Die Suche nach dem Higgs-Boson

1. Die Suche nach demHiggs-Boson Ein Seminarvortrag von Timo Boßeim Rahmen des SeminarsModerne Methoden und Experimente der Teilchen- und Astrophysik

2. 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

3. 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

4. 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:

5. 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

6. 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

7. 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.

8. 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. Massenvoraussagen für SM-Higgs

9. 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: Verhältnis der Vakuumserwartungswerte:

10. 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

11. 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

12. Zerfälle mH < 130 GeV Außerdem noch Zerfälle mit Top-Schleifen:γγ/Zγ-Prozesse haben kleines BR, dafür aber wenig Untergrund, also klares Signal

13. Zerfälle mH > 130 GeV • Wobei unter Paarproduktionsschwelle: • Oberhalb der Schwelle: σ(HWW)/σ(HZZ) ≈ 2

14. Suche an LEP Vier Experimente: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL

15. Suche an LEP Schwerpunktsenergie (ECM oder auch ) von 1996 – 2000 sukzessive von 161 auf 209 gesteigert ∫L (pb)

16. 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.

17. 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 %

18. Suche an LEP: Nachweiskanäle Die 4 verschiedenen Endzustände:Verzweigungsverhältnisse für mH=115 GeV

19. 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:

20. Suche an LEP: Higgs-Kandidaten Die Top 20 der Higgs Kandidaten:

21. Suche an LEP: Higgs-Kandidaten ALEPH 4-jetECM=206,7 GeV mh==114,3Größte Signifikanz

22. Suche an LEP: Higgs-Kandidaten Größte Signifikanzin einemnicht 4-jet-Kanal

23. 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 • 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):

24. Suche an LEP: Likelihood (Experimente)

25. Suche an LEP:Likelihood (Gesamt) Minimum bei mH=115,6 GeV

26. 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 Definiere:

27. Suche an LEP: Confidence Level Somit legt LEP2das untere Massen-limit für das SM- Higgs-Boson auf114,1 GeV. Erwartet: 115,4

28. Suche an LEP: MSSM-Higgs Ausschlußbereiche für mh

29. Hadronische Beschleuniger: Higgs-Produktion Viel mehr Untergrund als bei e+e--Beschleunigern

30. Tevatron Zwei Experimente suchen nach Higgs:

31. Tevatron • Suche nach Higgsmassen von 90 – 190 GeV bei Schwerpunktsenergien ECMvon 1,8 – 2,0 TeV • Plot zeigt die Wirkungsquer-schnitte der jeweiligen Higgs-produktionsmechanismen beiECM=2,0 TeV • Luminosität:

32. Kanal Kanal Hintergrund Bemerkungen Bemerkungen Größter BR, dafür viel Hintergrund Ebenfalls großer BR und viel Hintergrund BR ~ 1/3 der vorherigen Kanäle, aber wenig Hintergrund Tevatron: Nachweiskanäle Low mass range: mH= 90 – 130 GeV Hintergrund Andere 4 Jets - Ereignisse 1/1000 Signal/Hintergrund

33. Tevatron: Nachweiskanäle High mass range: mH= 130 – 190 GeV • Hintergrund:Signal/Hintergrund: • Hintergrund:Signal/Hintergrund:

34. Tevatron: Potential Benötigte ∫L für Ausschluß, Beiweis und Entdeckung eines SM-Higgs am Tevatron

35. LHC

36. LHC Sucht nach Higgsmasse im Bereich:Lumi: Am Anfang:2•1033cm-2 s-1 Nach 2-3 Jahren: 1034cm-2 s-1

37. LHC: Nachweiskanäle Zerfall Hintergrund Bemerkungen Sauberer Kanal, da Hintergrund größtenteils reduzibel, kleines BR u.a. Großes BR, aber viel Hintergrund, erfordert sehr gutes b-tagging Low mass range Relativ sauberer Kanal Guter Kanal von 200 – 700 GeV, da Hintergrund klein und gut zu reduzieren ,WZ, WW, Z + jets (red.) ZZ (irred.) Gute fehlende Energie Messung erforderlich High mass range W + jets, WW, Gute Energiemessung und jet-Identifikation nötig

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