Timo Boße 30.06.2003 1 Die Suche nach dem Higgs-Boson Ein Seminarvortrag von Timo Boße im Rahmen...
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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
Timo Boße 30.06.2003
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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
Timo Boße 30.06.2003
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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 %
Auswahleffizienz 40 %
Leptonen(e,μ):
BR ≈ 5 %
Auswahleffizienz 75 %
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:
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Suche an LEP: Higgs-Kandidaten
ALEPH4-jet
ECM=206,7 GeVmh==114,3
Größte Signifikanz
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Suche an LEP: Higgs-Kandidaten
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
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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