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Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

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Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron- Positron-Beschleunigern Joachim Mnich RWTH Aachen Freiburg 12.10.2001
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Page 1: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Test der elektroschwachenWechselwirkung an Elektron-

Positron-Beschleunigern

Joachim MnichRWTH Aachen

Freiburg 12.10.2001

Page 2: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Übersicht:

• Anfänge bei √s < mZ • LEP und SLC e+ e– → Z → ff e+ e–→ W+ W– → 4 f Suche nach dem Higgs-Boson• Zukunft: e+ e–-Linearbeschleuniger (TESLA) Test des Higgs-Mechanismus

Page 3: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Studium der Reaktion e+ e– → ff

Page 4: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Erste Messungen zur elektroschwachen Wechselwirkungan e+ e– -Beschleunigern:

Photon-Z-Interferenz

• PETRA am DESY (1979-1986) √s = 35-47 GeV

• PEP am SLAC √s = 29 GeV

Page 5: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Interferenzeffekte: Einblick in die Physik bei höheren Energien

Beispiel Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie AFB in e+ e– → µ+ µ–

1987: Petra & PEP(√s = 29 - 45 GeV):

Messung von σµ undAFB auf ≈ 1%

( ) ( )( ) ( )°>+°<

°>−°<=

90σ90σ90σ90σ

FB θθθθA

mZ= 89 ± 2 GeV

Page 6: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Die Ära von LEP und SLC 1989-2000

√s ≥ mZ

LEP: Hohe Luminosität SLC: Polarisation

4 ·106 Z-Bosonen/Experiment 50 000 Z-Bosonen bei 75%longitudinaler Polarisation

Page 7: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Messungen der totalen Wirkungsquerschnitte auf der Z-Resonanz:

•Masse des Z-Bosons mZ

•Totale Breite ΓZ

•Partielle Breiten Γf

( ) 2Z

fe2Z

Zf0

π12ΓΓΓ

=m

mZ = 91 187,6 ± 2,1 MeV Γe = 83,92 ± 0,12 MeV ΓZ = 2 495,2 ± 2,3 MeV Γµ = 83,99 ± 0,18 MeV Γhad= 1 745,8 ± 2,7 MeV Γτ = 84,08 ± 0,22 MeV

e+ e– → ff

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Zahl der Neutrino-Sorten:

0083,09841,2

MeV5,12,4993

SMν

invν

lhadZinv

±=ΓΓ

=

±=Γ−Γ−Γ=Γ

N

Es gibt 3 Generationen derfundamentalen Fermionen

bt

sc

du

τν

µν

eν τµe

Page 9: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Kopplung des Z-Bosons an geladene Leptonen

Leptonuniversalität:

LEP & SLD

τµeτµeVVVAAA gggggg ====

AVRAVL gggggg −=+=

Page 10: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Der schwache Mischungswinkel sin2ϑW: gV/gA = 1− 4 sin2ϑW

Leptonische Kanäle

Hadronische Kanäle

Differenz 3,3σ!

⇒ Hinweis auf leichtes Higgs-Boson

Page 11: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Ab(c) SLC (Links-Rechts Vorwärts-Rückwärts Asymmetrie)Al LEP & SLC (ALR, Al

FB, Tau-Polarisation)Ab

FB =3/4 Ab Al LEP (b-Quark Vorwärts-Rückwärts Asymmetrie)

Kopplungen von Leptonen und b(c)-Quarks:

22f 2AVA

VA

gggg+

=

Page 12: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

•Existenz des ZWW-Vertex•Überprüfung der 3-Boson- Kopplungen auf Prozentniveau

LEP II: Produktion von W-Paaren e+ e–→ W+ W–→ 4f

3 Feynman-Diagramme mitdivergierenden Einzelbeiträgen:

Standardmodell:

( )2W2

W4

2

SM ln1sin2π ms

ms

sW

>>=ϑ

ασ

z.B.:( )2

W4W

4

2

υ sin96π mss

ms

W

>>→=ϑασ

+2

Page 13: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Messung der W-Masse:

≈10 000 W-Paare/Exp.

mW = 80,450 ± 0,039 GeV

Page 14: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Vergleich von Messungen der W-Masse:

I. mW aus Rekonstruktion der invarianten Masse der Zerfallsprodukte (LEP II und pp-Experimente)II. Im SM bestimmen die Massen der Eichbosonen die elektroschwachen Kopplungen: cos ϑW= mW / mZ

ρ = 1 (plus Strahlungskorrekturen)

Messung von mW bei √s = mZ, z.B.:

( ) ( )[ ]2V

2

22Z gcossin12

lll +=Γ A

WW

gmϑϑ

α

Page 15: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Test des SM in höheren Ordnungen

•Voraussage der Top-Masse•SM ist korrekt „1-Loop“•Leichtes Higgs-Boson

( )( )WW

F rrrm

G∆−∆−≈∆−

∆−= 111

11

sin1

22 22W

αϑ

απ

a) QED Kopplungskonstante α

( ) ( ) ( )ααα ∆−== 102Z Qm

b) Schwache Korrekturen

( )H2t log, mmrr WW ∆≈∆

Page 16: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Die Suche nach dem Higgs-Boson bei LEP:

Produktion eines reellen Z-Bosons+ Masseninformation mff ≈ mZ – Suche bis maximal mH ≈ √s -mZ

Higgsstrahlung:

• Vor LEP keine belastbare experimentelle Massengrenze• Higgs-Suche braucht ergiebige Quelle von schweren Teilchen, z.B. Z-Bosonen

Higgs-Suche begann mit LEP

Page 17: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

2001: Higgs-Kandidaten bei höchsten Energien (√s = 208 GeV)qqbbeeALEPH →−+

Page 18: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Status der kombinierten LEP-Analyse:

);()b();()bs()b(

)bs(i

iiii

ii bnPLbsnPL

LLQ ∏∏ =+=+

+=Likelihood-Analyse:

• ≈ 2σ „Signal“ bei mH = 115,6 GeV• 95% CL-Grenze mH > 114,1 GeV

Page 19: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Experimentelle Informationüber das SM Higgs-Boson:

Zeitliche Entwicklung der mH -Grenzen

Das Higgs-Boson ist leicht

mH < 196 GeV

Page 20: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

T.Hambye, K.Riesselmann, Phys. Rev. D55 (1997) 7255

Theoretische Grenzen für die Higgs-Masse:

22Hλ vm=

Kopplung am 4-Higgs-Boson-Vertex Laufen der Kopplungskonstanten λ

( )( )vΛ−

=Λ2ln

π231

λλ2 λ

( ) ∞<Λ< λ0

Analog zum Landau-Pol der QED

Page 21: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Entdeckung des Higgs an Proton-Beschleunigern:

Tevatron Run II (√s = 2 TeV):Frühjahr 2001 bis zum Start des LHC

WWlυbblυHWpp

→→→

H → W+ W– dominiert ab mH ≥ 140 GeV

Page 22: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

• Erster LHC Run 2006/07 Erwartete Luminosität 10 fb-1

LHC √s = 14 TeV Start 2006?

Vergleich LHC (√s = 14 TeV) und Tevatron (√s = 2 TeV):

Ausreichend zum Nachweis (Entdeckung?) des Higgs

(aus ATLAS TDR)

TevLHC

TevLHC)(

σ80-70σHggσ10σHW/Zqq×≈→

×≈+→−

TevLHC

TevLHC

TevLHC

σ100σ Jets QCDσ10σttσ10σWW/WZ

×≈

×≈

×≈Signal: Untergrund:

Page 23: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Bestimmung der Eigenschaften des Higgs-Bosons am LHC:

• Messung von mH auf ≥ 0,1% • Messung von ΓH auf ≈ 5 −10% (mH > 2 mZ)

CMS

• Verhältnisse von Kopplungen

Page 24: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Die Zukunft der Präzisionstest des Standardmodells

e+ e– - Linearbeschleuniger

• Higgs-Entdeckung am Tevatron oder LHC• Genaue Bestimmung der Higgs-Kopplungen und des Higgs-Potentials am e+ e– -Linearbeschleuniger

1983 Entdeckung der W- und Z-Bosonen am SPS (UA1 & UA2)ab 1989 Genaue Bestimmung der Eigenschaften bei LEP & SLC

Vergleiche:

Page 25: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Elektron-Positron-Vernichtung:Wirkungsquerschnitte von SM- (und MSSM)-Prozessen bis 1 TeV

Linearbeschleuniger (LC)√s = 500 − 800 GeV• e+ e– → ff σ ≈ pb• e+ e– → HZ σ ≈ 10 fb (mH << √s)

σLC ≈ σ LEP II /10

Luminosität:•LEP II L = 1032/cm2/s•LC L ≥ 1034/cm2/s⇒ Higgs-Fabrik: 100/fb/Jahr = 1000 HZ/Jahr⇒ Giga-Z (√s = mZ) 109 Z-Bosonen in 1/2 Jahr

Page 26: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Produktion von Higgs-Bosonen Higgs-Strahlung und WW-Fusion:

σ(ZZ → H) = 1/10 σ(WW → H )

