Von der Entdeckung des Higgs-Teilchens zur Suche nach Dunkler Materie

Von der Entdeckung des Higgs-Teilchens zur Suche nach Dunkler Materie

-10 Jahre Physik am LHC-

Prof. Karl Jakobs

Physikalisches Institut

Universität Freiburg

4. Juli 2012

3

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Die Entdeckung des Higgs-Bosons

[GeV]

m

100 150 200 250

Events/5 GeV

0 5 10 15 20 25

Ldt = 4.8 fb-1

= 7 TeV:

∫

s

Ldt = 5.8 fb-1

= 8 TeV:

∫

s

4l

(*)→ ZZ H→ Data

Background ZZ(*)

t Background Z+jets, t

=125 GeV) Signal (mH

Syst.Unc.

ATLAS

http://www.scholarpedia.org/article/The_Higgs_Boson_discovery

80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 [GeV]

m

20 0 40 60 100 80 120 140 160 180 200 220 240

Events/2.5 GeV

Data

= 125 GeV) Higgs (mH

ZZ*

tXX, VVV t Z+jets, t Uncertainty

ATLAS Preliminary

4l ZZ* → H →

13 TeV, 139 fb-1

[GeV]

m

100 150 200 250

Events/5 GeV

0 5 10 15 20 25

Ldt = 4.8 fb-1

= 7 TeV:

∫

s

Ldt = 5.8 fb-1

= 8 TeV:

∫

s

4l

(*)→ ZZ H→ Data

Background ZZ(*)

t Background Z+jets, t

=125 GeV) Signal (mH

Syst.Unc.

ATLAS

Juli 2012 Juli 2019

~ 8 Ereignisse 207 Ereignisse

(nach Untergrundsubtraktion)

5

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

•   Das Standardmodell der Teilchenphysik

•   Datennahme am LHC

•   Wichtige Ergebnisse

- Vermessung von Standardmodellprozessen - Was wissen wir heute über das Higgs-Boson?

- Suche nach “Neuer Physik” (jenseits der Standardtheorie) •   Pläne für den Ausbau zum High Luminosity LHC

Von der Entdeckung des Higgs-Teilchens zur Suche nach Dunkler Materie

-10 Jahre Physik am LHC-

Das Standardmodell der Teilchenphysik

(i) Bausteine der Materie: Quarks und Leptonen (Spin-½ Fermionen)

(ii) Vier fundamentale Kräfte, beschrieben durch Quantenfeldtheorien (außer Gravitation) à masselose Spin-1 Eichbosonen

(iii) Das Higgs-Feld: à skalares Feld, Spin-0 Higgs-Boson

γ

m

≈ 80.4 GeV

m

≈ 91.2 GeV

7

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Der Brout-Englert-Higgs Mechanismus

F. Englert und R. Brout. Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321;

P.W. Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508;

G.S. Guralnik, C.R. Hagen, und T.W.B. Kibble. Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585.

Der Brout-Englert-Higgs Mechanismus

Für λ > 0, µ

< 0:

“Spontane Symmetriebrechung”

Komplexes skalares (Spin 0) Feld φ mit Potential:

V( φ ₎ = µ ² ₍ φ _* φ ₎ + λ ₍ φ _* φ ₎ ²

w

H

+

w

i m g

f

H

f

-i _ _ ^g ₂ ^m _m _

w

•   Wechselwirkungsstärke mit dem Higgs-Feld ist proportional zur Masse der Teilchen

•   Higgs-Boson zerfällt bevorzugt in die schwersten Teilchen

•   Masse des Higgs-Bosons wird nicht vorhergesagt, jedoch m

< 1000 GeV

Für Experten

9

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Zerfälle des Higgs-Teilchens

