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Suche nach Higgs-Teilchen am LHC Seminar Astro- und Teilchenphysik

Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC

Fred UhligBetreuer: Prof. Dr. K.Rith

Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/2007

29.01.2007


Inhalt

• Higgs-Mechanismus

• Teilchenbeschleuniger LHC

• Suche nach Higgs-Teilchen– Bisherige Erkenntnisse– Produktion und Zerfall – Detektion


Higgs-Mechanismus

Problem: Wie erhalten Teilchen Masse ?

• Peter Higgs sagt universales Hintergrundfeld voraus (1964) Higgsfeld

• Teilchen erhalten Masse durch Kopplung an Higgsfeld, wobei Kopplungsstärke ~ Masse

• Kopplung erfolgt via Higgsboson


Higgs-Hintergrundfelderfüllt den Raum

Ein Teilchenim Higgs-Feld...

... Widerstand gegenBewegung ...Trägheit Masse

Der Higgs Mechanismus, eine Analogie:


Theoretische Vorhersage

SM muss modifiziert werden

Zwei Werkzeuge:

• spontane Symmetriebrechung

• Eichtheorie


• Betrachte reelles, selbstwechselwirkendes Skalarfeld mit einer Lagrangefunktion der Form:

L = (∂∂)

wobei Terme mit 2 = Masseterm

4 = WW-Term

Aus L erhält man ein Potential

V = Higgspotential

- für >0 und 2<0 gibt es zwei mögl.

System entscheidet sich für einen

Symmetrie wird gebrochen!

Spontane Symmetriebrechung

Grundzustände , mit GeV2472


• nächster Schritt: Einführung von komplexen Skalarfeld iund entwickeln der Lagrangefkt um Minimum

durch Vergleich mit ursprüngl. Lagrangefunktion erhält man

1 Teilchen der Masse

Higgsboson2 masseloses Teilchen

Goldstoneboson

22 22


Eichtheorien

• Ziel: Invarianz von Theorie unter globaler bzw. lokaler Phasentransformation

– globale Phasentransformation ei, für komplexes Skalarfeld bereits erfüllt

– lokale Phasentransformation

Theorie wird renormalisierbar, d.h. es treten keine Divergenzen mehr auf


Kombination von spontaner Symmetriebrechung und Eichtheorien

– man erhält analog ein Higgsboson und ein Goldstoneboson durch spontane Symmetriebrechung

– aber Forderung von Invarianz unter lokaler Phasentransformation von und Eichfeld A mittels

und

führt zu massereichem Eichfeld A

Photon nicht mehr masselos!

)()( )( xex xi

x

x

eAxA

)(1

)(

1. Anwendung auf Elektrodynamik


Lösung: Erweiterung zur elektroschwachen Feldtheorie

• Einführung von elektroschwachen Feldern:– Isospin-Triplett W+,W-,W0

– Isospin-Singulett B0

– Linearkombination von W0 und B0 ergeben Felder Z0 und

• Kopplung an Felder mit 4 komponentigem Skalarfeld

43

21

2

1)(

i

ix


• für Higgsmechanismus relevanter Teil der Langrangefunktion:

mit

)(2

2

'

VBY

gWgTx

iL ii

422)( V

• analoges Verfahren:– spontane Symmetriebrechung für >0 und 2<0 – globale und lokale Eichung


Man erhält:

Massenterme für W+,W- und Z0

Higgsboson H = freier Parameter im SM

elektromagn. Eichfeld A bleibt ungebrochen

22Hm

2

2'2 ggmZ

2

gmW

0m

Vektorbosonen W+,W- und Z experimentell bestätigt.

Nur das Higgsboson fehlt noch!

GeV247


Teilchenbeschleuniger LHC(Large Hadron Collider)

• Proton-Proton Ringbeschleuniger

– 14 TeV Schwerpunktsenergie

– 27 km Tunnelumfang ca. 70-100m unter der Erde

– über 1200 supraleitende Magnete

– Luminosität L= 1034 cm-2 s-1 (vgl. TEVATRON L ~1031 cm-2 s-1 )

– 4 Experimente (ATLAS,CMS, ALICE, LHCb)

– Geplante Inbetriebnahme Ende 2007 (erste Planungen 1984)


Panoramabild CERN


• Supraleitende Dipolmagnete - 1232 Magnete - Magnetfeld: 8.33 Tesla - Betriebstemperatur: 1.9 K

• LHC Tunnel mit Beschleunigerelementen


LHC Experimente


CMS

Myonkammer

Kalorimeter ECAL

SupraleitendeSpule, 4 Tesla

Eisenjoch

TRACKER

Myon-endkappen

HCAL

Total weight 12500 tOverall diameter 15 mOverall length 21.6 m


Durchmesser 25 mLänge des zentralen Toroiden 26 mGesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 mGesamtgewicht 7000 t

Der ATLAS Detektor


Der ATLAS Detektor im Vergleich ….


Suche nach Higgs-Teilchen• Was wissen wir bis jetzt?

