Standard Model Integratie Elektro-Magnetische & Zwakke wisselwerkingen Principe symmetrie breking via Higgs mechanisme Higgs status experimenteel (LEP & LHC)
Lagrangianen Klassiek: Continu: Diskreet: Dirac vgl.: Klein-Gordon vgl.: Maxwell vgl.:
IJkinvariantie Dirac Lagrangiaan: Invariant onder: Vrij Dirac-veld invariant? Dirac Lagrangiaan in interaktie met E.M.-veld Voor theoretici: QED volgt uit lokale U(1) ijksymmetrie Voor mij: QED voldoet aan lokale U(1) ijksymmetrie Nee dus! Beschouw Dirac-veld in interaktie met vektorveld A (E.M.-veld): invariant!
Zwakke wisselwerking als ijktheorie Zwakke wisselwerking: W en Z 0 d.w.z. drie (ijk)-bosonen SU(2) groep? geladen stroom: Orden deeltjes in: linkshandig doubletten rechthandige singletten SU(2) stap-operatoren: W deel: “Z 0 deel”: 1, 2, 3 deel: Dan worden de zwakke stromen (geladen en neutraal): E.M. stroom met deze ordening:
Integratie E.M. en Zwakke wisselwerkingen “Theorie”: SU(2) stromen: U(1) stroom: “Experiment”: Zwak: W en Z 0 E.M.: Let wel, de ingevoerde “theoretische” stromen zijn pas achteraf te rechtvaardigen. Gezien de uitdrukking voor de U(1) stroom geldt er een verband tussen de eigenwaarde voor 3 T 3 en de elektrische lading Q. En wel: Q= T 3 +Y/2 (met Y de “hyper”charge) Leptonen:Quarks:
Integratie M.b.v. de stromen: Als volgt interakties te genereren met de: W i (i=1,2,3) (ijk)-bosonen voor SU(2) L B (ijk)-boson voor de U(1) Y Natuurlijk handiger om i.p.v. W 1,2,3 de W +, W en W 3 te gebruiken: Dus: geladenneutraal B A pApA pBpB e C D pCpC pDpD B A pApA pBpB e C D pCpC pDpD W B A pApA pBpB e C D pCpC pDpD B
Geladen stroom: W -boson koppeling pp’ kk’ du j du jj WW Propagator W-boson: du j du jj pp’ kk’ Te vergeljken met: Dus: relatie G, g en M W 4 22
Neutrale stromen: Z 0 -boson en koppelingen Fysische Z 0 -boson en korresponderen met orthogonale lineaire kombinaties neutrale W 3 en B: De interaktie in termen van het Z 0 -boson en wordt dan: Het E.M. neutrale stroom deel: Het zwakke neutrale stroom deel:
Neutrale stroom: Z 0 -boson koppeling pp’ kk’ ee j ee j Z0Z0 Propagator Z-boson: z z zz z ee j ee j pp’ kk’ Te vergeljken met: Dus: relatie G, , cos 2 w, g en M Z Minimale Standaard Model
Uitdrukkingen voor c V en c A m.b.v. q en sin 2 w DeeltjesLadingcAcA cVcV e, , , … (q=0) 0+1/2 e, , , … (q= 1) 11 1/2+2 sin 2 w 1/2 u, c, t, … (q=+2/3)+2/3 +1/2 4/3 sin 2 w + 1/2 d, s, b, … (q= 1/3) 1/3 1/2+2/3 sin 2 w 1/2 Vgl. oude uitdrukking voor J NC q and e , and : q,l Z0Z0 Met nieuwe uitdrukking voor J NC = 2J 3 2sin 2 w J em q and e , and :
Standaard Model Lagrangiaan & massa probleem Boson massa (MeV): m g =0 m <2x m W =80419 m Z =91188 Fermion massa (MeV): m e =0.511m =106 m =1777 m u ~3m c ~1250 m t ~ m d ~6m s ~120 m b ~4200 Fermionen: Bosonen:
Symmetrie breking Realiteit: Fotonen: massaloos W- en Z-bosonen: massief Hoe realiseer je dit met behoud ijkinvariantie? Geef het “vacuum” struktuur! Voeg nu de volgende term toe aan de Standaard Model Lagrangiaan (ijkinvariant) en expandeer veld rond “grond” toestand:
Boson massa’s Expansie veld rondom 0 geeft in laagste orde: massa termen W 1, W 2, W 3 en B bosonen Expansie veld rondom 0 geeft in volgende orde: een fysisch scalar veld H: het Higgs veld interacties tussen Higgs en W ± interacties tussen Higgs en Z 0 W ± Z 0 H
Fermion massa’s: de mee term Gebruik scalar veld ! Extra term Lagrangiaan: Expansie veld rondom 0 geeft in laagste orde: massa term voor elektron Expansie veld rondom 0 geeft in volgende orde: interacties tussen Higgs en elektron Nodig voor b.v. elektron massa: geen scalar e H e
Higgs decay H Z0Z0 Z0Z0 HZ0Z0HZ0Z0 H WW W+W+ HW+WHW+W H f f H ff H H t
Higgs production K is the c.m. momentum of the Higgs (and hence Z) particle (and s is the c.m. energy): H Z0Z0 ee e+e+ Lepton colliders: e + e HZ 0 in e + e
Higgs production H WW qiqi qjqj Hadron colliders:q i q j HW qq HZ 0 H Z0Z0 q q in pp en pp (same definition of K as for e + e )
Standaard Model Parameters (17) (to be taken from experiment!) Fermion masses (9) Leptons: m e, m , m (possibly -masses as well) Quarks: m u, m c, m t, m d, m s, m b Coupling constants (2) SU(2) L coupling g U(1) Y coupling g Higgs characteristics (2) M H & H vacuum expectation value v Quark mixing (CKM) matrix (4) 3 mixing angles & 1 phase