W

, Z, t, b, c,, ττ,..., g, γγ

W

, Z, t, b, c,, ττ ,..., g, γγ

H

Γ (H → ff ) = N

G

4 2 π ^m

2

(M

)M

Γ (H → VV) = δ

^G

16 2 π ^M

3

(1 − 4x + 12x

) β

where: δ

= 1, δ

= 2, x = M

/ M

, β = velocity

Γ (H → gg) = G

α

_(M

₎ 36 2 π

^M

3

1 + 95

4 − 7N

6

$

% & ' ( ) α

π

*

+ , -

. / Γ (H → γγ ₎ = G

α

128 2 π

^M

3

4

3 N

e

− 7

* +,

- ./

2

Zerfallsraten in die verschiedenen Teilchen können berechnet werden:

Lebensdauer: ~10 ^-22 s

Für Experten

Die Offenen Fragen

11

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Wichtige offene Fragen der Physik

1. Masse

Was ist der Ursprung der Masse?

Existiert das Higgs Teilchen?

2. Vereinheitlichung

- Können die Wechselwirkungen vereinheitlicht werden?

- Gibt es neue Materiezustände,

z.B. in Form von supersymmetrischen Teilchen?

Stellen diese die Dunkle Materie im Universum dar?

3. Generationenproblem

- Warum gibt es drei Familien von Teilchen?

- Was ist die Ursache der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie?

4. Gibt es zusätzliche Raumdimensionen?

13

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

13

CMS

ALICE

LHCb

ATLAS

Der Large Hadron Collider (LHC)

Das ATLAS-Experiment

Durchmesser: 25 m Gesamtlänge: 46 m Gesamtgewicht: 7000 t

- ~120 Mio. Auslesekanäle, aufnahmebereit alle 25 ns

-   40 Mio. Ereignisse pro Sekunde

-   1500 Ereignisse pro Sekunde selektiert

à Speichermedien

15

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ATLAS Installation

Oktober 2005 Januar 2007

~ 2.900 Autoren

~ 1.200 Doktorand/inn/en

Erste pp-Kollisionen im Nov. 2009

19

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

30. März 2010: Kollisionen bei den bis dahin

höchsten Energien von 7 TeV

Since 30. March 2010: collisions at 7 TeV (.... first interesting results appeared soon)

-   High energy jets

(scattered quarks, gluons)

- Energy: ~0.5 TeV

21

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2010: Well known resonances appeared “online”

•  Run 1: 2010 – 2012 √s = 7 / 8 TeV L

= 28 fb

vom LHC geliefert Run 2: 2015 – 2018 √s = 13 TeV L

= 156 fb

vom LHC geliefert

•   Ausgezeichnete Leistungsfähigkeit des Beschleunigers;

Das Ziel von 150 fb

(in Run 1 + Run 2) wurde klar erreicht

Datennahme am LHC

23

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Datennahme am LHC (cont.)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Mean Number of Interactions per Crossing 0

100 200 300 400 500

-1 /0.1]Recorded Luminosity [pb 600

Online, 13 TeV

ATLAS

∫

> = 13.4 2015: <µ

> = 25.1 2016: <µ

> = 37.8 2017: <µ

> = 36.1 2018: <µ

> = 33.7 Total: <µ

2/19 calibration

100 MeV threshold

1 GeV threshold

5 GeV threshold

Z→ 𝜇𝜇𝜇𝜇 Kandidat mit 65 zusätzlichen rekonstruierten

Wechselwirkungspunkten!

Datennahme in Run 2

In Run 2 (2015 – 2018):

Geliefert: 156 fb

Aufgezeichnet: 147 fb

(Effizienz 94.2%)

Gut für Analyse: 139 fb

(Effizienz 94.6% à hohe Leistungs- fähigkeit der Detektoren)

pp

Ausgezeichnete Leistungsfähigkeit der Experimente ATLAS und CMS

25

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Di-jet event with the highest di-jet invariant mass of m

= 8.02 TeV recorded during 2016

Doppelt-differentielle Wirkungsquerschnitte zur Jet-Produktion, in Abhängigkeit von p _T und der Rapidität y (Daten aus 2010)