– Wird im SM gebraucht um Teilchenmassen zu erzeugen

– Keine Massenvorhersage aus Theorie, außer einer Obergrenze von mH <1 TeV

– mH >114 GeV aus direkten Messungen von LEP

– Indirekte Massenlimits aus Messung der elektroschwachen WW (LEP,TEVATRON, ...)

MH = 85 (+39) (-28) GeV

MH < 166 GeV (95 % CL)

Ergebnisse der elektroschwachen WW-Messungen (Stand, Juli 2006):


(i) Gluonfusion (ii) Vektorbosonfusion

(iii) „begleitende“ Produktion (W/Z, tt)

Higgsproduktion

gg H qqHqq

ggHttqqHZ_ -


WQ für Higgsproduktion


Higgszerfall

• Hohe Massen– Leptonendzustände

dominieren (H ww,zz)

• Niedrige Massen– Hadronische Endzustände

dominant, aber auch Zerfall in Lepton- und Photonendzustände (H

ww*,zz*, )


Detektion

Signalsignifikanz:

B

S

N

N S

NS= Zahl SignaleNB= Zahl Hintergrundsignale

NB Fehler der Hintergrundsignale für große Zahlen

S > 5 : Das Signal ist 5x größer als der Fehler des Hintergrunds. Wahrscheinlichkeit, dass das Hintergrundsignal mehr als 5variiert : 10-7 Entdeckung

Peakbreite

m

In Peak- region

• Wann kann man von einer Entdeckung sprechen?

Angenommen ein neues Teilchen X ist produziert worden:


H → ZZ(*) → ℓℓℓℓSignal: BR = 5.7 fb (mH = 100 GeV)

Hintergrund: Top-Produktion tt → Wb Wb → ℓ cℓ ℓ cℓ BR ≈ 1300 fb

begleitende Produktion Z bb

Z bb → ℓℓ cℓ cℓ Hintergrund-unterdrückung: Leptonen vom b-Quarkzerfall → nicht isoliert (nahe c-jet) → kommen nicht vom primären Vertex Dominanter Hintergrund nach Unterdrückung: ZZ Kontinuum

L = 100 fb-1

Entdeckungspotential für Massen von ~130 bis ~600 GeV/c2

Ekin(1,2) > 20 GeV Ekin (3,4) > 7 GeV

Isolierte Leptonen

M(ll) ~ MZ M(l‘l‘) ~ < Mz


H → → ℓℓℓℓ Simulation


H

mH 150 GeV

• x BR 50 fb (BR 10-3 )

anspruchsvollste Zerfallskanal für die elektromagn. Kalorimeter: Energie- und Winkelauflösung, Photoneffizienz, /jet und / 0 Trennung

• Hintergrund : - (nicht-reduzierbar): Bsp:

2 pb / GeV

j+ jj (reduzierbar):

j+jj ~ 106 man braucht starke Jet-Unterdrückung

und hohe Photoneffizienz damit j+jj <<

qq

qg

0q


CMS 100 fb-1

100 fb-1

ATLAS

Signal / Untergrund ~ 4%

Untergrund kann mit Hilfe von Seitenbänder unterdrückt werden Entdeckungspotential für Massen von 100 – 140 GeV

Zwei isolierte Photonen: Ekin(1) > 40 GeV Ekin(2) > 25 GeV

Massenauflösung für mH = 100 GeV:

ATLAS : 1.1 GeV (LAr-Pb)CMS : 0.6 GeV (Kristalle)

H


ATLAS

H → Simulation in ATLAS


Das gesamte Massenspektrum

vom LEP-Limit ~114 GeV bis zur

theoretischen Obergrenze von ~1 TeV

wird von diesen beiden Kanälen H → ZZ → ℓℓ ℓℓ und H → abgedeckt.

„Falls das Standard Model Higgs-Teilchen existiert, wird es am LHC entdeckt!”

Discovery p > 99.9999 %


Motivation: Erhöhung des Entdeckungspotetials bei niedriger Masse Verbesserung der Messung von Higgsparametern

(Masse, Kopplung zu Bosonen, Fermionen)

Charakterisitische Signatur:

- zwei vorwärts gerichtete Jets

- geringe Jet-Aktivität in Zentralregion

Jet

Jet

Jets Higgs Zerfall

Weitere Zerfallskanäle: Vectorboson Fusionqq H → qq WW → qq ℓ ℓ


Higgs Entdeckungspotential

• Komplette Massenspektrum wird schon nach wenigen Jahren abgedeckt sein

• Mehrere Zerfallskanäle sichtbar

• vergleichbare Situation für CMS Experiment


Literaturverzeichnis

• Byron P. Roe: Particle Physics at the New Millenium • Abraham Seiden: Particle Physics • CERN Summer Student Lectures

http://agenda.cern.ch/tools/SSLPdisplay.php?stdate=2006-07-03&nbweeks=7– Physics at Hadronic Colliders Jakobs, K (Universitaet Freiburg)– The Standard Model (6/8) Pich, A (IFIC, University of Valencia)

http://agenda.cern.ch/age?a062814

http://agenda.cern.ch/age?a062769

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