
g/g ~ 1 bis 4%
(L=500 fb-1)
Sensitiv zu MA =600 (1000) GeV bei 68 (95)% CL
(BRMSSM-BRSM)/erw
bb
WW
MA
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 19
Mögliche Lösungen:
Supersymmetrie
mit MSUSY ~ O(TeV)
zusätzliche Raumdimensionen: MPl4+= 1TeV
Kein Higgs-Boson: starke dynamische Symmetriebrechung
Warum ist Elektroschwache Skala << Planck Skala ??
Das HierarchieproblemDas Hierarchieproblem
19PlanckM =10 GeV
MH2 = 2 =MPlanck
v = 246 GeV
Das Higgs-Boson erhält große skalenabhängige Massenkorrekturen
2
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 20
Supersymmetrie (SUSY)Supersymmetrie (SUSY)
LHC: Squarks u. Gluino
Sleptonen +Gauginospräzise Spektroskopiebei TESLA!
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 21
SUSY: Massenmessung
Beispiel: SUSY-Partner des Myons
Alle Massen der Sleptonen, Charginos, Neutralinos mit Präzision von 100 bis 500 MeV bestimmbar
E(Myon) [GeV]
a) E-Spektrum der
M/M~0.1%
Smyon
Smyon+Neutralino
E(CM)) [GeV]
[fb]
%3.0M
M
b) WQ an der Schwelle
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 22
SUSY: ParameterbestimmungSUSY: Parameterbestimmung
Polarisation des Elektron- u. Positronstrahls erlaubt Bestimmung der SUSY-Parameter.
M1 aus: Polarisationsabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts und Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie der Leptonen
tan, , M2, M1
M1(GeV) M1(GeV)
, M2, M1
~O(1%)
L=500 fb-1 pro Polarisation
Untersuche: e+e-l+l-0 00 0
z.B.: Neutralino-Sektor durch 4 Parameter bestimmt
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 23
SUSY: Extrapolation zu hohen EnergienSUSY: Extrapolation zu hohen Energien
SUSY Parameter rennen mit der Energie Evolution mittels Renormierungsgruppengleichungen Präzise Messung der SUSY Parameter am LHC und am
Linear Beschleuniger liefern
Test ob “Grosse Vereinheitlichung” GUT realisiert ist Information über den Mechanismus der SUSY-Brechung
“mSUGRA” “GMSB”LHC
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 24
Wenn Squarks schwer sind, dann nur am LHC produzierbarKomplexe Zerfallskette für SquarksGenaue Bestimmung der Eigenschaften schwierig
Nur am LHC
SUSY: LHC + TESLASUSY: LHC + TESLA
Genaue Messung bei TESLA
verbesserte Rekonstruktion am LHC
z.B.
Genauigkeit der Massenbestimmung
LHC +
M(LSP) von TESLA
Mit M/M=0.2 (1.0)%
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 25
Zusätzliche RaumdimensionenZusätzliche Raumdimensionen
r
1
M
mmV(r)
2Pl
21klassisch
12D
21
r
1
M
mmV(r) r
1
RΜ
mmV(r)
δδ2D
21
ADD-Modell:
neue Raumdimensionen mit Radius R, in denen nur Gravitation „lebt“
r>>R r<<R
Vgl. von 4-dim und 4+V(r): MPl2=8 R MD
+2
Wenn MD = 1 TeV : für = 2(3) gilt R = 1 mm(nm)
GN=1/MPl2
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 26
Zusätzliche RaumdimensionenZusätzliche Raumdimensionen
Kompaktifizierung Kaluza-Klein-Türme
Unendlich viele Gravitonzustände:
mit M=1/R
MD = 1 TeV : = 2(4,6) M = 0.5 meV (20keV, 7MeV)
Im Experiment:
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 27
Direkte GravitonproduktionDirekte Gravitonproduktion
Auschlussgrenzen 95% CL
Signatur: 1 Photon + fehlende Energie
D
2D M
s
2 3 4 5 6
MD(TeV) 10.4 6.9 5.1 4.0 3.3
Messung von WQ bei 500 und 800 GeV erlaubt Bestimmung von MDund !!