Data werden gut durch NLO QCD-Vorhersagen (NLOJet++) beschrieben

(innerhalb der exp. und theo. Unsicherheiten)

Führende Ordnung

…einige Beiträge der nächst-führenden (NLO) Ordnung

27

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Double differential jet production cross sections, as a function of p _T and rapidity y (full 2015 data set, √s = 13 TeV)

•   Also at the highest energies explored so far, the data are well described by NLO perturbative QCD calculations (NLOJet++)

•   Latest comparisons to NNLO predictions (NNLOJet)

à improved agreement

[GeV]

p

10

10

[pb/GeV]y d

p /d σ

d

21

10− 18

10− 15

10− 12

10− 9

10− 6

10− 3

10−

1 103

106

109

1012

ATLAS fb-1

3.2

-1 - nb 81 = 13 TeV, s

=0.4

tR anti-k

uncertainties Systematic

EW corr.

Non-pert. corr. × × NLOJET++ (CT14 PDF)

0) 10

| < 0.5 (× y|

-3) 10

| < 1.0 (× y | 0.5 ≤

-6) 10

| < 1.5 (× y | 1.0 ≤

-9) 10

| < 2.0 (× y | 1.5 ≤

-12) 10

| < 2.5 (× y | 2.0 ≤

-15) 10

| < 3.0 (× y | 2.5 ≤

JHEP 05 (2018) 195

Search for new phenomena in di-jet events

•   Publication on 2015+2016 data: 37.0 fb

at √s = 13 TeV

•   95% CL exclusion limits: Excited quarks m

> 6.0 TeV (5.8 TeV exp.)*

Add. gauge bosons: m

> 3.6 TeV (3.7 TeV exp.) Quantum Black Holes: m

> 8.9 TeV (8.9 TeV exp.) Contact Interactions: Λ > 13.1 TeV (η

= +1)

Λ > 21.8 TeV (η

= -1)

*pre-LHC limit on excited quarks from the Tevatron: 0.87 TeV

Phys. Rev. D96 (2017) 052004

29

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Search for new phenomena in di-jet events

•   Prel. result based on complete Run-2 (2015-2018) dataset: 139 fb

at √s = 13 TeV

•   95% CL exclusion limits: Excited quarks 36 fb

m

> 6.0 TeV (5.8 TeV exp.) 139 fb

m

> 6.7 TeV (6.4 TeV exp.)

ATLAS-CONF-2019-007

pp

total (2x) inelastic

Jets

dijets incl

pT>125 GeV

nj≥3 pT>25 GeV

nj≥1

nj≥2

pT>100 GeV

W

nj≥2

nj≥³

nj≥5 nj≥1

nj≥6

nj≥7 nj≥4 nj≥0

Z

nj≥0

nj≥7 nj≥6 nj≥4 nj≥3 nj≥2 nj≥¹

nj≥5

t¯t

total

nj≥⁶ nj≥5 nj≥⁴

nj≥7

nj≥8

t tot.

tZj Wt t-chan

s-chan

VV tot.

WW WZ ZZ

WW WZ ZZ

WW WZ ZZ

H

VH H!bb

total

ggF H!WW

H!ZZ!4`

VBF H!WW

H!γγ H!⌧⌧

WV V

Zγ Wγ

t¯tW tot.

t¯tZ tot.

t¯tH tot.

t¯t Vjj

EWK Zjj

Wjj

WW

Excl.

tot.Z W

WW Z jj

VVjj

EWK W^±W^±

10

10

10

1 10

10

10

10

10

10

10

σ [pb]

Status: March 2019

ATLAS Preliminary Run 1,2

p

s

TeV

Theory LHC pp p

s= 5TeV Data 0.025fb⁻¹ LHC pp p

s= 7TeV Data 4.5−4.9fb⁻¹ LHC pp p

s= 8TeV Data 20.2−20.3fb⁻¹ LHC pp p

s= 13TeV Data 3.2−79.8fb⁻¹

Standard Model Production Cross Section Measurements

Gewaltige Fortschritte auf theoretischer Seite: (N)NLO QCD und el.schwache Korrekturen

