Higgsin fysiikkaa. Katri Huitu Fysiikan laitos, AFO Fysiikan tutkimuslaitos

Transkriptio

1 Higgsin fysiikkaa Katri Huitu Fysiikan laitos, AFO Fysiikan tutkimuslaitos

2 Sisällys: Higgsin teoriaa Tarkkuusmittauksia Standardimallin Higgs Supersymmetriset Higgsit Vahvasti vuorovaikuttava Higgsin sektori 2

3 3

4 Ongelma: Mittasymmetria kieltää mittavuorovaikutusta välittävän hiukkasen massatermin. Standardimallin symmetria (mittasymmetria SU(3) x SU(2) x U(1)) kieltää vuorovaikutuksen välittäjähiukkasilta massatermin Lagrangen tiheydessä. W +, W -, Z painavia, joten symmetrian täytyy olla rikkoutunut (osin, sillä fotonit ja gluonit ovat massattomia). Huom: massattomalla fotonilla on kaksi mahdollista polarisaatiota (kohtisuoraan kulkusuuntaa vastaan); massallisella välittäjähiukkasilla polarisaatioita on kolme (myös pitkittäinen)! 4

5 Ratkaisu: teoria on symmetrinen kentän nollakohdassa, mutta potentiaalienergian minimi ei ole Higgsin hiukkasta vastaavan kentän nollakohdassa. Higgsin kentän odotusarvo tyhjiössä ei ole nolla! Hiukkasten vuorovaikutusta Higgsin kentän kanssa kutsutaan massaksi. Higgsin itseisvuorovaikutuksen kautta myös Higgsin bosoni saa massan. 5

6 Standardimallin Higgsin bosoni Symmetrian rikkoutumiseen tarvitaan dupletti: 2 vapausastetta 2 vapausastetta 0 W +/-, Z massallisia (kaikilla kolmella pitkittäinen polarisaatio) jää yksi fysikaalinen Higgsin bosoni Potentiaali: V() = , jossa 2 <0, >0 Higgsin massa: M H2 = 2 v 2, v=246 GeV Parametrit ja ovat vapaita standardimallissa Higgsin massa on tuntematon 6

7 Häiriöteorian yläraja stabiili epästabiili Oletetaan, että SM voimassa energiaan saakka, Punainen: yläpuolella häiriöteoria ei ole voimassa, Vihreä: alapuolella potentiaali tippuu hallitsemattomasti 7

8 Vuorovaikutusten välittäjähiukkasten sironta WWWW W + W + W + W + W+, Z W +, Z s W - W - W- W- W - W - s 2 kumoavat s 2 kumoavat W + W + W + W h + h s W - W- W - W - Lasku teoreettisesti toimiva, jos m Higgs 870 GeV 8

9 Time: Higgs boson: A ghost in the machine New Scientist: Higgs seen at the LHC 9

10 Mitä tarvitaan Higgsin tunnistamiseksi? Löytää Higgsin bosoni (LHC, Tevatron?) Varmistaa, että massa sopiva (LHC, Tevatron?) Mitata kytkennät fermioneihin (LHC) Mitata kytkennät mittabosoneihin (LHC) Mitata itseisvuorovaikutukset (LC) Mitata spin ja muut ominaisuudet (LC) 10

11 LEPEWWG +35 Suosituin arvo GeV m H < 186 GeV kun 95% CL 2010: Tevatron pienentää massarajaa ~145 GeV:iin. Kevyt Higgs vaikuttaa sopivimmalta! 11

12 12

13 LEPEWWG Tarkkuusmittausten säteilykorjaukset riippuvat logaritmisesti Higgsin ja W:n massoista: 13

14 Standardimallin Higgsin bosonin vuorovaikutus muiden hiukkasten kanssa Vuorovaikuttaa vahvimmin painavimpien hiukkasten kanssa! hajoaa mahdollisimman painaviin hiukkasiin f f h i m f v W + W - h igmw g Z Z h ig 1 cos W mg Z 14

15 Higgsin hajoamissuhteet 15

16 Hiukkasen leveys kertoo, kuinka tarkasti massa pystytään paikallistamaan. Hiukkasen elinaika: 16

17 17

18 Higgsin etsintä: gg h pp hw; h bb kun massa m h < 130 GeV, H gg hww l l kun massa m h > 160 GeV hzz ll ll kultainen moodi + - p Z p Z

19 Vektoribosonien fuusio (VBF) Rapiditeettijakauma jeteille tt ja Higgsin sisältävissä tapauksissa. Higgs tt H H WW leptonit 19

20 20

21 Kytkentöjen mittaustarkkuus: 21

22 Higgsin massan mittaus LHC:llä ja lineaarikiihdyttimellä 22

23 tth, HWW 23

24 Ongelmia standardimallin Higgsin sektorilla: Hierarkiaongelma: miksi m W ja M Planck niin erilaisia? Higgsin luonnollinen massa olisi teorian suurin skaala Negatiivinen massaparametri annetaan Higgsille käsin Supersymmetria, Ylimääräiset ulottuvuudet, Vahvasti vuorovaikuttavat teoriat, 24