M H m t Interne konsistentie v/d metingen “low mass” Higgs Experiment: LEP’s Z & W data (e + e ) Tevatron’s top & W masses (pp) Theorie: Standard Model theory
Direkte Higgs LEP The key issue: E cm M H max E cm - M Z pb 1.0 pb E cm MHMH Production: Event rate: E cm M H + M Z driven H Z ee e+e+ e+e-Z*ZHe+e-Z*ZH H Z,W ee e+e+,e + e + e - e + e - H & e + e - H
Higgs Hunt Strategy: Signal: e + e - Z * ZH Higgs verval: H bb jetjet lifetime tag Z-boson verval: “event topology” Achtergrond: e + e - Z * Z * continuum 4 jets Z qq 2 jets + ee/ Z ee/ 2 jets + Z 2 jets + E miss ZZ
Higgs kandidaten! DELPHI Z dijet(1,2)(1,3)(1,4)(2,3)(2,4)(3,4) H dijet(3,4)(2,4)(2,3)(1,4)(1,3)(1,2) For each pairing, make a 5C fit with: 1. M ij =M Z and 2.build a likelihood including the probability that the two other jets come from the Higgs. Most likely combination is selected ! A unique mass value is defined! Ambiguiteiten!
En nog een Higgs kandidaat: ALEPH
En nog een Higgs kandidaat: L3 Two b-tagged jets: M~114.4GeV However: Two fermion background is critical at the kinematical limit: double ISR, and bb events (when the neutrinos take most of the energy), give collinear topologies; for an event at rest, the mass recoiling to a Z is pushed to s-M Z
Waarschijnlijkheden: statistische analyse per kanaal per experiment
Nog een keer waarschijnlijkheden
The Large Hadron Collider LHC Characteristics: proton-proton collider E cm = GeV=14 TeV rate = Hz luminosity = /cm 2 s 8 km ring (old LEP) 1232 dipoles (B=8 T) super-conducting starting date: 2006
Event rates: LHC: L=10 33 /cm 2 s LHC: factory of everything W l tt Higgs Events/day total bb LHC E cm (TeV) CERN FermiLab Channel Events/day bb W l 10 6 Z ll 10 5 tt Higgs 1500 SuSy 100
ATLAS E: calorimetry p: tracking proton
E measurement Principle: particle looses energy in matter stop particle completely energy measurable signal (ionization, fluorescence, …) 5 cm particle direction E/E 1% e e e
P measurement Principle: particle deflected in B-field reconstruct particle track fit for impuls P time signal 0 ns 500 ns P/P 2% 10 cm 5 meter
Event clean-up: high p Key issue: select high p LHC rate: 40 MHz 100 kHz 1 kHz 100 Hz 1pB/year 2 s 10 ms1 s Level-1 Level-2 Level-3
pp W W-boson mass (2006: m W 30 MeV) Expect: m W 15 MeV Statistics: (1 year i.e. 10 fb -1 ) 60x10 6 W l & 6x10 6 Z ll mm e e Method: select W l l events reconstruct m , fit for m W e e
t-quark mass (2006: m t 2-3 GeV) pp t t Method: tag: t bW, W l m t from: t bW, W qq l l W b q q b W Expect: m t 1.5 GeV Statistics: (1 year i.e. 10 fb -1 ) events/year, S/B 65 m bqq l q q q q
Radiative corrections: Higgs dependence t b W t b Compare: LEP m t prediction before t discovery! m W & m t : indirect Higgs access LHC Much better of course: find the Higgs directly!
Higgs directly (Note: all fixed once masses are known!) Higgs decay 1% 10% branching fraction M Higgs (GeV) H tt H bb H H WW H ZZ H Higgs production Events/day M Higgs (GeV) gg H gg,qq Htt qq HW qq HZ E cm =14 TeV
Higgs mass: ZZ pp H 130 < m H < 170 discovery golden channel but for m H ! m 100 fb -1 Method: select H ZZ events use m ZZ =m llll to find m H Z Z
Higgs mass: pp H m H < 130 discovery Features: (1 year i.e. 10 fb -1 ) 100 events/year, S/B 2% m 100 fb -1 Method: select H events use m to find m H
Higgs mass: ttH pp H t t Method: t bW bl l (for trigger) t bW bjj (use m W ) H bb (use b-tag), m bb to find m H b b e e q q q q q q Features: (1 year i.e. 10 fb -1 ) 10 events/year, S/B 30% m bb 100 fb -1
LHC 3 rd : New discoveries (particles, interactions, …)? fantastic! 2 nd : Improve t & W masses ( m t 1500 MeV, m W 15 MeV) stringent tests of “Standard Model” 1 st : Close on Higgs sector ( m H 200 MeV) completes particle family Beyond LHC: e + e - / + - collider I. New physics (if any): detailed spectroscopy couplings etc. II. Match LEP’s Z precision for: W-boson (e.g. m W 5 MeV) Higgs (e.g. m H 50 MeV) t-quark (e.g. m t 200 MeV)