LHC für Theoretiker: “Long and Hard Calculations”

31

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

TeV ] [ s

4 6 8 10 12 14

[pb] Total production cross section

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

→ X

pp Pythia8 (LO)

W

pp → ^NNLO

* /

γ

→ Z

pp ^NNLO

t t pp →

NNLO+NNLL

→ tq

pp ^NLO+NNLL

H

pp → ^{LO ggF)}

LHC-XS (N3

→ WW pp × 0.1

NNLO

→ WZ pp× 0.1

NNLO

→ ZZ pp× 0.1

NNLO

→X pp

, Nat. Commun. 2, 463 (2011) b-1

7 TeV, 20 µ

, Phys.Lett. B761 158 (2016) b-1

8 TeV, 500 µ

, Phys. Rev. Lett. 117 182002 (2016) b-1

13 TeV, 60 µ

→W pp

, Eur. Phys. J. C79 (2019) 128 (for Z/W) 5 TeV, 25 pb-1

, Eur. Phys. J. C77 (2017) 367 (for Z/W) 7 TeV, 4.6 fb-1

, JHEP 02, 117 (2017) (for Z) 8 TeV, 20.2 fb-1

, PLB 759 (2016) 601 (for W) 13 TeV, 81 pb-1

, JHEP 02, 117 (2017) (for Z) 13 TeV, 3.2 fb-1

* /γ

→Z pp

t

→t pp

, Eur. Phys. J. C 74:3109 (2014) 7 TeV, 4.6 fb-1

, Eur. Phys. J. C 74:3109 (2014) 8 TeV, 20.3 fb-1

, Phys. Lett. B 761 (2016) 13 TeV, 3.2 fb-1

→tq pp

, PRD 90, 112006 (2014) 7 TeV, 4.6 fb-1

, Eur. Phys. J. C 77 (2017) 531 8 TeV, 20.3 fb-1

, JHEP 1704 (2017) 086 13 TeV, 3.2 fb-1

→H pp

, Eur. Phys. J. C76 (2016) 6 7 TeV, 4.5 fb-1

, Eur. Phys. J. C76 (2016) 6 8 TeV, 20.3 fb-1

, Phys. Lett. B 786 (2018) 114 13 TeV, 36.1 fb-1

→WW pp

, PRD 87, 112001 (2013) 7 TeV, 4.6 fb-1

, JHEP 09 029 (2016) 8 TeV, 20.3 fb-1

, Phys. Lett. B 773 (2017) 354 13 TeV, 3.2 fb-1

→WZ pp

, Eur. Phys. J. C (2012) 72:2173 7 TeV, 4.6 fb-1

, PRD 93, 092004 (2016) 8 TeV, 20.3 fb-1

, arXiv:1902.05759 13 TeV, 36.1 fb-1

→ZZ pp

, JHEP 03, 128 (2013) 7 TeV, 4.6 fb-1

, JHEP 01, 099 (2017) 8 TeV, 20.3 fb-1

, Phys. Rev. D 97 (2018) 032005 13 TeV, 36.1 fb-1

Preliminary ATLAS

Theory

Measurement

Vektorboson-Streuprozesse

EW same-charge WW+jj 6.9σ (4.6σ) obs (exp) ATLAS-CONF-2018-030

EW WZ+jj production 5.6σ (3.3σ) obs (exp)

ATLAS-CONF-2018-033

Was wissen wir heute über das Higgs-Boson?

