Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC

1. Suche nach dem Higgs-Teilchen am LHC Fred Uhlig Betreuer: Prof. Dr. K.Rith Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2006/2007 29.01.2007

2. Inhalt • Higgs-Mechanismus • Teilchenbeschleuniger LHC • Suche nach Higgs-Teilchen • Bisherige Erkenntnisse • Produktion und Zerfall • Detektion

3. 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

4. Der Higgs Mechanismus, eine Analogie: Higgs-Hintergrundfeld erfüllt den Raum Ein Teilchen im Higgs-Feld... ... Widerstand gegen Bewegung ... Trägheit  Masse

5. Theoretische Vorhersage SM muss modifiziert werden Zwei Werkzeuge: • spontane Symmetriebrechung • Eichtheorie

6. Spontane Symmetriebrechung • Betrachte reelles, selbstwechselwirkendes Skalarfeld F mit einer Lagrangefunktion der Form: L = (∂aF∂aF) - m2|F|2 - l|F|4 wobei Terme mit F2 = Masseterm F4 = WW-Term Aus L erhält man ein Potential V = m2|F|2 + l|F|4Higgspotential - für l>0 und m2<0 gibt es zwei mögl.  System entscheidet sich für einen Symmetrie wird gebrochen! Grundzustände , mit

7. nächster Schritt: Einführung von komplexen Skalarfeld F =(1/2)(F1+iF2) und entwickeln der Lagrangefkt um Minimum durch Vergleich mit ursprüngl. Lagrangefunktion erhält man F1 Teilchen der Masse Higgsboson F2  masselosesTeilchen Goldstoneboson

8. Eichtheorien • Ziel: Invarianz von Theorie unter globaler bzw. lokaler Phasentransformation • globale Phasentransformation F  eiq0F, für komplexes Skalarfeld bereits erfüllt • lokale Phasentransformation  Theorie wird renormalisierbar, d.h. es treten keine Divergenzen mehr auf

9. Kombination von spontaner Symmetriebrechung und Eichtheorien 1. Anwendung auf Elektrodynamik • man erhält analog ein Higgsboson und ein Goldstoneboson durch spontane Symmetriebrechung • aber Forderung von Invarianz unter lokaler Phasentransformation von F und Eichfeld Am mittels und führt zu massereichem Eichfeld Am.  Photon nicht mehr masselos!

10. 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 g • Kopplung an Felder mit 4 komponentigem Skalarfeld

11. für Higgsmechanismus relevanter Teil der Langrangefunktion: mit • analoges Verfahren: • spontane Symmetriebrechung für l>0 und m2<0 • globale und lokale Eichung

12. Man erhält:  Massenterme für W+,W- und Z0  Higgsboson H l= freier Parameter im SM  elektromagn. Eichfeld Am bleibt ungebrochen  Vektorbosonen W+,W- undZ experimentell bestätigt. Nur das Higgsboson fehlt noch!

13. 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)

14. Panoramabild CERN

15. Supraleitende Dipolmagnete • - 1232 Magnete • - Magnetfeld: 8.33 Tesla • - Betriebstemperatur: 1.9 K • LHC Tunnel mit Beschleunigerelementen

16. LHC Experimente

17. CMS Kalorimeter Supraleitende Spule, 4 Tesla ECAL HCAL Eisenjoch TRACKER Myon- endkappen Total weight 12500 t Overall diameter 15 m Overall length 21.6 m Myonkammer

18. Der ATLAS Detektor Durchmesser 25 m Länge des zentralen Toroiden 26 m Gesamte Länge (incl. Myonkammern) 46 m Gesamtgewicht 7000 t

19. Der ATLAS Detektor im Vergleich ….

20. 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, ...) Ergebnisse der elektroschwachen WW-Messungen (Stand, Juli 2006): MH = 85 (+39) (-28) GeV MH < 166 GeV (95 % CL)

21. Higgsproduktion (i) Gluonfusion (ii) Vektorbosonfusion gg  H qqHqq (iii) „begleitende“ Produktion (W/Z, tt) _ - qqHZ ggHtt

22. WQ für Higgsproduktion

23. Higgszerfall • Hohe Massen • Leptonendzustände dominieren (H ww,zz) • Niedrige Massen • Hadronische Endzustände dominant, aber auch Zerfall in Lepton- und Photonendzustände (H ww*,zz*, )

24. Peakbreite mgg Detektion • Wann kann man von einer Entdeckung sprechen? Angenommen ein neues Teilchen X  ist produziert worden: Signalsignifikanz: In Peak- region NS= Zahl Signale NB= 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 5s variiert : 10-7  Entdeckung

25. H → ZZ(*) → ℓℓℓℓ Signal:s BR = 5.7 fb (mH = 100 GeV) Hintergrund: Top-Produktion tt → Wb Wb → ℓn cℓnℓn cℓn s BR ≈ 1300 fb begleitende Produktion Z bb Z bb → ℓℓcℓn cℓn Hintergrund- unterdrückung: Leptonen vom b-Quarkzerfall → nicht isoliert (nahe c-jet) → kommen nicht vom primären Vertex Dominanter Hintergrund nach Unterdrückung: ZZ Kontinuum Ekin(1,2) > 20 GeV Ekin (3,4) > 7 GeV Isolierte Leptonen M(ll) ~ MZ M(l‘l‘) ~ < Mz L = 100 fb-1 Entdeckungspotential für Massen von ~130 bis ~600 GeV/c2

26. H → ZZ → ℓℓℓℓ Simulation

27. g g q g q g q g g g g q p0 H  gg mH  150 GeV •  x BR 50 fb (BR  10-3 ) • Hintergrund : - gg (nicht-reduzierbar): Bsp: • sgg  2 pb / GeV • - gj+ jj (reduzierbar): • sgj+jj ~ 106sgg man braucht starke Jet-Unterdrückung • und hohe Photoneffizienz damitsgj+jj << sgg • anspruchsvollste Zerfallskanal für die elektromagn. Kalorimeter: Energie- und Winkelauflösung, Photoneffizienz, g/jet undg / p0 Trennung

28. CMS 100 fb-1 H  gg Zwei isolierte Photonen: Ekin(g1) > 40 GeV Ekin(g2) > 25 GeV ATLAS 100 fb-1 Massenauflösung für mH = 100 GeV: ATLAS : 1.1 GeV (LAr-Pb) CMS : 0.6 GeV (Kristalle) Signal / Untergrund ~ 4% Untergrund kann mit Hilfe von Seitenbänder unterdrückt werden Entdeckungspotential für Massen von 100 – 140 GeV

29. ATLAS H → gg Simulation in ATLAS

30. „Falls das Standard Model Higgs-Teilchen existiert, wird es am LHC entdeckt!” 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 → ggabgedeckt. Discovery p > 99.9999 %

31. Higgs Zerfall Jets Jet f h Jet Weitere Zerfallskanäle: Vectorboson Fusionqq H → qq WW → qq ℓ ℓ 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

32. Higgs Entdeckungspotential • Komplette Massenspektrum • wird schon nach wenigen Jahren • abgedeckt sein • Mehrere Zerfallskanäle sichtbar • vergleichbare Situation für • CMS Experiment

33. 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 CollidersJakobs, K (Universitaet Freiburg) • The Standard Model (6/8)Pich, A (IFIC, University of Valencia)