Dem Higgs-Boson auf der Spur
1. Das Problem mit der Masse2. Das Erbe von LEP3. Die Jahre der Entscheidung: Tevatron und LHC4. Fragen über Fragen: Was wir über den Higgs-
Mechanismus lernen müssen und wie: LHC – ILC
K. Desch Universität Freiburg 27/03/2006
K. D
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r p. 2
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6Do
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1. Das Problem mit der Masse
2
2
M W W j
W WM
Massive Vektorbosonen verletzen die Eichinvarianz
Wellengleichung
Eichtransformation
liefert zusätzlich
Theorie nicht renormierbar! bestenfalls effektive Theorie für kleine Energien
könnte sein… Konsequenz: Standardmodell bricht zusammen bei ~1 TeV
K. D
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Konsequenzen…
Polarisationsvektor für longitudinal polarisierte W-Bosonen
longW
1(p) (E,0,0,p)~EM
divergiert für s , verletzt Unitarität bei s 1.2 TeV
Divergenz kann kompensiert werden durch elementares Skalarmit Kopplung ~ Masse oder durch neue starke
Wechselwirkung(hoher Preis…)
K. D
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Der Higgs-Mechanismus
Annahme:Alle Elementarteilchen sind masselos!
Eichprinzip funktioniert Renormierbare Theorie (endliche Wirkungsquerschnitte)
Durch ständige Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld verhalten sich die Teilchen als ob sie Masse hätten (effektive Masse)
K. D
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dDer Higgs-Mechanismus im SM
Eichinvariantes Hinzufügen eines Feldes mit <>0 0 ist nichttrivial – erfordert Feld mit Selbstwechselwirkung
V = -2 |+| + |+|2
: komplexes skalares Dublett des schwachen Isospins
0 0
0
Anregungen von :3 longitudinale Eichbosonen1 Higgs-Boson, mH=einzige Unbekannte im SM
K. D
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Die Masse des Higgs-Bosons (Theorie)
Wenn das Higgs-Boson zu schwer ist kommt die Rettung zu spät:
Stärkere Grenzen aus Forderungnach Perturbativitätund Stabilität des Vakuums:
Perturbativität
Vakuumstabilität
1.2TeV
a0 = Streuamplitude (J=0)Unitarität: |a0| < 1
K. D
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Die Masse des Higgs-Bosons (Experiment)
mH =91 +45 -32 GeVmH < 186 GeV @ 95%CLinnerhalb des Standard-Modells
Das SM funktioniert:direkte und indirekte Massenstimmen überein
K. D
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AlternativenTrotz der guten Übereinstimmung der Daten mit der SM-Higgs-Hypothese ist die Existenz des SM-Higgs-Bosonsnicht garantiert.
Die Entdeckung des SM-Higgs-Bosons am Tevatron oder LHCwäre eine SENSATION!!!
