A Standard modellen túli Higgs-bozonok keresése

Átírás

1 A Standard modellen túli Higgs-bozonok keresése Elméleti fizikai iskola, Gyöngyöstarján, okt. 29. Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.

2 Vázlat A SM minimális kiterjesztése: 2HD-modellek. A MSSM Higgs-bozonjai. Semleges Higgs-bozonok keresése. Töltött Higgs-bozonok keresése. CMS: felfedezési kilátások Irodalom: Igó-Kemenes Péter: Searches for Higgs bosons, pp in Particle Data Group: Review of Particle Physics, J. Phys. G 33 (2006) -232 Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.2

3 Higgs-bozonok a SM-en túl A Standard modell Higgs-mechanizmusa + komplex dublett φ + 4 szabadsági fok 3 tömeg (W ±, Z) + H V min : φ = v 246 GeV Higgs-vákuum várható értéke (VEV) A Standard modell legegyszerűbb kiterjesztése: Higgs-szektor bővítése két dublettre Modellek 2 Higgs-dublettel (2HDM) + 8 szab. fok 3 tömeg W ±, Z + 5 Higgs-bozon h 0, A 0, H 0, H ± h 0 SM H; igazán különbözik: H ± ( 0 v ) Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.3

4 2HDM: töltött Higgs-bozonok Kétféle SM-kiterjesztés 2HDM. típus: Higgs-tér csatolódik az összes fermionhoz, (a másik csak jelen van). Könnyű A esetén H ± AW dominál. 2HDM 2. típus: egyik Higgs-tér felső, másik alsó típusú fermionhoz csatolódik. H ± τ + ν τ, τ ν τ és H ± cs, sc dominál. Minden Higgs-bozon nehezebb részecskékre szeret bomlani Paraméterek: Higgs-tömegek és tan β = v /v 2 Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.4

5 H ± keresése a LEP-nél Képződés párban: e + e { H + H Bomlás nehéz fermionokra: H + τ + ν τ qq ( cs) Három csatorna három analízis: τ + ν τ τ ν τ (leptonos : Manchester e + e H + H τ + ν τ cs + τ ν τ cs (vegyes : Hajdu Csaba cscs (hadronos : HD) Előzetes OPAL-összesítés (Pásztor Gabriella): M(H ± ) > 75.5 GeV (95%) e + e H + H AW készül (Peter Bock, Heidelberg) D. Horváth: Search for charged Higgs bosons with the OPAL detector at LEP, PANIC 02, Osaka, 2002; Nucl. Phys. A, 72 (2003) 453c-456c. Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.5

6 e + e H + H qqτν OPAL Preliminary: H + H - qqτν, GeV A LEP OPAL-kísérlete Likelihood-eloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum két Higgs-tömegre a vegyes csatornában Events / 0.05 Events / Signal*00 M H ± = 60 GeV Likelihood Signal*00 M H ± = 75 GeV Events / 2 GeV Events / 2 GeV OPAL data (66) 4-fermion 2-fermion M ± H = 60 GeV Signal SM bgr = 63. Signal = Charged Higgs mass (GeV) Data = 35 SM bgr = 35.0 Signal = 23.6 M H ± = 75 GeV Likelihood Charged Higgs mass (GeV) Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.6

7 e + e H + H qqqq OPAL Preliminary: H + H - qqqq, GeV A LEP OPAL-kísérlete Likelihood-eloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum két Higgs-tömegre a hadronos csatornában Events / 0.05 Events / Signal*00 M H ± = 60 GeV Likelihood Signal*00 M H ± = 75 GeV Likelihood Events / 2 GeV Events / 2 GeV M H ± = 60 GeV OPAL data (595) 4-fermion 2-fermion Signal (60 GeV) SM bgr = Signal = Reconstructed mass (GeV) M H ± = 75 GeV Data = 00 SM bgr = 7.8 Signal = Reconstructed mass (GeV) Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.7

8 e + e H + H : a háttér A LEP OPAL-kísérlete Konfidencia-szint az adatok háttér-értelmezése esetén a háttér+jel szimuláció alapján várt értékekkel együtt a leptonos,a vegyes és a hadronos csatornában, valamint az összesítésre 50%-os elágazási arány esetén -CL b -CL b τντν, Br(τν)=.0 Observed Exp. for s+b σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) qqqq, Br(τν)=0.0 Observed Exp. for s+b σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) -CL b -CL b qqτν, Br(τν)=0.5 Observed Exp. for s+b σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) Combined, Br(τν)=0.5 Observed Exp. for s+b σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.8