80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 [GeV]

m

20 0 40 60 100 80 120 140 160 180 200 220 240

Events/2.5 GeV

Data

= 125 GeV) Higgs (mH

ZZ*

tXX, VVV t Z+jets, t Uncertainty

ATLAS Preliminary

4l ZZ* → H →

13 TeV, 139 fb-1

Ergebnisse der Suche nach H à γγ und H à ZZ* à 4ℓ bei 13 TeV

•   Beeindruckende Signale in diesen Zerfallskanälen (gute Massenauflösung)

(Daten bei 13 TeV, 2015 – 2017 bzw. 2015 – 2018)

•   Beobachtung mit einer Signifikanz von > 5σ in beiden Kanälen

ATLAS-CONF-2018-028 ATLAS-CONF-2019-025

500 1000 1500

Sum of Weights / 1.0 GeV

Data

Signal + background Continuum background

Preliminary ATLAS

1

= 13 TeV, 79.8 fb−

s

= 125.09 GeV mH

ln(1+S/B) weighted sum, S = Inclusive

110 120 130 140 150 160

[GeV]

γ

mγ

20

− 0 20 40 60

Data - Cont. Bkg

35

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

10 20

Sum of Weights / 1.0 GeV

Data

Signal + background Total background Continuum background

Preliminary ATLAS

1 = 13 TeV, 79.8 fb− s

= 125.09 GeV mH

ln(1+S/B) weighted sum, S = H + top

110 120 130 140 150 160

[GeV]

γ

mγ

0 5 10

Data - Cont. Bkg

20 40

Sum of Weights / 1.0 GeV

Data

Signal + background Total background Continuum background

Preliminary ATLAS

1 = 13 TeV, 79.8 fb− s

= 125.09 GeV mH

ln(1+S/B) weighted sum, S = VH

110 120 130 140 150 160

[GeV]

γ

mγ

−2 0 2 4

Data - Cont. Bkg

20 40 60 80

Sum of Weights / 1.0 GeV

Data

Signal + background Total background Continuum background

Preliminary ATLAS

1 = 13 TeV, 79.8 fb− s

= 125.09 GeV mH

ln(1+S/B) weighted sum, S = VBF

110 120 130 140 150 160

[GeV]

γ

mγ

−5 0 5 10

Data - Cont. Bkg

500 1000

Sum of Weights / 1.0 GeV

Data

Signal + background Total background Continuum background

Preliminary ATLAS

1 = 13 TeV, 79.8 fb− s

= 125.09 GeV mH

ln(1+S/B) weighted sum, S = ggF

110 120 130 140 150 160

[GeV]

γ

mγ

0 20

Data - Cont. Bkg

H à γγ Signale für verschiedene Produktionsprozesse

a)   untagged categories (expected to be dominated by gluon fusion)

b)   VBF categories

(tag-jet configuration, Δη, m

)

c) VH categories

(one-lepton, E

, low-mass di-jets)

d)   ttH categories (lepton, jets, b-jet(s))

ATLAS-CONF-2018-028

a)

d) c)

b)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Events / 10 GeV

Data Uncertainty HggF H_VBF

/Wt

tt WW

γ*

Z/ Mis-Id VV

ATLAS

1

≤ Njet

, ν µ eν WW*→ H→

= 13 TeV, 36.1 fb-1

s

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 [GeV]

mT

0 100 200 300

Data-Bkg.

H à WW* à ℓ ν ℓ ν

•   Sehr signifikante Signale in den Verteilungen

ATLAS: Gluon-Fusion 6.3σ (5.2σ erw.) CMS: total 9.1σ (7.1σ erw.)

•   Großes Verzweigungsverhältnis, allerdings auch großer Untergrund (kein Massen-peak rekonstruierbar, wegen Neutrinos im Endzustand)

•   à Transversale Masse M

, Invariante Masse der beiden Leptonen m

)

ggF: 6.3 σ (exp: 5.2σ)

Phys. Lett. B789 (2019) 508

VBF-tagged

Phys. Lett. B791 (2019) 96

37

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Wechselwirkung mit Fermionen?

Suche nach H à ττ und H à bb Zerfällen, sowie nach ttH-Produktion

Couplings to quarks and leptons ?