Route 1: kein Higgs-Mechanismus erfordert neue WW an der TeV-Skala Technicolor, Higgsless Model, … i.A. in Konflikt mit Präzisionsdaten, aber…
Route 2: Higgs-Mechanismus, aber mit aufwändigerer Realisierung der Higgs-Felder - zwei Dubletts (realisiert in minimaler Supersymmetrie) - zusätzliche Singletts (NMSSM, „Higgs-Kontinuum“) - Tripletts (LR-Symmetrie) - …
K. D
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Higgs-Bosonen im MSSMSM-Higgs-Masse erfährt große Strahlungskorrekturen großes „Finetuning“, wenn SM gültig bis zu hohen Skalen (MPlanck)
Supersymmetrie behebt dies durch Aufhebung der Korrekturen
Neben der Verdopplung der SM-Freiheitsgrade (Teilchen+Steilchen)muss der Higgs-Sektor erweitert werden: mindestens 2 Higgs-Dubletts mit v.e.v.‘s v1 und v2
h,H neutral, CP-geradeA neutral, CP-ungeradeH± geladen
Massen werden vorhergesagt als Funktionder SUSY-ParameterFührende Ordnung: nur mA and tan=v2/v1Große Korrekturen (top, stop)
mh < 135 GeV
K. D
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Higgs – Zerfälle im SMZerfälle bestimmt durch Kopplung an Masse: gHVV ~ MV gHf ~ Mf
K. D
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Higgs Produktion
LEP2
ILC
Tevatron: ~700fbLHC : ~30000fb S/B ~ 10-12
Für mH=120 GeV LEP2: ~1 fbILC: ~200 fb S/B ~ 10-2
K. D
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2. Das Erbe von LEP
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Das Erbe von LEP: SM HiggsStandardmodell-Higgs ausgeschlossen für mH < 114.4 GeV (95%CL)
Für Modellbauer: Grenzen auf g2HZ:
K. D
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Das Erbe von LEP: SM HiggsLeichter Überschuss bei mH98 GeV (2.3) und mH115 GeV (1.7)
ALEPH:
K. D
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Das Erbe von LEP: MSSM HiggsEndgültige Kombination der neutralen MSSM Higgs-Suchenveröffentlicht Anfang 2006!
Ausschluss von Bereichin tan als Funktion von mtop
mh, mA < 93 GeV @ 95%CL
K. D
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Das Erbe von LEP: Higgs mit CP-VerletzungKomplexe Phasen in trilinearen Kopplungen können zu Mischungvon h,H,A führen:
„Loch“ bei kleinen Higgs-Massen!LHC dort sensitiv?
K. D
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Das Erbe von LEP: ExotikaAusschlussgrenzen für eine Vielzahl erweiterter Higgs-Modelle
- geladene Higgs-Bosonen- doppelt geladene Higgs-Bosonen - unsichtbare Higgs-Zerfälle- fermiophobische Higgs-Bosonen (H)- Higgskontinuum- zerfallsunabhängige AusschlussgrenzenAber:nicht alles unter 100 GeV ist ausgeschlossen!- (sehr) leichtes CP-ungerades Higgs B-Fabriken?- Higgs/Radion-Mischung (Randall-Sundrum-Modell)- MSSM mit CP-Verletzung
m >~ 100 GeV
K. D
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3. Die Jahre der Entscheidung
Tevatron LHC
K. D
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Higgs-Suche am Tevatron
mH <~ 135 GeV:Hbb nur in assoziierter Produktion
ZHllbbZHbbWHlbb
mH >~ 135 GeVHWWl+l-(inklusiv)
WHWWWl± l±+X(gleichgelad. Lept.)
NLO
>1 fb-1/Experiment aufgezeichnetwenn das SM stimmt wurden schon ca. 1000 Higgs produziert!
8 fb-1 bis Ende 2009 erwartet
K. D
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Higgs-Suche am TevatronBeispiele:ZHbb WHlbb
SM-Higgs(115) * 10
Bei höherer integrierter Luminosität wird auch besseres S/B benötigt-härtere Schnitte, verbessertes b-tagging, multivariate Analysen,…
261pb-1
K. D
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Higgs-Suche am Tevatron
W+ e+
W- e-
HWWl+l-
Keine Massenrekonstruktion möglichAusnutzung der ll-Winkelkorrelation
Leptonen aus HWW sind bevorzugt kollinear
D0 preliminary, 950 pb-1
SM-Higgs(160) * 10
nach Schnitten
K. D
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Dem
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Higgs-Suche am Tevatron95
%CL
/SM
SM-Higgs-Grenzen:
K. D
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Dem
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SM-Higgs amTevatron: Erwartungen
Beate Heinemann
K. D
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dSUSY-Higgs am Tevatron
~ tan2
Suchen beginnen, den physikalisch sinnvollen Bereich anzukratzen…
K. D
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Vom Tevatron zum LHC: Untergründe modellieren
Zum Verständnis der wichtigsten Untergrundprozesse am LHC(Z+jets, W+jets, tt+jets,…) werden Simulationen benötigt, die überLO+Partonschauer hinausgehen.
