Higgs-bozonok keresése az LHC-nál

Higgs-bozonok keresése az LHC-nál MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04. Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 1. dia p.1/81

Higgs bozonok keresése. A Standard modell Higgs-bozonja A Higgs-bozon lehetséges keletkezése és bomlása. Higgs-keresés a nagy elektron-pozitron ütköztetőnél (LEP). Higgs-keresés a nagy hadronütköztetőnél (LHC). A Standard modell kiterjesztése Szuperszimmetrikus részecskék. Két Higgs-dublett. Semleges Higgs-bozonok keresése (LEP, LHC) Töltött Higgs-bozonok keresése (LEP, LHC) Szuperszimmetria keresése Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 2. dia p.2/81

A SM Higgs bozonja A Standard modell Higgs mechanizmusa 1 komplex dublett tér 4 szab. fok 3 tömeg (W ±, Z) + H V min at φ = v 246 GeV = vákuum-beli várható érték Spin nélküli, semleges, nehéz részecske Renormálás skalár részecskéje, kvantumszámok nélkül ( 0 v ) Létezik? SM: muszáj! Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 3. dia p.3/81

A SM Higgs bozonja A SM megadja a keletkezési és bomlási valószínűségeit. Minden tömegfüggő, pl. fermion párra bomlásé Γ(H ff) = N cg 2 m 2 f β 3 m 32πm 2 H W N c színek száma (leptonok: 1; kvarkok: 3) g 2 0.425 csatolási állandó β 2 = 1 4 m2 f fermion sebesség (c = 1). m 2 H Legnehezebb részecskék előnyben Tömeget a SM nem jósol, csak limitál: 30 GeV < m H < 500 GeV Ha a SM perturbatív E GUT = 10 16 GeV-ig: 130 GeV < m H < 190 GeV (GUT: Grand Unification Theory) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 4. dia p.4/81

Amit mérünk: hatáskeresztmetszet 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 00 11 0011 000000000 111111111 00000000000 11111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 000000000000000 111111111111111 0000000000000000 1111111111111111 00000000000000000 11111111111111111 00000000000000000 11111111111111111 0000000000000000000 1111111111111111111 0000000000000000000 1111111111111111111 0000000000000000000 1111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 0000000000000000000000 1111111111111111111111 0000000000000000000000 1111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 000000000000000000000 111111111111111111111 0000000000000000000 1111111111111111111 0000000000000000000 1111111111111111111 0000000000000000000 1111111111111111111 00000000000000000 11111111111111111 00000000000000000 11111111111111111 000000000000000 111111111111111 000000000000000 111111111111111 0000000000000 1111111111111 0000000000000 1111111111111 00000000000 11111111111 000000000 111111111 Bombázó részecskenyaláb Céltárgy részecskéje σ = W/Φ átmeneti valószínűség/fluxus Egysége: 1 barn = 10 28 m 2 (1 pb = 10 40 m 2 ) Fluxus = részecskék sürüsége sebessége nyalábban: Φ = n b v b = részecskeszám/felület/sec Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 5. dia p.5/81

Amit mérünk: rezonancia τ = Γ 1 élettartam exp. bomlás: N(t) = N 0 e Γt Valószínűségeloszlás: χ(e) 2 = 1 (E M) 2 +Γ 2 /4 M Γ Breit-Wigner-formula rezonancia helye szélessége ( = 1, c = 1) Lorentz-görbe Új részecske felfedezése: rezonancia a tömegnek megfelelő ütközési energiánál Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 6. dia p.6/81

A Standard modell diadalútja Állapot 2007 telén Valamennyi kísérlet sokszáz eredményéből Mért számolt /szórás Enyhén eltérő adat évről évre változik Most éppen a e + e Z b b előre-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport: http://lepewwg.web.cern.ch/ Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 7. dia p.7/81

De hol van a Higgs-bozon? A fizika legkeresettebb részecskéje, mivel a Standard modell egyetlen hiányzó alkatrésze. Kísérletileg (még?) nem figyeltük meg, LEP: M(H) > 114.4 GeV Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi a divergenciákat It was in 1972... that my life as a boson really began Peter Higgs: My Life as a Boson: The Story of The Higgs, Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002) 86-88. Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 8. dia p.8/81