•   Search for H à ττ and H à bb decays;

•   Challenging signatures due to jets (bb decays) or significant fraction of hadronic tau decays

•   Vector boson fusion mode essential for H à ττ decays

•   Associated production WH, ZH modes have to be used for H à bb decays

•   Exploitation of multivariate analyses

[GeV]

mMMC

0 50 100 150 200 250

Events / 10 GeV

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Data τ τ (125)→ H

τ τ Z→ Others Fake τ Uncert.

had VBF eτ

had + τ

µ ATLAS Preliminary

= 8 TeV

s Signal Region

L dt = 20.3 fb-1

∫

Z

39

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

2018: Beobachtung des Zerfalls H à bb

•   Größte Verzweigungsverhältnis (BR~58%)

•   Suche über assoziierte Produktion VH, H à bb (V=W/Z)

•   Kombination der Z und W Endzustände (2 Leptonen (Z→ℓℓ), 1 Lepton (W→ℓv), und 0 Lepton (Z→vv) )

Kombination mit ATLAS Run-1-Ergebnissen à 5.4σ σ beobachtet (5.5σ σ erwartet)

Phys. Lett. B786 (2018) 59

µ = σ

/ σ

Phys. Lett. B786 (2018) 59

Suche nach der ttH-Produktion

t

b

W⁺

νℓ

ℓ⁺

¯t

b¯ W⁻

q

¯ q H

τ⁺

τ⁻

ℓ⁺ ν_ℓ

¯ ντ

ντ

τ_h g

g t

b

W⁺

ν_ℓ

ℓ⁺

¯t

¯b W⁻

ℓ⁻

¯ ν_ℓ H

W⁺

W⁻ ν_ℓ

ℓ⁺

ℓ−

¯ ν_ℓ g

g

t

b

W⁺

νℓ

ℓ⁺

¯t

¯b W⁻

q

¯ q

H Z

Z

ℓ−

ℓ⁺

q

¯ q g

g

γ

γ

•   Direkter Zugang zur Yukawa-Kopplung des Top-Quarks

•   Zahlreiche Zerfälle werden betrachtet: Endzustände mit Leptonen, Jets, b-Jets und Photonen

H à bb H à WW* H à τ τ H à ZZ H à γ γ

Multi-Lepton Kanäle (ML)

41

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Phys. Lett. B784 (2018) 173

-   Kombination aller Zerfallskanäle à à

Beobachtung der ttH Produktion in beiden Experimenten (2018)

-   Gemessene Produktionsraten konsistent mit den SM Erwartungen

2018: Beobachtung der ttH-Produktion

CMS:

(Kombination von Run-1 und Run-2 Daten)

µ = 1.26 ± 0.26

Signifikanz: 5.2σ (beob), 4.2σ (erw.)

Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 231801

Hinzunahme der 2018 Daten für H à γγ

arXiv:1806.00425

Higgs-Signal (γγ-Resonanz) in der ttH-Produktion

•   Signifikanz: 4.9σ (4.2σ erw.)

•   Signalstärke konsistent mit SM-Erwartung:

43

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Kopplungen an leichtere Fermionen? H à µµ?

Signalstärke: µ = 0.5 ± 0.7

ATLAS-CONF-2019-028

Higgs-Boson-Kopplungsstärken

Einführung von Skalenfaktoren κ (coupling modifier) für die Stärke der Wechselwirkung des Higgs-

Teilchens mit den SM-Teilchen

Standardtheorie: κ

= 1.00

45

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Higgs-Boson-Kopplungsstärken

Bislang stimmen alle gemessenen Eigenschaften des Higgs-Bosons mit den Vorhersagen der Theorie überein (innerhalb der Unsicherheiten)

