timo boße 30.06.2003 1 die suche nach dem higgs-boson ein seminarvortrag von timo boße im rahmen...

Timo Boße 30.06.2003

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Die Suche nach dem Higgs-Boson

Ein Seminarvortrag von Timo Boße

im Rahmen des SeminarsModerne Methoden und Experimente

der Teilchen- und Astrophysik


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Inhalt

• Theorie– Motivation– Das Standard Model (SM) Higgs-Boson– Minimale Symmetrische Erweiterung des Standard Models

(MSSM-Higgs)– Massengrenzenvoraussagen– Zerfälle

• Suche nach Higgs bei LEP– Higgs-Produktion– Nachweistechniken– Ergebnisse

• Suche an hadronischen Beschleunigern– Higgs-Produktion– Tevatron– LHC


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Warum überhaupt Higgs?

• SM durch Präzisionsmessungen bisher sehr gut bestätigt

– z.B. Übereinstimmung von gemessenen Massen und Kopplungsstärken der Vektorbosonen W und Z

• Problem:

– Die Einführung von massiven Vektorbosonen W,Z verletzt die Eichinvarianz

– Man hat die Generierung von Fermion- und Vektorbosonmassen noch nicht richtig verstanden

• Lösung:

– Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung


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Spontane Symmetriebrechung

• Einführung eines skalaren Hintergrundfeldes, das im Grundzustand eine von Null verschiedene Amplitude besitzt, also einen Vakuumerwartungswerthat

• Dies erreicht man durch den Ansatz

Für den Grundzustand gilt:

00

422 V

2

0 ,2

0

vmitv


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SM-Higgs-Boson

• Im einfachsten Fall ist Φ ein Dublett komplexer skalarer Felder

• Im SM geht man davon aus, daß Φ alles macht:

– Erzeugt Fermionenmassen durch Yukawa-Kopplung

– Gibt Vektorbosonen Masse, lässt γ masselos

• Es existieren 4 Higgs-Freiheitsgrade. Drei davon beschreiben masselose Goldstone-Bosonen, die Spinfreiheitsgerade der Vektorbosonen erzeugen. Der vierte ist hat zur Konsequenz, daß das Higgs-Feld durch Energiezufuhr angeregt werden kann.

→ Existenz eines neutralen, skalaren Teilchens, das Higgs-Boson

43

21

0 i

i


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SM-Higgs-Boson

• Theorie sagt alle Eigenschachten des Higgs-Bosons voraus, bis auf Masse

• Deswegen Suche problematisch:

– Kopplungen proportional zu m, klein für leichte Teilchen

– Higgsmasse im SM freier Parameter

• Größe von λ unbekannt und nicht durch andere Beobachtungen zu bestimmen

• Einzige Informationsquellen:

– Direkte Suche

– Elektroschwache Präzisionsmessungen

2Hm


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Massenvoraussagen für SM-Higgs

• Die theoretischen Massenvorausagen für das SM-Higgs-Boson hängen davon ab, bis zu welcher Energie Λ das SM gültig ist.

– Für Λ = 1019 GeV (Planckmasse): 130 GeV < mH < 190 GeV

– Für Λ ≈ 1 TeV: 50 GeV < mH < 800 GeV

Würde also leichteres Higgs gefunden, ließe das auf neue Physik jenseits der Planckmasse schliessen.


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Massenvoraussagen für SM-Higgs

• Durch direkte Suche bei LEP1 konnte eine Masse von unter 65,6 GeV mit 5 % C.L. (Confidence Level) nahezu ausgeschlossen werden.

• Indirekte Suche durch elektroschwache Präzizionsmessungen legt den Wert auf fest und gibt mit 95 % Sicherheit obere Massengrenze mH=196 GeV an.