SM-fitt Higgs-tömeg (2005!) 10 3 10 3 10 3 10 3 m H [GeV] m H [GeV] 10 2 10 2 10 3 2.49 2.5 Γ Z [GeV] 10 3 41.4 41.5 41.6 σ 0 had [nb] m H [GeV] m H [GeV] m H [GeV] m H [GeV] 10 2 10 2 10 3 0.137 0.147 0.157 A l (A 0,l FB) 0.096 0.102 0.108 A 0,b FB 10 3 m H [GeV] m H [GeV] 10 2 10 2 10 2 10 2 20.7 20.75 20.8 R 0 l 10 3 0.014 0.017 0.02 A 0,l FB 10 3 0.137 0.147 0.157 A l (P τ ) 0.06 0.07 0.08 A 0,c FB Measurement Measurement m H [GeV] α (5) had = 0.02758 ± 0.00035 α s = 0.118 ± 0.003 m t = 178.0 ± 4.3 GeV m H [GeV] α (5) had = 0.02758 ± 0.00035 α s = 0.118 ± 0.003 m t = 178.0 ± 4.3 GeV 10 2 10 2 1.994 2 2.006 0.137 0.147 0.157 σ 0 lep [nb] A l (SLD) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 9. dia p.9/81

Mekkora a Higgs-bozon tömege? Trócsányi Zoltán gyűjtése Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 10. dia p.10/81

A Higgs-bozon keresése Monte Carlo szimulációval teljes SM háttér: SM eseménytípusok, folyamatonként hatáskeresztmetszettel súlyozva. Higgs jel: szimuláció összes lehetséges folyamatra és Higgs tömegre. Mindez átengedve a detektor szimuláción. Optimális válogatás: háttér = min, jel = max. Pl. jel/sqrt(háttér) = max. Adott luminozitásnál várható eseményszám jelre és háttérre különböző feltételek mellett. SM háttér kísérlet? (igen / nem ). Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 11. dia p.11/81

A Higgs-bozon keresése Mennyire jelszerű a mérés? Kísérleti eseményekhez MC alapján valószínűség: mennyire jel vagy háttér. Összegezés: kísérlet egésze mennyire jel vagy háttér. Így a különböző kísérletek eredménye kombinálható. Sok kandidátus esemény jelszerű; kevesebb háttérszerű. Fizikai/filozófiai/statisztikai problémák: És ha a mért adat kevesebb, mint a várt háttér? És ha több, mint a várt háttér + jel? Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 12. dia p.12/81

Felfedezés vagy kizárás? Likelihood: Mennyire jelszerű, amit látunk L = P Poisson(kis j + h) P Poisson (kis h) j = jel, h = háttér Konfidenciaszint: CL Ha a jel 5σ-val meghaladja a hátteret: felfedeztük. Ha nincs jel: CL h > 95% kizártuk. Teszt változó: 2 ln Q Q = L(j + h)/l(h) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 13. dia p.13/81

σ (pb) 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10-1 10-2 10-3 Higgs sugárzás SM jóslata: LEP nél domináns keletkezés e + e Z 0 H 0 Domináns bomlás (m H 0 < 2M W ±): H 0 bb (83 %) e + e - HZ e + e - hadrons Born e + e - µ + µ - 60 WW ZZ m h = 70 GeV 90 110 60 80 100 120 140 160 180 200 σ(e + e ZH) s [GeV] Branching Ratio 1.5.2.1.05.02.01 bb ττ gg cc WW ZZ 100 200 300 500 m H [GeV] 0 Elágazási arány: H XX tt Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 14. dia p.14/81

Higgs-keresés a LEP-nél: végállapotok Z bomlás H bomlás csatorna részarány Z qq H 0 bb qqbb 61% Z νν H 0 bb bb + E mis 17% Z e + e H 0 bb bb + e + e 3% Z µ + µ H 0 bb bb + µ + µ 3% Z τ + τ H 0 bb bb + τ + τ 3% Z qq H 0 τ + τ bb + τ + τ 5% Összesen 92% Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 15. dia p.15/81

A b-kvark azonosítása Több lépésben bomlik: b W c; c W d; W lν vagy qq hosszú élettartam másodlagos vertex, lágy leptonok Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 16. dia p.16/81

ALEPH esemény (e + e HZ bbqq) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 17. dia p.17/81