9 e + e H + H : jel + háttér A LEP OPAL-kísérlete Megfigyelt és számított konfidencia-szint CL S = CL S+B /CL B a leptonos, a vegyes és a hadronos csatornában, valamint az összesítésre 50%-os elágazási arány esetén CL s CL s τντν, Br(τν)=.0 Observed Expected σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) qqqq, Br(τν)=0.0 Observed Expected σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) CL s CL s qqτν, Br(τν)=0.5 Observed Expected σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) Combined, Br(τν)=0.5 Observed Expected σ band 2σ band Charged Higgs boson mass (GeV) Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.9

10 e + e H + H : hatáskeresztmetszet A LEP OPAL-kísérlete σ 95 / σ 2HDM 0 Combined, Br(τν)=0.5 qqqq, Br(τν)=0.0 qqτν, Br(τν)=0.5 τντν, Br(τν)= A megfigyelt hatáskeresztmetszet felső korlátja (95% CL mellett) a 2HDM modell jóslatával osztva Charged Higgs boson mass (GeV) Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.0

11 e + e H + H : tömeghatár A LEP OPAL-kísérlete A keresési csatornákban kizárt régiók a tömeg elágazási arány síkon (95% CL mellett). A kombinált esetre a várt határ is szerepel. M(H ± ) > 75.5 GeV (95% C.L.) Br(τν) τντν qqτν qqqq Combined Expected Charged Higgs mass (GeV) Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.

12 Töltött Higgs-bozon: LEP és CDF M(H ± ) > 80 GeV; 0, 7 < tan β < 40 Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.2

13 MSSM Higgs-bozonjai Három paraméter jellemzi: tan β = v /v 2 ; [v 2 + v2 2 = 2m2 Z g 2 +g 2 (74 GeV) 2 ] Egyik Higgs-bozon tömege, pl. m A α keveredési szög, h 0 -t és H 0 -t tömeg-sajátállapotba hozza (a semleges tömegmátrixot diagonalizálja) Fagráf-szinten: m h 0 < (m A, M Z ) < m H 0; M W < m H ± LEP-energiáknál Higgs-sugárzás és párképződés dominál: e + e Z 0 h 0 ; e + e A 0 h 0 σ MSSM (Z 0 h 0 ) = sin 2 (β α)σ SM (Z 0 H) σ MSSM (A 0 h 0 ) = λ cos 2 (β α)σ SM (Z 0 H) ahol a λ kinematikai tényező az energiától és a tömegektől függ. Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.3

14 Kizárás az m max h 0 tan β síkon m h 0(tan β) = max Konzervatív limit! Fekete vonalak: m top = 69, 3; 74, 3; 79, 3 és 83, 0 GeV LEP-kizárás CL-je: sötét zöld: 99,7 % világos zöld: 95 % tan β... 5 m h GeV tan β > 8 m h GeV Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.4

15 Kizárás a m A 0 tan β síkon No mixing: t és t 2 nem keveredik Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.5

16 HC: Semleges Higgs-bozonok képződése b + b h/a/h b + g b + h/a/h g + g bb + h/a/h Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.6

17 HC: Semleges Higgs-bozonok képződése Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.7

18 LHC: Töltött Higgs-bozonok képződése Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.8

19 LHC: MSSM h és H bomlása Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.9

20 LHC: A és H ± bomlása Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.20

21 Ütközo nyaláb hozama: luminozitás L = f n NAN2 Gyorsító ütközési f : körfrekvencia; n: csomagok száma N, N2 részecske/csomag; A: Tevatron nyalábok átfedése LHC σ hkm-u reakció gyakorisága ǫ LHC hatásfoknál R = ǫσl LHC Integrális luminozitás: (fb ) Horváth Dezso : Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál R ido szak Ldt (fb ) energia 2 TeV ,5 4 TeV elso pár nap 0, 4 TeV elso pár hónap 4 TeV elso év (kis int.) 0 Gyöngyöstarján, okt fólia p.2

22 CMS: A/h felfedezési potenciálja h ττ eµ bbh; H µµ Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.22

23 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA T042864, T és NK67974 EU FP6 MC-ToK és III Megértő együttműködő partnereink Horváth Dezső: Nem-SM Higgs-bozon az LHC-nál Gyöngyöstarján, okt fólia p.23