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Experimentelle Untersuchung des Higgs MechanismusExperimentelle Untersuchung des Higgs Mechanismus
Vorlesung TU Dresden , 30.1.2007
Michael Kobel
Inhalt
Motivation Higgs Theorie
Vergangenheit bis heute erste Suchen der Stand nach LEP
Zukunft LHC
2
Symmetrie im Schwachem Isospin I
Neutrino: I3 = ½ Elektron: I3 = -½ Up-Quark: I3 = ½ Down-Quark: I3 = -½ Idee: (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
Die schwache Eichsymmetrie
I3
I2
I1
I3
I2
I1I2
I1 I3
e
W+
3
Elektroschwache SU(2)LxU(1)Y Eichsymmetrie
1961 S. GlashowEichsymmetrie 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 W+,W-
und masselose Fermionen e,µ,...
- Explizite Masseterme, z.B.
würden Eichsymmetrie zerstören
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L
LRm
Der Higgs Mechanismus Minimales Modell:
1 komplexes SU(2) Duplett Quartisches Potenzial Spontane Symmetriebrechung
2 freie Parameter: v (Vakuum Erwartungswert) (Steilheit des Potenzials)
2 komplexe Felder und
Grundzustand
0
Φ
h
0
2
10Φ
Vorhersagen
Lokale Eichinvarianz für Higgs Terme erzwingt Mischung des B und W3 Feldes (Massendiagonalisierung)
Der kin. Term des Higgsfeldes enthält über
automatisch die Z-h und W-h Wechselwirkungen (Eichkopplung!) sowie Boson-Massenterme
Fermion- Massenterme per Hand:SU(2)-skalar eichinvariant
L
LRg
†
0
3
cos sin
sin cosW W
W W
A B
Z W
µµYWµ
µW ZZggWWghh )(²)2²( 22281
µµ DD †
0MMM 2221
Z21
W YWW ggg
Weitere Auswirkungen
Ermöglicht Quark Mischung und CP Verletzung
( ) = (VCKM ) ( )Schwache Eigenzustände, 4 freie Parameter, Masse Eigenzustände
Schwache Mischung über Kopplungen festgelegt
(keine ausschließliche Vorhersage des Higgs Mechanismus) Vorhersage des Z/W Massen Verhältnisses
Zentrale Vorhersage von Higgs Duplett Modellen
d‘
s‘
b‘
d
s
b
gY /gW = tan w ; e = gW sin w
MW = MZ cos w
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W,Z Massen durch Eichsymmetrie erzwungen
v =(GF) -½ = 246 GeV aus µ-Zerfall in Fermi Theorie
Higgs Boson Masse aus Potenzialparameter
(fast) komplett beliebig Fermion Massen „per Hand“ aus Yukawa Kopplungen
Kopplungen gf =2mf /v : 12 Parameter, unvorhersagbar Kopplungen identisch an Higgsfeld und HiggsbosonKopplungen identisch an Higgsfeld und Higgsboson überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse ! überprüfbar d. Higgsboson Verzweigungsverhältnisse !
Massenerzeugung
mW = ½ gW
v
mH =
v
mf = ½ gf v
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Analogie: Supraleitung
Higgs Mechanismus Supraleitung
Hintergrundfeld Higgs Feld Cooper Paare
Natur Bosonisch, S=0 Bosonisch, S=0
Amplitude A v n
ohne Feld mW = 0 m = 0
Kopplung k ½gW 2e
Dämpfung exp(- mWr ) exp(- r/ )
Reichweite =1/kA 0.0025 fm 10 - 100nm
Masse 1/ = kA mW = ½gWv m = 2en
Meisner Effekt: B-Feld (Photonen) erhalten endliche Reichweite (Masse) in einem Hintergrundfeld
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Vorhersagekraft?
Ist die Higgs Hypothese überprüfbar?Ist die Higgs Hypothese überprüfbar? Ja! Über Higgs Boson(en) Entdeckung und BR Messung
Lernen wir was Masse ist ?Lernen wir was Masse ist ? Ja! Die Stärke der Kopplung eines Teilchens ans Higgsfeld
Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher?Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein! Außer des mW / mZ Verhältnisses
Hilft er für das Verständnis der Massenwerte?Hilft er für das Verständnis der Massenwerte? Ja! Wir wissen, welche tieferen Fragen zu beantworten sind:
Eichbosonen: Warum ist Eichbosonen: Warum ist vv = 246 GeV ?= 246 GeV ? Fermionen: Was bestimmt die Kopplungen Fermionen: Was bestimmt die Kopplungen ggf f ??