A Higgs bozon nincs meg 1-CL b 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 ALEPH Observed Expected signal+background Expected background 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 m H (GeV/c 2 ) 2σ 3σ 4σ 1-CL b 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 DLO Observed Expected signal+background Expected background 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 m H (GeV/c 2 ) 2σ 3σ 4σ Várt és megfigyelt jel-konfidencia csak háttér feltételezésével (ALEPH, DELPHI, L3 és OPAL: Phys. Lett. B 565 (2003) 61-75.) Többlet ALEPH 4 jetes eseményeiben 115 GeV-nél: E LEP2000 = 206 GeV m H (115) + m Z (91) = 206 GeV!! Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 18. dia p.18/81

L3 esemény (e + e HZ bbνν) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 19. dia p.19/81

LEP kizárás kísérletenként Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 20. dia p.20/81

LEP kizárás csatornánként Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 21. dia p.21/81

A SM érzékenysége Higgs-tömegre SM fitt (minden mérés): +33 M H = 76 24 GeV Alsó határ (illesztés és elmélet bizonytalansága): M H > 144 GeV (95 % konf.) χ 2 6 5 4 3 2 Theory uncertainty α had = α (5) 0.02758±0.00035 0.02749±0.00012 incl. low Q 2 data m Limit = 144 GeV LEP-keresés: M H > 114.4 GeV Megengedett régióra normálva: 114.4 < M H < 182 GeV (95% CL) 1 Excluded Preliminary 0 30 100 300 m H [GeV] LEP Elektrogyenge munkacsoport (http://lepewwg.web.cern.ch/) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 22. dia p.22/81

SM-fitt Higgs tömeg: 2006 2007 6 5 4 Theory uncertainty α had = α (5) 0.02758±0.00035 0.02749±0.00012 incl. low Q 2 data 6 5 4 Theory uncertainty α had = α (5) 0.02758±0.00035 0.02749±0.00012 incl. low Q 2 data m Limit = 144 GeV χ 2 3 χ 2 3 2 2 1 1 Excluded Excluded Preliminary 0 0 30 100 300 30 100 300 m H [GeV] m H [GeV] 2006: m t = 174 GeV 2007: m t = 172 GeV 2008: m t = 170 GeV?? LHC!! Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 23. dia p.23/81

SM-Higgs: M H M t 200 200 High Q 2 except m t 68% CL High Q 2 except m t 68% CL m t [GeV] 180 m t (Tevatron) m t [GeV] 180 m t (Tevatron) 160 Excluded 10 10 2 10 3 m H [GeV] 160 Excluded 10 10 2 10 3 m H [GeV] evatron, 2004: m t = 178 GeV 2007: m t = 172 GeV LHC, 2009...: m t =? Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 24. dia p.24/81

SM-Higgs: M H M W 80.5 High Q 2 except m W /Γ W 68% CL 80.5 High Q 2 except m W /Γ W 68% CL m W [GeV] 80.4 m W (LEP2 prel., pp ) m W [GeV] 80.4 m W (LEP2 prel., pp ) 80.3 Excluded 10 10 2 10 3 m H [GeV] 80.3 Excluded 10 10 2 10 3 m H [GeV] 2005 LHC, 2009...: top-fizika!! 2007 Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 25. dia p.25/81

LHC: A p-p ütközések bonyolultak! A relatívisztikus proton impulzusának felét kvarkok, másik felét gluonok adják p-p ütközés = kiterjedt, összetett objektumoké Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 26. dia p.26/81

szeudorapiditás, transzverzális impulzus Hadron- és nehézion-ütközések fontos jellemzői Pszeudorapiditás η = ln tg Θ 2 Polárszög helyett használatos p rész θ p T p nyaláb Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 27. dia p.27/81

Ütközőnyaláb hozama: luminozitás L = fn N 1N 2 A f: körfrekvencia; n: csomagok száma N 1, N 2 részecske/csomag; A: nyalábok átfedése σ hkm-ű reakció gyakorisága ǫ hatásfoknál R = ǫσl Integrális luminozitás: (fb 1 ) Gyorsító ütközési időszak Ldt energia (fb 1 ) Tevatron 2 TeV 2001-2006 2,5 LHC 14 TeV első pár nap 0,1 LHC 14 TeV első pár hónap 1 LHC 14 TeV első év (kis int.) 10 Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 28. dia p.28/81

Az LHC eltérítő-mágnesei 1232 db, egyenként 15 m hosszú, 35 tonnás Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 29. dia p.29/81

Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 30. dia p.30/81

LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés, óriási luminozitás. Rossz Rettenetes SM háttér, az érdekesebb dolgok előfordulási gyakorisága 10 6 10 3 Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még 10-20 p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér. Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 31. dia p.31/81

Higgs-bozon keresése az LHC-nál Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 32. dia p.32/81

Az LHC CMS detektora Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 33. dia p.33/81

Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: 12500 tonna, több vas, mint Eiffel toronyban > 2000 résztvevő a világ minden tájáról A világ legnagyobb (szupravezető) szolenoidja: belső átmérője 6 m, mágneses tere 4 Tesla Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektorok pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizikai Int. és ATOMKI Előreszórt részecskék észlelése: (Hadron Forward calorimeter, HF) Készült USA-RU-TR-HU együttműködésben: RMKI, Budapest Az első leeresztett CMS-detektorrész: 2006. nov. 11. Adatkezelés: LHC Computing Grid (RMKI) előadása) (Debreczeni Gergő Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 34. dia p.34/81

Higgs keresés a CMS nél Proton-proton-ütközésből (uud + uud) sok hadron Kvarkok elsüvítenek egymás mellett vagy enyhén szóródnak LHC: regisztrált eseményben 10-15 p-p kölcsönhatás Tiszta jel: nyalábra merőleges lepton vagy zápor, Legfontosabb jel: gyors müon kibocsátása Müondetektorok: fontos magyar szerep Különböző Higgs-tömeghez más kedvező reakció Nagyobb tömegű részecske bomlását könnyebb észlelni. Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 35. dia p.35/81

Higgs-keltés az LHC-nál Kisebb ütközési energia (Tevatron), kisebb tömegű Higgs-bozon: keltés W, Z-vel együtt LHC, nagyobb tömegű Higgs-bozon: gluon-fúzió Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 36. dia p.36/81

Higgs-keltés az LHC-nál g q H g q q _ q W,Z _ q H gluonfúzió vektorbozonfúzió Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 37. dia p.37/81

A Higgs-bomlás csatornái gg γγ Branching Ratio 1.5.2.1.05 bb ττ gg cc WW ZZ tt.02.01 100 200 300 500 m H [GeV] 0 Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 38. dia p.38/81

CMS, H γγ: m H < 140 GeV Jól azonosítható, igen kicsi valószínűségű (2 10 3 ) Könnyű Higgs-bozonra ez a leghatékonyabb CMS elektromágneses kaloriméterét erre tervezték Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 39. dia p.39/81

A CMS elektromágneses kalorimétere 80000 PbWO 4 szcintillátor-hasáb Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 40. dia p.40/81

H γγ: csak vágásokkal Statisztikus módszerek sokat javítanak (ANN) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 41. dia p.41/81

SM-Higgs, m H > 140 GeV Aranyozott csatorna Válogatás: 4 izolált lepton 2 leptonpár fő vertexből m ll m Z Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 42. dia p.42/81

H ZZ eeqq a CMS nél Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 43. dia p.43/81

SM-Higgs: a CMS felfedezési potenciálja m H 120 GeV: H γγ, L < 10 fb 1 m H 165 GeV: H WW, L < 1 fb 1 m H 180 GeV: H ZZ, L < 3 fb 1 120 < m H < 600 GeV: minden, L < 30 fb 1 Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 44. dia p.44/81

A részecskefizika problémái Aszimmetriák: jobb bal világ antivilág Sötét anyag és energia?? Az Univerzum tömegének 4%-a közönséges anyag (csillag, gáz, por, ν), 23 %-a láthatatlan sötét anyag, 73 %-a rejtélyes sötét energia Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion-bozon szimmetria eltüntetné. Megoldás: szuperszimmetria, ha a fermionok és bozonok párban léteznének, azonos tulajdonságokkal (tömeg, töltés) A szuperszimmetria (SUSY) nyilvánvalóan sérül: nincsenek ilyen részecskék, vagy sokkal nagyobb tömeggel Higgs-tér létező szimmetriát sért SUSY nemlétezőt vezet be Cél: racionális, konzisztens elmélet Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 45. dia p.45/81

Szuperszimmetria (SUSY) SUSY-részecskék párban keletkeznek, közönséges és más SUSY-részecskére bomlanak Sötét anyag: legkönnyebb SUSY-részecske Végállomás (jel): Fermionsorozat hiányzó energiával Együttműködés elméleti kollégákkal: kiválasztott jellemző pontok ellenőrzése Adott modell és paraméterek számszerű előrejelzés a SUSY-tulajdonságokra és a reakciók valószínűségeire kísérletileg ellenőrizhető az LHC-nál! Keresés előkészítése: Budapesti és debreceni PhD-hallgató Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 46. dia p.46/81