• Higgs-Strahlung: Nachweis des Higgs unabhängig vom Zerfall in e+ e–→ HZ → H e+ e– (µ+ µ– )

Page 27: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

GeV) 120( υυbbee :Beispiel H =→−+ m

• Messung der Wirkungsquerschnitte für Higgs-Strahlung und WW-Fusion• Bestimmung der Higgs-Kopplungen an W-und Z-Bosonen gHWW und gHZZ

e+ e– - Physik: genaue absolute Messung und theoretische Voraussage von Wirkungsquerschnitten

350 GeV500 GeV

Page 28: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Higgs-Massenmessung:

Kinematischer FitEnergie-Skala bestimmt durch Ebeam

0== ∑∑ ii psE r

500 fb-1

e+ e–→ HZ → bb qq e+ e– → HZ → bb l+ l–

(Vergleiche Messung von mW bei LEP und am Tevatron)

∆ mH ≈ 40 MeV (abhängig von mH)

Page 29: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Messung der totalen Breite ΓH :

• Schweres Higgs (mH > 2 mZ): breites Higgs durch H → WW,ZZ direkte Messung von ΓH möglich

∆ ΓH / ΓH ≈ 10%

• Leichtes Higgs mH < 160 GeV Higgs ist sehr schmal ΓH < 10 MeV

Messung am LC durch a) ΓH → WW aus WW-Fusion b) BR(H → WW) = ΓH → WW / ΓH

∆ ΓH / ΓH ≈ 5%

ΓH (mH) im Standardmodell:

2mW

Page 30: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Messung der Verzweigungsverhältnisse:

• Kopplung an Fermionen proportional zu Masse: gf = mf /v• Kopplung an schwere Eichbosonen: gHWW = 2mW

2/v gHZZ = 2mZ2/v

Bestimmung der Kopplungen des Higgs Bosons:

Page 31: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Bestimmung der Kopplungen des Higgs Bosons:

gHZZ ±0,012 gHWW ±0,012 gtop ±0,030 gbottom ±0,022 gcharm ±0,037 gtau ±0,033

Relative Genauigkeit derHiggs-Kopplungen:(mH = 120 GeV, 500 fb-1)

Page 32: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

• Spin Energie-Scan an der Schwelle (3 Punkte mit 20 fb-1, d.h 1/2 Jahr)

Bestimmung der Quantenzahlen des Higgs-Bosons:

SM: JPC =0++

• Parität Winkelverteilung im Kontinuum Unterscheidung SM Higgs und 0–+ -Boson A

Page 33: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Verifizieren des Higgs-Potential:

0λ0µλµ)(V 2422 ><Φ+Φ=Φ

4322 λH41HλHλ)H(V ++= vv

vmH 2λ= HH

H

H H

HH

gHHH gHHHH

• Messung der doppelten Higgsstrahlung: e+ e–→ HHZ

∆gHHH/ gHHH = 0,22

• Messung von gHHHH nicht möglich

λµ- rtungswertVakuumerwa 2=v

Page 34: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Vergleich Higgs-Physik e+ e– -Linearbeschleuniger und LHC:

mH =120 −160 GeVLHC

2×300 fb-1

∆X/X

LC500 fb-1

∆X/XmH 10-3 3×10-4

ΓH ---- 0,04 − 0,06gu-type ---- 0,02 − 0,04gd-type ---- 0,01 − 0,02gHWW ---- 0,01 − 0,03gtop/gHWW 0,070 0,023gHZZ/gHWW 0,050 0,022CP Test ---- 0,03gHHH ---- 0,22

Page 35: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Beispiele für andere Präzisionsmessungen

Test der schwachen Strahlungs-korrekturen ∆rW

•Top-Masse•W-Kopplungen (TGC)

0λ1κ1 γγZ1 ===g

3 Parameter (SM-Werte):

κγ λγ

Messung an der Schwelle

mt = 175 ± 0,1 GeV

100 fb-1

⇒ ∆mt ≈ 200 MeV

Page 36: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Giga-Z: Produktion von 109 Z- Bosonen

• 100-fache LEP I Statistik• Polarisation (wie SLC)• 30 fb-1 = 1/2 Jahr

Vergleich des SM-Fits 2000 mit Giga-Z:

Vergleich mit direkt gemessener Higgs-Masse

LEP/SLC/Tevatron(2001)

Giga-Z

mZ 91 187,5 ± 2,1 MeV (± 2,1 MeV)sin2ϑW 0,23152 ± 0,00017 ± 0,000013Ab 0,898 ± 0,015 ± 0,001Rb 0,21664± 0,00065 ± 0,00014mW 80 363 ± 32 MeV ± 6 MeV