25 Heinemeyer, Hollik, Stöckinger, Weber, Weiglein,

26 Minimaalisessa supersymmetrisessä mallissa: Kaksi Higgsin duplettia 8 vapausastetta H d H 0 d H d H u H H Kolme vapausastetta tarvitaan, jotta W ± ja Z 0 saavat pitkittäisen polarisaatiovapausasteen. MSSM:ssä viisi fysikaalista Higgsin bosonia Neutraalit Higgsin bosonit h, H, A ja Goldstone G: 0 d 0 u 1 2 u 0 u tan H v H cos h sin iasin ig cos 2, H v H sin hcos iacos ig sin 2 Varatut Higgsin bosonit H +, H - : H H sin G cos, d H H cos G 0 u sin 26 H H 0 u 0 d

27 Massat voidaan lausua W, Z ja A-Higgsin massojen avulla (+ tan parametri) : m m ) ( ) 4 cos 2 H, h A M Z ma M Z mam Z 2 H ( m 2 M 2 W m 2 A Massojen suhteet: 0 m h M Z cos2 ; m h m A m H; m H M Z; m H± M W h 0 kevyt ( 4 kytkentä susyssa mittakytkentä), mutta säteilykorjaukset ovat suuria, erityisesti m h korjaukset. 27

28 Higgsin kytkennät verrattuna standardimallin kytkentöihin: Fermionit: MSSM: mb cos sin LYukawa bvh h i5 Atan b v cos cos mt sin cos t v H h i 5 A cot t v sin sin SM: L Yukawa m v f h f f W, Z, MSSM versus SM: hvv sin HVV cos 28

29 tt bb VV h cos sin sin cos sin H sin sin cos cos cos A cot tan 29

30 30

31 Kevyimmän Higgsin massa MSSMssä: 31

32 Kokeelliset rajat: 32

33 Varattu Higgs: Huom! Varattu Higgsin bosoni (toisin kuin neutraali) on aina merkki jostain standardimallin ulkopuolisesta fysiikasta! 33

34 MSSM Higgsien hajoamiset: 34

35 35

36 36

37 Leveys: 37

38 38

39 MSSM charged Higgs limits at Tevatron I 39

40 MSSM Higgsien tuotto LHC:llä 40

41 41

42 42

43 43

44 Suuret ylimääräiset ulottuvuudet ja Higgs Higgs sekoittuu ylimääräisistä ulottuvuuksista johtuvien gravitonin sukulaisten kanssa. Näiden sukulaisten, graviskalaarien, muodostama KK-torni on hyvin tiheä. Näyttää siltä kuin Higgs hajoaisi tähän torniin: Higgsin todennäköisyys oskilloida näihin ilmaisimessa näkymättömiin tiloihin on nollasta poikkeava (mutta pieni, koska se on kääntäen verrannollinen Planckin massaan). Tiloja on kuitenkin hyvin paljon, joten kaiken kaikkiaan todennäköisyys voi olla merkittävä. Kun Higgs on oskilloinut graviskalaariksi, on erittäin epätodennäköistä, että se oskilloisi takaisin Higgsiksi (koska todennäköisyys on jälleen kääntäen verrannollinen Planckin massaan). Jos Higgs on oskilloinut graviskalaariksi, siitä on tullut näkymätön (ikään kuin se olisi hajonnut näkymättämäksi tilaksi). Huom. Vastaava on 0 0 mahdollista esim supersymmetriassa: jos neutraliinot ovat kevyitä H

45 Näkymätön hajoamissuhde: 45

46 Warpattujen ylimääräisten ulottuvuuksien radion Radionin ja Higgsin bosonin kytkennät SM hiukkasiin molemmat verrannollisia hiukkasen massaan. Radionin kytkennät suppressoituja ylimääräisten ulottuvuuksien skaalalla. Kytkentä gluoneihin on poikkeus: se on suuri radionilla. =1 TeV radion 46

47 Higgsin ja radionin tunnistamiseksi täytyy tutkia hajoamissuhteita, eli kytkennät pitäisi pystyä mittamaan hyvin. 47

48 Hajoamissuhteet gluoneihin Hajoamista gluoneihin on mahdollista tutkia lineaarikiihdyttimellä. LHC:llä tausta on liian suuri. 48

49 Vahvasti vuorovaikuttava Higgsin sektori Voi olla, että ei löydy kevyttä Higgsiä WW-sironnassa vaikutusala kasvaa rajatta ja unitaarisuus rikkoutuu noin 1 TeV:n energiaskaalassa. SM ilman Higgsin bosonia ei ole koko teoria, vaan jotain uutta dynamiikkaa täytyy tulla mukaan. Tällöin pitäisi näkyä energian mukana lisääntyvät lopputilat W, Z, Z ja jotain uutta noin 1 TeV:ssä. LWL LZL LWL 49

50 Esimerkiksi, jos Higgs on painava (noin 1 TeV), teoria on vahvasti vuorovaikuttava: m 2 v, on neljän Higgsin kytkentävoimakkuus 2 2 H Myös tekniväriteoriat ovat vahvasti vuorovaikuttavia teorioita (teknifermionit tulevat 1 TeV-skaalassa vahvasti vuorovaikuttaviksi, kondensoituvat ja antavat W, Z bosonien pitkittäiset vapausasteet Higgsin mekanismin avulla). Vahvasti vuorovaikuttavan mallin täytyy rikkoa standardimallin symmetria samoin kuin standardimallin kevyt Higgs. Näiden mallien tutkimiseksi usein integroidaan painavat vapausasteet pois ja tutkitaan jäljelle jäävää efektiivistä teoriaa. Jos kevyt Higgs löytyy, täytyy pystyä mittaamaan sen ominaisuudet, jotta voidaan varmistaa sen vastaavan koko sähköheikon symmetrian rikosta! 50