Két Higgs dublett 5 Higgs bozon SUSY-modellekben 2 Higgs dublett tömeg alsó és felső fermionoknak 8 szabadsági fok 3 tömeg W ±, Z + 5 Higgs bozon h 0, H 0, H ±, A 0 V min at φ 1 = ( 0 v 1 ) ; φ 2 = ( 0 v 2 e iξ φ 1 a felső, φ 2 az alsó fermionokhoz csatol v 2 1 + v2 2 = 2m2 W g 2 ) kulcsparaméter: tan β = v 1 /v 2 β: töltött Higgs-terek keveredési szöge h 0 SM Higgs; m(h 0 ) << m(h 0 ) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 47. dia p.47/81

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 : Mancheste e + e H + H τ + ν τ cs + τ ν τ cs (vegyes : Hajdu Csab 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, 721 (2003) 453c-456c. Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 48. dia p.48/81

e + e H + H qqqq: vágások 2000 es adatok, Ldt =217.4 pb 1, 206 GeV MC, s=204...209 GeV, M(H ± ) = 65 GeV Vágás adat háttér 4f qq(γ) H ± % Típus: Multihadron esemény 19241 18997.7 4300.6 14406.5 99.8 Energia: s > 0.82 s; E vis > 0.7 s 6158 6225.5 2230.7 3991.2 96.5 Felépítés: y 34 > 0.0025; N ct 1 2582 2519.9 1790.6 728.6 89.9 Kinematikai illesztés: P χ 2(4C) > 10 5 ; P χ 2(5C) > 10 5 1988 1980,8 1510.7 469.4 79.5 Alak: C paraméter > 0.45 1728 1727.6 1462.6 265.0 77.9 Minősítés: L jel > 0.45 223 217.2 180.2 37.0 51.6 Jel/háttér M(H ± ) = 65 GeV re 37.8/(217 ± 12), 75 GeV re 23.5/(382 ± 21). Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 49. dia p.49/81

e + e H + H qqτν OPAL Preliminary: H + H - qqτν, 189-209 GeV A LEP OPAL-kísérlete 1998-2000 Likelihood-eloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum két Higgs-tömegre a vegyes csatornában Events / 0.05 Events / 0.05 10 3 10 2 10 1 10 3 10 2 Signal*100 M H ± = 60 GeV 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Likelihood Signal*100 M H ± = 75 GeV Events / 2 GeV Events / 2 GeV 40 35 30 25 20 15 10 5 0 70 60 50 40 OPAL data (166) 4-fermion 2-fermion M ± H = 60 GeV Signal SM bgr = 163.1 Signal = 59.8 60 80 100 Charged Higgs mass (GeV) Data = 315 SM bgr = 315.0 Signal = 23.6 M H ± = 75 GeV 10 30 20 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Likelihood 10 0 60 80 100 Charged Higgs mass (GeV) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 50. dia p.50/81

e + e H + H qqqq OPAL Preliminary: H + H - qqqq, 189-209 GeV A LEP OPAL-kísérlete 1998-2000 Likelihood-eloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum két Higgs-tömegre a hadronos csatornában Events / 0.05 Events / 0.05 10 3 10 2 10 1 10 2 10 1 Signal*100 M H ± = 60 GeV 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Likelihood Signal*100 M H ± = 75 GeV 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Likelihood Events / 2 GeV Events / 2 GeV 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 140 120 100 80 60 40 20 0 M H ± = 60 GeV OPAL data (595) 4-fermion 2-fermion Signal (60 GeV) SM bgr = 587.0 Signal = 124.6 60 80 100 Reconstructed mass (GeV) M H ± = 75 GeV Data = 1100 SM bgr = 1117.8 Signal = 62.1 60 80 100 Reconstructed mass (GeV) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 51. dia p.51/81

