Die Suche nach dem

Die Suche nach dem Higgs-Boson

Ein Seminarvortrag von Timo Boße

im Rahmen des Seminars

Moderne Methoden und Experimente der Teilchen- und Astrophysik

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

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

Spontane Symmetriebrechung

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

hat

• Dies erreicht man durch den Ansatz

Für den Grundzustand gilt:

0  0



 ^{  2  2    4}

V



²

0 ,

2

0 











 

 v mit v

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



 















 



 







 

 ^

4 3

2 1

0 i

i

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



 2 mH

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 < m_H < 190 GeV – Für Λ ≈ 1 TeV: 50 GeV < m_H < 800 GeV Würde also leichteres Higgs gefunden, ließe das auf neue Physik jenseits der Planckmasse schliessen.

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 m_H=196 GeV an.

53

88^_33 H 

m

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 m_h < m_H



 



 _{Z A H W H}

h m m m m m

m

Verhältnis der Vakuumserwartungswerte:

 tan

1 2 v  v

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

GeV m

m_h( _A, tan  ) 130

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

Zerfälle m_H < 130 GeV

Zerfall Verzweigungsverhältnis (BR) bei m_H = 115 GeV

ca. 74 % ca. 7 % ca. 7 % ca. 4 %

b b H 

c c H 



  H

Außerdem noch Zerfälle mit Top-Schleifen:

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

WW 

H

Zerfälle m_H > 130 GeV

• Wobei unter Paarproduktionsschwelle:

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



 W

W H

0 0

Z Z

H 

VV *

H 

Suche an LEP

Vier Experimente: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL

Suche an LEP

∫L (pb) Schwerpunktsenergie (E_CM oder auch ) von 1996 – 2000 sukzessive

von 161 auf 209 gesteigert

s

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.

GeV s  206

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 (~

%), 85

75

(~  ^{ }

 bb   H

%) 3 , 3 (

%), 6

, 6 (

%), 20

(

%), 70

( ^{ }  ^{   }

 qq  e e     Z



 q q Z

Z e

e^{ }  ^{0 0} 

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 %

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:

– –

– e e Z ⁰Z⁰ WW e

e

q q e

e



















Suche an LEP: Higgs-Kandidaten

Die Top 20 der Higgs Kandidaten:

Suche an LEP: Higgs-Kandidaten

ALEPH 4-jet

E_CM=206,7 GeV m_h==114,3

Größte Signifikanz

Suche an LEP: Higgs-Kandidaten

Größte Signifikanz in einem nicht 4-jet- Kanal

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

rec

mH

• 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

TOT s

s

Suche an LEP: Likelihood (Experimente)

Suche an LEP:Likelihood (Gesamt)

Minimum bei m_H=115,6 GeV

Suche an LEP: Confidence Levels

1-CL_b: Wahrscheinlichkeit für Nur-Hintergrund-

Experiment einen Signal- ähnlicheren „likelihood“

zu erhalten

CL_s+b: Maß für die

Wahrscheinlichkeit der s+b-Hypothese

b b s

s CL

CL  CL ^

Definiere:

Suche an LEP: Confidence Level

Somit legt LEP2 das untere Massen- limit für das SM- Higgs-Boson auf 114,1 GeV.

Erwartet: 115,4

Suche an LEP: MSSM-Higgs

Ausschlußbereiche für m_h

Hadronische Beschleuniger: Higgs-Produktion

X H

p

p  

Viel mehr Untergrund als bei e⁺e^--Beschleunigern

Tevatron

Zwei Experimente suchen nach Higgs:

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 bei ECM=2,0 TeV

• Luminosität:

s cm

L~10³² / ² /

Tevatron: Nachweiskanäle

Low mass range: m_H= 90 – 130 GeV

1/1000

Signal/Hintergrund Andere 4 Jets -

Ereignisse

Hintergrund Bemerkungen Hintergrund

Kanal

 l b b HW

q

q   ^{Wbb, WZ, tt}



 b b HZ

q

q   ^{Zbb, Zcc, ZZ}

 , e l

l l b b HZ

q q





 ^{ }

Ebenfalls großer BR und viel Hintergrund

BR ~ 1/3 der vorherigen Kanäle, aber wenig

Hintergrund

Größter BR, dafür viel Hintergrund

Bemerkungen Kanal

t t b Zb ZZ, ,

q q b b HV

q

q  

Tevatron: Nachweiskanäle

High mass range: m_H= 130 – 190 GeV

–

Hintergrund:

Signal/Hintergrund:

–

Hintergrund:

Signal/Hintergrund:









 



 H W W l l

gg ^*







W , ZZ( ^*), WZ( ^*), tt, Z( ^*)   W

m_H [GeV] 140 150 160 170 180 190

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

X jj

l l V

VV HV

q

q   ^{* *}  ^{ } 

Vjj V

t t VVV t

t WW ZZ

WZ, , , , , ,

m_H [GeV] 140 150 160 170 180 190

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

Tevatron: Potential

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

LHC

TeV

s  14

LHC

Sucht nach Higgsmasse im Bereich:

Lumi: Am Anfang: 2•10³³ cm^-2 s^-1

Nach 2-3 Jahren: 10³⁴ cm-2 s-1

GeV

m

 80 ... 1000

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 Bemerkungen Hintergrund

Zerfall

LHC: Nachweiskanäle

b b H 



H 

l ZZ

H  ^*  4

l ZZ

H   4



ll ZZ

H  

jj l WW

H   

lljj ZZ

H  



 





e e Z

jet

jet jet

,

, ,





H t t WH

aus , Wjj ttZ

t t b Wb WZ

,

, , ,

b Zb b

WbW tt

ll ZZ

ZZ

, ,

*,



 

Low mass range

ZZ

t t

t

High mass range t

LHC: Entdeckungspotential

LHC sollte also SM-Higgs in diesem Massen- bereich nach ca.

2-3 Jahren ent- Decken können