Neue Entwicklungen:MC@NLO (bis zu 1 zusätzlicher Jet)ALPGEN, SHERPA (n zusätzliche Jets als LO Matrix-Element, „matching“ von Matrix-Element und Partonschauer
Wichtige Tests am Tevatron:
PYTHIA SHERPA
Z+jets
K. D
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Der LHC wird zur Gegenwart!
K. D
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Higgs-Produktion am LHC
K. D
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Schleifen-Korrekturen sind wichtig!
komplizierte und mühsame Schleifenrechnungen in NNLO nötig!wer so etwas kann und tut verdient hohen Respekt!
Wichtig für LHC und ILC
Pseudorapidität
K. D
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Higgs-Entdeckung am LHCVielzahl von Produktionsmechanismen und Zerfallskanälen
- Inklusive Suche nur in Lepton/Photon Endzuständen möglich (H, HZZ4l)- Hbb nur in Assoziation mit tt- H in Assoziation mit Vorwärts-Jets (qq)
Nur Endzustände mit Lepton/Photon-Trigger als Entdeckungs-Kanäle
Goldener Kanal für mH >~ 140 GeV:
- sehr moderater Untergrund- HWWll hat höhere Rate, aber keine Massenrekonstruktion (nicht ideal für Entdeckung)- benötigt 3-4 fb-1 für Entdeckung (mH>180 GeV oder mH=135-155 GeV)
ATLAS10 fb-1
K. D
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Higgs-Entdeckung am LHCLeichtes (mH<140 GeV) Higgs:frühe Entdeckung (10 fb-1) durch Kombination von 3 Kanälen möglich(Fluch oder Segen?)
Signifikanz für 10fb-1:S B S/B
130 4300
2.0
15 45 2.7
10 10 2.7
mH=115 GeV
H
ttH,Hbb
qqH,H
Kombiniert: ~4
K. D
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Dem
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Inklusive Suche nach H
CMS 100fb-1
NLO
dominanter irreduzibler Untergrundpp+X
reduzibler Untergrund pp0 + X schwer zu berechnen (Fragmentation, Isolation)
Benötigt optimale MassenauflösungM/M = 1%
Untergrund aus Seitenband
K. D
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Vektorboson-FusionNach Gluon-Fusion nächstgrößter WQUntergrundunterdrückung durch- Vorwärts-Jets- Kein Farbfluss im Zentralbereich: Rapiditätslücke
He
- sehr gutes S/B (>1) kritisch:- Effizienz der Vorwärtsjet-Erkennung- zentrales Jet-Veto
ATLAS30 fb-1
Winkelverteilung der Jets:
K. D
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Assoziierte top-Higgs-Produktion
Bislang einziger zugänglicher Kanal im dominanten Hbb-ZerfallEndzustand: ttHbWbWbbblbjjbb
trägt bei niedrigen mHzum Entdeckungspotenzial bei
Zugang zur Top-Yukawa-Kopplung
kritisch:- b-tagging- tt+jets-Untergrund - Bestimmung des Untergrundes aus Daten
30 fb-1
K. D
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Higgs in SUSY- mindestens ein MSSM-Higgs-Boson kann im gesamten Parameterbereich gesehen werden- für große tan Entdeckung von H/A und H± möglich (H/A,,H±)
ATLAS preliminary ATLAS preliminary
VBF, 30fb-1 300 fb-1
K. D
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Dem
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4. Nach der Entdeckung…Peak im Massenspektrum ist noch kein Beweis für Higgs-Mechanismus
Nötige Messungen:
• Masse, totale Breite• Spin, CP = 0+
• Kopplung an Vektorbosonen ~ mV
• Kopplung an Fermionen ~ mf (Yukawa-Mechanismus)• Selbstkopplung des Higgs-Bosons (Form des Higgs-Potentials)Ziel:1. Bestätigung des Higgs-Mechanismus2. Realisierung des Higgs-Sektors (1 Dublett oder komplizierter) Sensitivität auf Physik jenseits des Standardmodells
K. D
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Messungen am LHC
Higgs-Masse
<140 GeV: aus H>140 GeV: aus H4l
m/m ~ 10-3
totale Breite:
nicht möglich für m<200 GeV(Higgs << Detektor)
/ ~ 20% (250 GeV)/ ~ 5% (400 GeV)
aus Linienbreite in HZZ4l
Kopplungen:
Produktionsraten enthalten immer Produkte von KopplungenVerhältnisse von Raten ~ Verhältnisse von Partialbreiten
globaler Fit mit 13 Endzuständen
K. D
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Messungen am LHC
Extraktion der absoluten Kopplungen mit Modellannahmen:
- gV <= gVSM
Extraktion der absoluten Kopplungen
Präzision auf g2/g2 ~ 20-50%für Z,W,,b,t
großer Beitrag des syst. Fehlers(QCD+PDF-Unsicherheit in Produktionsquerschnitt)
K. D
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Higgs am ILCZur genauen Untersuchung des Higgs-Mechanismus sind e+e- - Kollisionen unverzichtbar!