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Indirekte Massenvorhersage für Higgs Boson
SM Vorhersage:MW=(80.363 ± 0.021)GeV
Direkte Messung:MW=(80.404 ± 0.030)GeV
Differenz: = (0.041 ± 0.037)GeV
Fit der SM Higgs Masse:MHth) =(98+38
-29)GeVMHexp)=(89+42
-30)GeV
W t W H b H W W W W W
Korrekturen höherer Ordnung: MW = MZ cos w + f (Mt
2 , ln(MH / MZ) )
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Theoretische Grenzen Elastische W W Streuung (Born Niveau)
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Theoretical constraints II
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Higgs Suche seit 25 Jahren
Past: e+e- Maschinen CESR, Cornell und
DORIS, DESY s =10GeV L(arge) E(lectron) P(ositron) collider
CERN, s = 85 –208 GeV
Present: pp Tevatron, FNAL
spp = 2 TeV
Future: pp: LHC, CERN, spp = 14 TeV e+e-: ILC, s = 0.5-1.0 TeV
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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
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Die Vor-LEP Ära
Eine der ersten Higgs „Entdeckungen“Eine der ersten Higgs „Entdeckungen“ 1984: Crystal Ball, DORIS, DESY
4 s.d. „Effekt“ in Xbei mX = 8300 MeV
Nicht bestätigt von CUSB, CLEO, ARGUS, CBall 1986
H Produktion vonH Produktion von reellenbb () virtuellen t loops
Higgs ZerfallHiggs Zerfall
inklusive
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Dominanter Prozess: e+ Z*
Z e- H
LEP typisch sensitiv für x-sections bis ~0.1 pb
The LEP Aera bei s = mZ (LEP I)
by LEP by LEP II
P. JanotP. Janot
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Signal Topologien
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Die Suche bei LEP2 s=200-208 GeV
Signal / Untergr. Trennung nur auf statistischer Basis
Wichtige Methoden b-Nachweis im H Zerfall H Mass aus kinem. Fit ZZ und WW veto Korrekte Jet-Jet Paarungen ...
hadrons
WW
ZZ
ZH(114)
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Getting rid of background
Beispiel: ALEPH Kandidat (MH=114.3 GeV)
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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“
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Andere dominierende Produktionsprozesse als bei Tevatron:
nicht triggerbar zu kleine x-section wichtig für BRbb,BREntdeckungskanalfür Hbb,
Hauptsuchkanäle
Bedeutung der VektorBosonFusion (VBF)
Entdeckungskanalfür niedrige Higgs Massen
Nach 1 Jahr (10 fb-1) 5für alle Massen bis 200 GeV
W
W
WW
)→BR(HWW)→BR(H
VBF
VBF
Direkte Messung von Kopplungsverhältnissen
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
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Hauptziel: Higgs Präzisionsmessungen Verzweigungsverhältnisse auf wenige Prozent genau Higgs Selbstkoppplung Higgs Potenzial CP Quantenzahlen, Higgs Masse(n) auf 50 MeV genau Modell unabhängige Suchen
Welches Higgs Modell hat die Natur realisiert?
Higgs Physik am ILC
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Rückstoßmasse zu lRückstoßmasse zu l++ll- - (GeV)(GeV)
Unabhängig vom Higgs ZerfallUnabhängig vom Higgs Zerfall Unabhängig von Higgs BreiteUnabhängig von Higgs Breite Messung des Produktions WQMessung des Produktions WQ
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 WWund ZZ
ZZZZ
WWWW
Messung anomaler Quartischer Eichkopplungen Messung anomaler Quartischer Eichkopplungen für Skalen der neuen starken für Skalen der neuen starken Wechselwirkung unterhalb 2-5 TeVWechselwirkung unterhalb 2-5 TeV
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Zusammenfassung Fermion und Eichboson Massen eine der Schlüsselfragen
für die Entstehung des Universums und des Lebens Feine Anpassung ihrer Werte untereinander (md-mu, md-me) und in bezug
auf die Stärken der elektromagnetischen und starken Wechselwirkung Higgs Duplettfelder sind aussichtsreichster Massen-Mechanismus
Erstes Ziel: Entdeckung der Higgs Bosonen Zweites Ziel: Genaue Identifikation des Higgsmechanismus
Experimente auf diesem Weg Tevatron bis 2008
Evidenz (Entdeckung) für S.M. Higgs nur bis 125 (115?) GeV LHC ab 2008
Entdeckung von S.M. (und bis 2011 anderer) Higgs Bosonenim 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
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