e + e H + H : a háttér A LEP OPAL-kísérlete 1998-2000 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 1-CL b 1-CL b 1 10-1 10-2 10-3 10-4 1 10-1 10-2 10-3 10-4 τντν, Br(τν)=1.0 Observed Exp. for s+b 1σ band 2σ band 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Charged Higgs boson mass (GeV) qqqq, Br(τν)=0.0 Observed Exp. for s+b 1σ band 2σ band 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Charged Higgs boson mass (GeV) 1-CL b 1-CL b 1 10-1 10-2 10-3 10-4 1 10-1 10-2 10-3 10-4 qqτν, Br(τν)=0.5 Observed Exp. for s+b 1σ band 2σ band 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Charged Higgs boson mass (GeV) Combined, Br(τν)=0.5 Observed Exp. for s+b 1σ band 2σ band 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Charged Higgs boson mass (GeV) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 52. dia p.52/81

e + e H + H : kizárás Kizárás a tömeg elágazási arány síkon (95% CL mellett). Várt limit a kombinált esetre: 75, 5 GeV Br(τν) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 τντν qqτν qqqq Combined Expected 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Charged Higgs mass (GeV) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 53. dia p.53/81

Töltött Higgs-bozon: LEP és CDF M(H ± ) > 80 GeV; 0, 7 < tan β < 40 Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 54. dia p.54/81

MSSM Higgs-bozonjai Három paraméter jellemzi: tan β = v 1 /v 2 ; [v 2 1 + v2 2 = 2m2 Z g 2 +g 2 (174 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: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 55. dia p.55/81

Kizárás az m max h 0 tan β síkon m h 0(tan β) = max Konzervatív limit! Fekete vonalak: m top = 169, 3; 174, 3;179, 3 és 183, 0 GeV LEP-kizárás CL-je: sötét zöld: 99,7 % világos zöld: 95 % tan β 1... 5 m h 0 115 130 GeV tan β > 8 m h 0 90 130 GeV Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 56. dia p.56/81

Kizárás a m A 0 tan β síkon No mixing: t 1 és t 2 nem keveredik Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 57. dia p.57/81

HC: Semleges Higgs-bozonok képződése b + b h/a/h b + g b + h/a/h g + g bb + h/a/h Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 58. dia p.58/81

HC: Semleges Higgs-bozonok képződése Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 59. dia p.59/81

LHC: Töltött Higgs-bozonok képződése Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 60. dia p.60/81

LHC: MSSM h bomlása Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 61. dia p.61/81

LHC: MSSM H bomlása Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 62. dia p.62/81

LHC: A bomlása Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 63. dia p.63/81

LHC: H ± bomlása Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 64. dia p.64/81

CMS: A/h felfedezési potenciálja h ττ eµ bba; A ττ µµ Szisztematikus bizonytalanság dominálja Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 65. dia p.65/81

Szuperszimmetria (SUSY) Fermionok és bozonok párban: Q F>= B>; Q B>= F> m B = m F Azonos részecskék, csak spinjük különbözik Kis energián sérül, partnereket nem látjuk: nagyobb tömeg? Minimális SUSY-menazséria (MSSM) Királis multiplettek mérték-multiplettek S=1/2 S=0 S=1 S=1/2 kvark: q L, q R skvark: q 1, q 2 foton: γ fotíno: γ lepton: l L, l R slepton: l 1, l 2 gyenge W ± wino: W ± bozonok Z zino: Z higgszínó: Φ, Φ Higgs: Φ, Φ gluon: g gluínó: g Skalár fermion: sfermion, bozon párja: bozínó Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 66. dia p.66/81

Szuperszimmetria: + és elmélet természetessége + világegyetem hideg sötét anyaga (23 %) kölcsönhatások egyesítése gravitáció beépítése DE: SUSY-sértés mechanizmusa?? sokféle modellfelépítés rengeteg új paraméter m 100 GeV alatt nem látjuk bár a SUSY-t már 50%-ig felfedeztük!! (a SUSY-részecskék felét (1 híján :-) látjuk...) Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 67. dia p.67/81

A MSSM tömeg-sajátállapotai Elektrogyenge szimmetria-sértés MSSM-fermionok keverednek tömeg-sajátállapotok {Elektrogyenge gaugínók + higgszínók} {chargínók és neutralínók } { γ, W ±, Z; H 0 1, H 0 2, H ± } { χ ± 1, χ± 2 ; χ0 1, χ0 2, χ0 3, χ0 4 } tömeg nő az index-szel Legkönnyebb SUSY-részecske (LSP) msugra: χ 0 1 vagy GMSB: gravitínó ( G) SUSY-sérülés rengeteg (> 100) új paraméter tömegek, csatolások, keveredések Rengetegféle SUSY-modell, óriási paramétertér, különféle korlátozás. Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 68. dia p.68/81