Eine der Hauptmotivationen für denInternational Linear Collider ILC
ILC wird ein Präzisionslabor für Higgs-Physik!
K. D
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Higgs Produktionsprozesse am ILC
Higgsstrahlung WW-Fusion
~1/ s ~ln s
K. D
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dAnker der Higgs-Physik am ILC:zerfallsunabhängiger Nachweis
~ 2%mm ~ 50 MeVHZ-Kopplung ~ 1%
Das Higgs sehen ohne hinzusehen
2 2H initialm (p p )
Rückstoßmasse
K. D
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dBeste Möglichkeit zur Überprüfung des Yukawa-Mechanismus(Hff) ~ mf ?
Am ILC ist die Messung absoluter Verzweigungsverhältnisse möglich, wegen der zerfallsunabhängigen Messung von gHZ:
measmeas
(HZ) BR(H X)BR(H X)
(HZ)
Higgs-Verzweigungsverhältnisse
Präzision: ~%
K. D
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Top Yukawa Kopplung: LHC+ILC Synergie
ILC: Messung der BRs BR(Hbb) BR(HWW)
LHC: Messung von tth x BR(Hbb) tth x BR(HWW) gt
2 x BR(Hxx)
K. D
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dEng verknüpft mit der Form des Higgs-Potenzials wichtigster Test des Mechanismus der spontanen Symmetriebrechung
Messung am LHC nicht möglich
ILC: doppelte Higgs-Strahlung:
Higgs Selbstkopplung
/ = 20% @ 500 GeV 12% @ 1 TeV (?)
K. D
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Dem
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2HDM/MSSM
Warum ist die Präzision wichtig?Modelle unterscheiden: Indirekte Bestimmung der Masse
des schweren Higgs-Bosons (MSSM):
mA = 30% für mA = 800 GeV
Photon collider: direkte Produktion vonH,A bis ~ 800 GeV am ILC(1000)
Higgs/Radion mixing
K. D
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Zusammenfassung
Danke an P.Jonsson,C.Nöding,A.Safonov,M.Schumacher,M.Titov u.v.a.
Konzept des Higgs-Mechanismus hält seit 42 Jahren experimentellenTests Stand – ohne bisher experimentell bestätigt zu sein!
Beste Komplettierung des SM – aber nicht garantiert
Mit Tevatron und (vorallem) LHC haben wir Werkzeuge um baldzu wissen ob es (mindestens) ein Higgs-Boson gibt
Suchen am Tevatron – kann noch Konkurrenz zum LHC werden?
Vorbereitung auf die Analysen am LHC geht jetzt in die kritische Phase
Zur Untersuchung dieses fundamental neuen Mechanismus ist einElektron-Positron-Collider (ILC) unverzichtbar
~40 Vorträge in den Parallelsitzungen: wir sind aktiv!