1 ab-1 @500 GeV
+ 800 GeV
2 3 4 5 6
MD(TeV) 7.9 5.6 4.2 3.4 2.9
Entdeckung (5) bis
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 28
Indirekt: Gravitonaustausch
Interferenz von Photon, Z (Spin=1) und
Gravitonaustausch (Spin=2)
z.B. veränderte Verteilung des Produktionswinkels
Sensitivität: (95% CL)
5.6 TeV @ 500 GeV
8.0 TeV @ 800 GeV
Unterscheidung zwischen
Spin1 und Spin 2 möglich !
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 29
Kein Higgs Boson?
Verletzung der Unitarität bei ~ s(wenn Wechselwirkung schwach bleibt )
TeVs 2.1~
Streuung massiver Eichbosonen
(oder direkte Beobachtung neuer Resonanzen: z.B. Techni-Hadronen)
Ausweg : neue QCD-artige starke Wechselwirkung (z.B. Technicolor)
Experimentelle Konsequenz: Abweichung vom SM in Drei- und Vier-Eich-Boson-Kopplungen
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 30
Drei-Eichboson-Selbstkopplung (TGC)
Sensitivität auf
bei 500 GeV, 500 fb-1
Beschreibung durch effektive Lagrangediche
iieff LL 2
i
i v
16
mit
Theo. Argumente: i < 3 TeV i ~O(1)
Analyse der Winkelverteilungen von e+e-WWqql
„Forward tracking“ wichtig
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 31
Vier-Eichboson-Selbstkopplung (QGC)
Bereich bis 3 TeV abgedeckt!
e+e-WW qq qq e+e-Z Z qq qq
Exzellente Kalorimetrie
bei 800 GeV, 1 ab-1
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 32
Präzisionsuntersuchung des SMPräzisionsuntersuchung des SM
sinW= 0.000013 (1/13xLEP)
MW = 6MeV (1/3xLEP)
GigaZ:Betrieb von TESLA auf der Z-Resonanz und W-Paarschwelle1 Milliarde Z0’s in wenigen Monaten (~50xLEP)
(pb)
ECM(GeV)
Messung der Masse des Top-Quark durch Schwellenscan des Wirkungsquerschnitts
M ~ 100 MeV Dominiert durch theo. Unsicherheit
Luminosität = 100 fb-1
Genauere theoretischeVorhersage benötigt!
2
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 33
Präzisionsuntersuchung des SMPräzisionsuntersuchung des SM
Szenario1: nur 1 Higgs und sonst nichts gesehen
Konsistenztest des Standardmodells und Hinweis auf „neue Physik“
Szenario2: SUSY entdeckt, einige Parameter am LHC und LC gemeinsam bestimmt
Bestimmung weiterer Parameter z.B. tan und MA
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 34
FazitFazit• Physikpotenzial am Linearbeschleuniger ist faszinierend TESLA wird entscheidend zu den ersehnten Antworten beitragen, unabhängig von der Natur der “neuen Physik”
• Das Schlüsselwort: Präzision Beschleuniger mit hoher Luminosität: TESLA
exzellenter Detektor theoretische Vorhersagen mit größter Genauigkeit
• Beschleuniger, Detektor u. Theorie sind herausfordernd
• TESLA 500 bereit, TESLA 800 auf dem Weg
• F&E für Detektor hat begonnen (mehr Zeit und Personal)
• Physikpotenzial ist komplentär zum LHC Nur beide gemeinsam können die Antworten liefern ! weltweiter Konsensus: der Linearbeschleuniger sollte der nächste grosse Schritt in der Hochenergiephysik sein Vielen Dank an: K. Desch, R.Heuer, D.Karlen, H. Videau, N.Walker,...
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 35
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003 36
500 fb-1 @ 350 GeV
Unsichtbare Zerfälle des Higgs-Bosons
Unsichtbare Zerfälle des Higgs, z.B:• MSSM h
• Extra Dimensions• Zusätzliche H-Singletts
(NMSSM,Majoron Models)• Stealthy Higgs-Scenario
Fehlende Masse
Signal(120)
e+e- ZHqq + fehlende Energie
Indirekt: aus tot und BR(vis) + BR(invis) = 1
5σ Entdeckung bis zu Verzweigungsverhältnis (BR) von 2%
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