SM és MSSM: menazséria Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 69. dia p.69/81

Rengetegféle modell van Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 70. dia p.70/81

Kísérleti korlátozások, megszorítások SUSY-jelenséget nem észleltünk, negatív mérések a paraméterteret korlátozzák LEP-mérések: Higgs-szektor SM-Higgs tömege keresésből M H > 114.4 GeV; H h 0 Elektrogyenge adatok illesztése Semleges Higgs-bozonok (h és A) keresése BR(b sγ) mérések B-gyáraknál A müon anomális mágneses momentuma (BNL) WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe): sötét anyag (DM) mennyisége, indirekt DM direkt (nem-)észlelése ν-detektorokkal Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 71. dia p.71/81

WMAP utáni CMSSM Hideg sötét anyag sűrűsége (nagy távolságokra átlagolva) < ρ DM > 1, 2 10 6 GeV/cm 3 Tejútrendszer dinamikája ρ itt DM 0, 3 GeV/cm3!! WIMP: Weakly Interacting Massive Particle? Remek jelölt: LSP χ 0 1, ν, G ν kiesik (direkt keresés ν-detektorokkal), gravitínót nehéz megfigyelni (:-) Megszorítás: Megfigyelt ρ DM összeegyeztethető-e: korai Univerzum: LSP + más SUSY-rész. annihiláció hatáskeresztmetszetével közönséges részecskékre; most: LSP + LSP annihilációéval? Komoly korlátok MSSM paraméter-terében M. Battaglia et al, Eur. Phys. J. C33 (2004) 273 Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 72. dia p.72/81

SUSY-keresés Párban keletkezhet, csak másik SUSY-ra bomolhat (ha R megmarad) A legkönnyebb (LSP) stabil, semleges, észlelhetetlen Jele: hiányzó energia Tipikus SUSY-bomlások (LSP = χ 0 1 ): skvark: q q + g; q + χ 0 1 slepton: l l + χ 0 1 gluínó: g q + q + χ 0 1 ; g + χ0 1 wínó: W e + ν e + χ 0 1 Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 73. dia p.73/81

Tevatron: Rejtélyes CDF-esemény pp e + e γγ: SM kizárja Elméleti cikkek özöne próbálta magyarázni SUSY?? Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 74. dia p.74/81

Az LHC működésének első időszaka 1. Értsük meg a detektort: működés, trigger, kalibráció 2. Mennyire hiteles a szimulációnk? Leírja a SM folyamatait és a detektort? Egyezik a mért eloszlásokkal? 3. Keresd, amit vársz, vedd észre, amit nem vársz. Látunk eltérést (többletet) valamilyen eloszlásban a háttérszimulációhoz képest? Új fizika vagy hibás háttérbecslés? 4. Új fizika! Keresünk levágást valamilyen tömegeloszlásban. 5. Ha tényleg új fizika: SUSY vagy valami más? Melyik modell? Milyen paraméterekkel? Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 75. dia p.75/81

SUSY-keresés az LHC-nál Keress SM-várakozás fölötti többletet sokjetes, nagy eseményekből. E miss T Ha van, járd körbe, valódi-e. Ha valódi, hajts végre rajta előre egyeztetett SUSY-válogatást. Keress sajátos jellemzőket (pl. hosszú-élettartamú sleptonokra). Keress b-jeteket, leptonpárokat, τ -t. Határozd meg a SUSY-paramétereket globális illesztéssel, levágások keresésével. Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 76. dia p.76/81

SUSY-keresés: tömegspektrum Tömegspektrum levágása: Pl. χ 0 2 l l l + l χ 0 1 m χ 0 2 M max ll = 1 m 2 l /m2 χ 0 2 1 m 2 χ /m 2 l 0 1 Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 77. dia p.77/81

SUSY tesztpontok és a korlátozások Kék csík: WMAP-megengedte régió Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 78. dia p.78/81

USY elérési pontok µ ± µ ± eseményekkel Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 79. dia p.79/81

USY elérési pontok µ ± µ ± eseményekkel Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 80. dia p.80/81

Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, K72172 és H07C-74153 EU FP6 MC-ToK 509252 és III 031688 Megértő együttműködő partnereink Horváth Dezső: Higgs-bozonok keresése MAFIHE téli iskola, Gyenesdiás, 2008.02.04 81. dia p.81/81