Zukunft: Reduzierung der Unsicherheiten, seltene Zerfälle, Higgs-Boson Selbstkopplung

vVm Vκ or vFm Fκ

4

10− 3

10− 2

10− 1

10−

1 ATLAS Preliminary

1

= 13 TeV, 24.5 - 79.8 fb−

s

= 72%

pSM

| < 2.5, yH

= 125.09 GeV, | mH

µ

τ b

W Z t SM Higgs boson

Particle mass [GeV]

1

10− 1 10 10²

Vκ or Fκ

0.70.80.91.11 1.21.3

Incl. Run-2 Daten (teilweise)

© Hitoshi Murayama, IPMU Tokyo & Berkeley

Suche nach Physik jenseits des Standardmodells

Jedem Teilchen wird ein supersymmetrisches Partnerteilchen zugeordnet

Symmetrie: Materieteilchen ↔ Austauschteilchen

Supersymmetrie (SUSY)

-Eine viel diskutierte Erweiterung der Standardtheorie-

•   Supersymmetrische Teilchen zerfallen in vielen Modellen in das Leichteste SUSY Teilchen (LSP);

Dieses ist stabil und wechselwirkt nur schwach à Kandidat für die “Dunkle Materie”

•   Vereinheitlichung der Kräfte scheint in einer supersymmetrischen Theorie möglich zu sein

•   Kompensation von quadratisch divergenten Quantenkorrekturen

Motivation für Supersymmetrie

χ

49

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Die Suche nach Supersymmetrie am LHC

•   Die Partnerteilchen der Quarks und Gluonen, die sog. Squarks und Gluinos , können am LHC in hohen Raten erzeugt werden

•   Sie zerfallen in Kaskaden in das leichteste SUSY-Teilchen

•   Dieses verlässt den Detektor ohne Wechselwirkung

⇒ Signatur: Fehlende transversale Energie

(senkrecht zur Strahlachse)

q

p p

g

q

LSP LSP

Standard Prozesse

Beispiel für ein SUSY-Modell

Fehlende Energie (GeV)

Ergebnisse zur Suche nach Supersymmetrie (2015 – 2016)

•   Beispiel: Suche nach der Produktion von Squarks und Gluinos

•   Daten stimmen mit den Erwartungen aus Prozessen der Standardtheorie gut überein

˜ q

˜ p q

p

˜⁰₁ q

˜⁰₁ q

˜ g

˜ g p

p

˜

q

q

˜

q q

Events / 200 GeV

1 10 102

103

104 ATLAS

=13 TeV, 36.1 fb-1

s

Meff-4j-2200

Data 2015 and 2016 SM Total

W+jets

(+EW) & single top tt

Z+jets Diboson Multi-jet direct, g~

g~

)=(1800, 800)

01

χ∼ , g~

m(

(incl.) [GeV]

meff

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Data / MC ₀^0.5

1 1.5 2

m_eff = skalare Summe der Impulse aller Jets im Endzustand

51

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Kein Überschuss à Ausschlussgrenzen auf die Massen der SUSY-Teilchen

m(gluino) > ~2.0 TeV (95% CL) für leichte LSPs (χ

)

Ausschlussgrenzen für Squarks der ersten und zweiten Generation vergleichbar

Allerdings:

-   Ausgeschlossener Massenbereich hängt von m

(LSP) ab -   Bislang nur einfache Zerfallskaskaden untersucht

-   Schwächere Ausschlussgrenzen für Partnerteilchen der 3. Generation (Top-Partner)

˜ g

˜ g p

p

˜

q

q

˜

q q

Ergebnisse zur Suche nach Supersymmetrie (2015 – 2016)

53

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Suche nach Resonanzen in Zwei-Lepton-Endzuständen

(zusätzliche Eichbosonen)

Daten sind in Übereinstimmung mit Erwartungen aus Untergrund von Standardmodellprozessen

à m(Z’) (Sequential SM) > 5.1 TeV (95% C.L.)

Summary of Results on Searches for other BSM physics

55

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Die nächsten Schritte

We are here!