533388

Hm


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MSSM-Higgs-Boson

• Einfachste Erweiterung des SM:Jedes Teilchen (Fermion und Boson) erhält ein supersymmetrisches Partnerteilchen

• Also auch 2 Higgsdupletts:

• Im MSSM gibt es dann 5 Higgsteilchen:

• Es gelten folgende Relationen:

d

u

h H A H + H -

C P = +1 C P = -1 skalar

mh < mH

HWHAZh mmmmmm

Verhältnis der Vakuumserwartungswerte:

tan1

2 vv


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MSSM-Higgs-Boson

• Es werden 2 Parameter zum Beschreiben des MSSM-Higgs benutzt:

– mA und tan β

• Alle anderen Massen und Kopplungen hängen von diesen Parametern

ab

• Oberes Massenlimit für h:

• Falls mA und mH groß werden:

– Eigenschaften von h ähnlich denen von HSM

– Daher: Unterscheidung zwischen SM und MSSM in diesem Fall schwierig

GeVmm Ah 130)tan,(


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Zerfälle des SM-Higgs

• Das Higgs-Boson koppelt, wie schon erwähnt, an Fermionen und Vektorbosonen proportional zu deren Masse.Damit kann man die relevanten Higgszerfälle berechnen:

Branching Ratio (Verzweigungsverhältnis) im folgenden BR abgekürzt


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Zerfälle mH < 130 GeV

Zerfall Verzweigungsverhältnis (BR) bei mH = 115 GeV

ca. 74 %

ca. 7 %

ca. 7 %

ca. 4 %

bbH

ccH

H

Außerdem noch Zerfälle mit Top-Schleifen:

γγ/Zγ-Prozesse haben kleines BR, dafür aber wenig Untergrund, also klares Signal

WWH


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Zerfälle mH > 130 GeV

• Wobei unter Paarproduktionsschwelle:

• Oberhalb der Schwelle: σ(HWW)/σ(HZZ) ≈ 2

WWH00ZZH

*VVH


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Suche an LEP

Vier Experimente: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL


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Suche an LEP

∫L (pb)

Schwerpunktsenergie (ECM oder auch ) von 1996 – 2000 sukzessive von 161 auf 209 gesteigert

s


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Suche an LEP: Higgs-Boson-Produktion

• Bevorzugter Produktionsprozess:

sogenannte Higgsstrahlung

• Weiterer Produktionsprozess:

ZZ/WW-Fusionsprozesse mit Paar von Neutrinos oder Elektronen im Endzustand.

Kommt bei erst für mH > 115 zumTragen.

GeVs 206


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Suche an LEP: Nachweiskanäle

• Die Nachweiskanäle ergeben sich durch die Zerfälle der durch die Higgsstrahlung produzierten H- und Z-Bosonen:

–

–

• Hauptsächlicher Higgszerfall in 2 b-Quarks (ca. 74% bei mH=115 GeV erfordert gute Identifikation der b-Quarks (b-tagging), also Unterscheidung von leichteren Quarks (u,d,c,s) wie z.B aus

– Ist durch längere Lebendauer der B-Hadronen relativ einfach

– Wird durch gute Ortsauflösung (und neuronale Netze) erreicht

– Nachweiseffizienz bei LEP ca. 60 %

%)8(~%),8575(~ bbH

%)3,3(%),6,6(%),20(%),70( eeqqZ

qqZZee 00


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Suche an LEP: Nachweiskanäle

Die 4 verschiedenen Endzustände:

Verzweigungsverhältnisse für mH=115 GeV

4 Jets:

BR ≈ 51 %

Auswahleffizienz 40 %

Fehlende Energie:

BR ≈ 15 %


Leptonen(e,μ):

BR ≈ 5 %


Tau:

BR ≈ 7%

Auswahleffizienz < 30 %


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Suche an LEP: Untergrund

• Problem: Identifikation der Ereignisse die Higgs produziert haben. Denn es gibt viele Ereignisse,

– die denselben Endzustand wie die Higgsstrahlung erzeugen (irreduzibel)

– die aufgrund experimenteller Auflösung mit Higgsereignissen verwechselt werden können (reduzibel)

• Hauptsächlicher Untergrund:

–

–

– 00ZZee

WWee

qqee


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Suche an LEP: Higgs-Kandidaten

Die Top 20 der Higgs Kandidaten:


21


ALEPH4-jet

ECM=206,7 GeVmh==114,3

Größte Signifikanz


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Größte Signifikanzin einemnicht 4-jet-Kanal


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Suche an LEP: b- und s+b- Hypothesen

• Um die gesammelten Daten der einzelnen Kandidaten auszuwerten werden die gewonnenen Daten bezüglich zweier Diskriminatoren ( :rekonstruierte Higgsmasse; G: „Güte“) in sogenannte „bins“ sortiert. Zu jedem „bin“ i gibt es nun:

– Ni : # Ereignisse

– bi : erwartete Hintergrundrate

– si : erwartete Signalrate

recHm

• So wird jedem Kandidaten ein Gewicht s/b zugeordnet

• Nun kann die Ereignisse auf die b (background) bzw. s+b (signal+background) Hypothese testen. Man definiert sich folgende Wahrscheinlichkeit (likelihood):

i

iTOT ss


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Suche an LEP: Likelihood (Experimente)


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Suche an LEP:Likelihood (Gesamt)

Minimum bei mH=115,6 GeV


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Suche an LEP: Confidence Levels

1-CLb: Wahrscheinlichkeit für Nur-Hintergrund- Experiment einen Signal- ähnlicheren „likelihood“ zu erhalten

CLs+b: Maß für die Wahrscheinlichkeit der s+b-Hypothese

b

bss CL

CLCL Definiere:


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Suche an LEP: Confidence Level

Somit legt LEP2das untere Massen-limit für das SM-Higgs-Boson auf114,1 GeV. Erwartet: 115,4


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Suche an LEP: MSSM-HiggsAusschlußbereiche für mh


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Hadronische Beschleuniger: Higgs-Produktion

XHpp

Viel mehr Untergrund als bei e+e--Beschleunigern


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Tevatron

Zwei Experimente suchen nach Higgs:


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Tevatron

• Suche nach Higgsmassen von 90 – 190 GeV bei Schwerpunktsenergien ECM

von 1,8 – 2,0 TeV

• Plot zeigt die Wirkungsquer-schnitte der jeweiligen Higgs-produktionsmechanismen beiECM=2,0 TeV

• Luminosität:

scmL //10~ 232


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Tevatron: Nachweiskanäle

Low mass range: mH= 90 – 130 GeV

1/1000 Signal/Hintergrund

Andere 4 Jets - Ereignisse

Hintergrund BemerkungenHintergrundKanal

lbbHWqq ttWZbWb ,,

bbHZqq ZZcZcbZb ,,

,el

llbbHZqq

Ebenfalls großer BR und viel Hintergrund

BR ~ 1/3 der vorherigen Kanäle,

aber wenig Hintergrund

Größter BR, dafür viel Hintergrund

BemerkungenKanal

ttbZbZZ ,,

qqbbHVqq


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Tevatron: Nachweiskanäle

High mass range: mH= 130 – 190 GeV

–

Hintergrund:

Signal/Hintergrund:

–

Hintergrund:

Signal/Hintergrund:

llWWHgg *

)(,),(),(, *** ZttWZZZWW

mH [GeV] 140 150 160 170 180 190

S/B 0,058 0,094 0,34 0,45 0,25 0,11

XjjllVVVHVqq **

VjjVttVVVttWWZZWZ ,,,,,,

mH [GeV] 140 150 160 170 180 190

S/B 0,24 0,41 0,63 0,54 0,46 0,24


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Tevatron: Potential

Benötigte ∫L für Ausschluß, Beiweis und Entdeckung eines SM-Higgs am Tevatron


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LHC

TeVs 14


36

LHC

Sucht nach Higgsmasse im Bereich:

Lumi: Am Anfang: 2•1033 cm-2 s-1

Nach 2-3 Jahren: 1034 cm-2 s-1

GeVmH 1000...80


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Relativ sauberer Kanal

Guter Kanal von 200 – 700 GeV, da Hintergrund klein

und gut zu reduzieren

Gute fehlende Energie Messung erforderlich

,WZ, WW, Z + jets (red.)

ZZ (irred.)

Gute Energiemessung und jet-Identifikation nötig W + jets, WW,

Großes BR, aber viel Hintergrund, erfordert sehr

gutes b-tagging

u.a.

Sauberer Kanal, da Hintergrund größtenteils

reduzibel, kleines BR

BemerkungenHintergrundZerfall

LHC: Nachweiskanäle

bbH

H

lZZH 4*

lZZH 4

llZZH jjlWWH

lljjZZH

eeZjet

jetjet

,

,,

HttWHaus , ZttWjj

ttbWbWZ

,

,,,

bZbbWbWtt

llZZZZ

,

,,*

Lo

w m

ass

ran

ge

ZZ

tt

ttHig

h m

ass

ran

ge


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LHC: Entdeckungspotential

LHC sollte alsoSM-Higgs in diesem Massen-bereich nach ca.2-3 Jahren ent-Decken können

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