Page 37: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Supersymmetrie:Falls mSUSY < 2 TeV ⇒ Entdeckung am LHC

Mögliche Teilchenspektren:

Vorteile eines Elektron-Positron-Beschleunigers• Massenmessung durch Energiescans an der kinematischen Schwelle• Polarisation von Elektronen und Positronen Trennung von SUSY-Partnern z.B.:

• Skalare Partner der Fermionen

• Fermionische Partner der Bosonen

• ≥ 2 Higgs-Dublettsg~,χ~,,χ~,χ~ 0

401 L

±

±HA,H,h,

SUSY wird neues Standardmodell

21 t~,t~,,µ~,µ~,e~,e~ KLRLR

−+−+−+−+ →→ RRRRLLLL e~e~ee e~e~ee

Page 38: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Realisierung eines e+ e– -Linearbeschleunigers:

Konzepte für Linearbeschleuniger (√s = 500 GeV – 1 TeV)

• Kavitäten: supraleitend normalleitend • Hochfrequenz: 1,3 GHz X- (11,4 GHz) oder C-Band (5,7 GHz )

•Höhere Energien (√s = 5 TeV) CLIC: Beschleunigung durch Drive-Beam

Page 39: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

• Schwerpunktsenergie

TESLA-Projekt (DESY):Technical Design Report März 2001

35 MV/m ⇒ √s = 800 GeVerreichbar durch Electropolishing, Hydroforming, Spinning

SupraleitendeKavitäten

Beschleunigungsgradient

23 MV/m ⇒√s = 500 GeV

Page 40: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

• Luminosität

nsionStrahldimeσ2)( ahlErhöhungsz

Pulsrate/BunchElektronen

sBunche/Pulder Zahl

)(

rep

e

b

∗≈

yx

DHfNn

Starke Fokussierung am Wechselwirkungspunkt

Dyx

HfNn

L ×= ∗∗σσ4rep

2eb

π

nm5σnm550σ == ∗∗yx

Simulation

• Erzeugung kleiner Bunche: Final-Focus-Test (SLAC/DESY)

• Kollision der Strahlpakete: Schnelles Rückkopplungssystem (Bunchabstand: 337 ns)

• nutze Strahlablenkung/aufweitung nach Kollision• Kickermagnet, Piezo-Kristalle

Page 41: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Detektor R&D für einen e+ e– - Linearbeschleuniger

• höhere Energie• komplexere Endzustände e+ e– → ZHH → 6 Jets/Leptonen• Auflösung e+ e– → ZH → e+ e– (µ+ µ– ) +X SUSY (fehlende Energie)• Beschleuniger Untergrund, Luminosität, Bunch-Abstand

• ...wir wollen den besten Apparat bauen...

Warum neuer e+ e– -Detektor?

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Beispiel: Time Projection Chamber (TPC)

Problem: Ionenrückdrift

LEP: Gating zwischen Bunchen ∆t =11(22) µs

TESLA: Länge eines Makropulses 2820 × 337 ns ≈ 1 ms

Gasverstärkung durch GEMs:• inhärente Unterdrückung der Ionenrückdrift• bessere Ortsauflösung durch kleinere Strukturen

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GEM: Gas Electron Multiplier (F. Sauli et al., CERN)

zur Kathode

zur Anode

Kupferbeschichtete Kapton-Folie

d = 50−100 µm

≈150 µm

•UGEM ≈ 250 − 400 V•Gasverstärkung im hohen elektrischen Feld der Löcher•eingebaute Unterdrückung der Ionenrückdrift

UGEM

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Messungen der Ionenrückdrift an Doppel-GEM-Strukturen

• Nur 1-2% der Ionen aus Gasverstärkung (≈ 104) erreichen den Driftraum• Weitere Reduzierung durch Optimierung möglich

Page 45: Test der elektroschwachen Wechselwirkung an Elektron ...

Zusammenfassung:

• Standardmodell getestet auf „1-Loop-Level“• Begrenzung der Higgs-Masse mH < 196 GeV (Strahlungskorrekturen) mH > 114,1 GeV (direkte Suche)

Elektron-Positron-Beschleuniger:

• Entdeckung des Higgs-Bosons (Tevatron oder LHC)Hadron-Beschleuniger:

• experimentelle Verifikation des Higgs-Mechanismus Kopplungen, Potential • Konsistenzprüfungen des SM (Giga-Z)• oder des Standardmodells nach dem LHC...

e+ e– - Linearbeschleuniger:

Der e+ e– - Linearbeschleuniger ist technisch realisierbar!


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