High-luminosity und

Phase-II Detektorausbau

57

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

© P. Ferreira da Silva at Moriond EW, 2016 !

Year

]

Total Integrated Luminosity [fb

0 1 2 3 4

5 ATLAS Online Luminosity ^{s = 13 TeV}

Total Delivered: 100 fb

2015 2019 2023 2035

0 500 1000 1500 2000 2500

We are here

We will be going here Possibly up to 4 ab

2027 2031

Run-3!

Run-4!

Run-5!

HL-LHC!

3000

ered: 29.3 fbrded: 27.1 fb-1-1

Run-2!

Linst

R Lper year Configuration [10³⁴cm ²s ¹] hµi [fb ¹]

Baseline 5 140 250

Ultimate 7.5 200 >300

HL-LHC:

Erwartete integrierte Luminosität am LHC und HL-LHC

ATLAS Phase-II Upgrade

New Inner Tracking Detector (all silicon tracker, up to |η| =4)

New muon chambers in the inner barrel region

Upgraded Trigger and Data Acquisition System:

- L0: 1 MHz

- Improved High-Level Trigger

Electronics Upgrade : -   LAr Calorimeter -   Tile Calorimeter -   Muon system

Options:

- High granularity timing detector (forward region)

- High-η muon tagger

59

Heisenberg-Gesellschaft: „Quantenphysik an der Schule“, Lautrach 2019

Zusammenfassung

•   Mit der Inbetriebnahme des LHC hat für die Teilchenphysik eine neue Ära begonnen à Erforschung der TeV Skala;

Ausgezeichnete Leistungsfähigkeit des Beschleunigers und der Experimente

•   Test der Standardtheorie bei höchsten Energien, mit zunehmender Präzision

•   Higgs Boson:

- Innerhalb der momentanen Unsicherheiten stimmen alle gemessenen Eigenschaften mit den Vorhersagen der Standardtheorie überein;

- Allerdings kann das Higgs-Boson eine Tür zu Neuer Physik öffnen à Präzisionsmessungen

•   Bislang keine Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells

•   Zukunftsprojekt: HL-LHC

Erforschung des Higgs-Sektors und Fortführung der direkten Suche nach Neuer Physik

pp

total (x2) inelastic

Jets R=0.4 dijets incl.

γ fid.

pT>125 GeV

pT>25 GeV

nj≥1

nj≥2 nj≥3

pT>100 GeV

W fid.

nj≥0

nj≥1

nj≥2

nj≥3

nj≥4

nj≥5

nj≥6

nj≥7

Z fid.

nj≥1

nj≥2

nj≥3

nj≥4

nj≥5

nj≥6

nj≥7 nj≥0

nj≥1

nj≥2

nj≥3

nj≥4

nj≥5

nj≥6

nj≥7

t¯t fid.

total

nj≥4 nj≥5 nj≥6

nj≥7

nj≥8

t tot.

Zt s-chan t-chan

Wt

VV tot.

ZZ WZ WW

ZZ WZ WW

ZZ WZ WW

γγ fid.

H fid.

H→γγ VBF H→WW

ggF H→WW

H→ZZ→4ℓ H→ττ

total

WV fid.

Vγ fid.

Zγ Wγ

t¯tW tot.

t¯tZ tot.

t¯tγ fid.

Wjj

EWK fid.

Zjj

EWK fid.

WW Excl.

tot.

Zγγ fid.

Wγγ fid.

WWγ fid.

Zγjj EWK fid.

VVjj EWK fid.

W±W±

WZ

σ[pb]

10−3 10−2 10−1 1 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

10¹¹ Theory

LHC pp√ s= 7TeV Data4.5−4.9_fb−1 LHC pp√

s= 8TeV Data20.3_fb−1

LHC pp√s= 13TeV Data0.08−36.1_fb−1

Standard Model Production Cross Section Measurements Status: July 2017 ATLASPreliminary

Run 1,2√s_{= 7, 8, 13}TeV