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4. Physikpotenzial von TESLA (einige „Highlights“)

4. Physikpotenzial von TESLA (einige „Highlights“). “Highlights” des Physikprogramms. Etablierung des Higgs-Mechanismus Das Hierarchieproblem Supersymmetrie Zusätzliche Raumdimensionen Kein leichtes oder elementares Higgs- Boson, neue starke Wechselwirkung

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4. Physikpotenzial von TESLA (einige „Highlights“)

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  1. 4. Physikpotenzial von TESLA(einige „Highlights“) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  2. “Highlights” des Physikprogramms • Etablierung des Higgs-Mechanismus • Das Hierarchieproblem • Supersymmetrie • Zusätzliche Raumdimensionen • Kein leichtes oder elementares Higgs- Boson, neue starke Wechselwirkung • Präzisionsmessungen des Standardmodells L = 500 fb-1 @ 500 GeV ~ 2 bis 3 Jahre L = 1000 fb-1 @ 800 GeV ~ 3 bis 4 Jahre Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  3. Das Higgs-Profil • Masse (bestimmt das Profil im SM komplett) • Totale Zerfallsbreite • Kopplung an Z und W: Mw~ g v, MZ ~ g v • Kopplung an Fermionen: mf = gf v • Higgs-Selbstkopplung, Higgs-Potenzial Ziel:Etablierung des Higgs-Mechanismus in allen essentiellen Details als verantwortlich für die Massenerzeugung und die Brechung der elektroschwachen Symmetrie Mittel: Hochpräzisionsmessungen  genaue Bestätigung des Standardmodells oder  Hinweis auf neue Physik durch Abweichung Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  4. Produktion des Higgs-Bosons Higgs-Strahlung WW-Fusion 17 Higgs-Ereignisse pro Stunde ECM=500 GeV, MH=120 GeV Higgs-Fabrik Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  5. Masse und Kopplung an das Z-Boson Zerfallskanalblinde Selektion Von ZH mit Z  mm,ee Fit an das Spektrum der Rückstossmassen der beiden Leptonen: Peak-Position Peak-Höhe Dm ~ 100 MeV Ds ~ 5 bis 6% sZH ~ gZ2 modellunabhängige Bestimmung von gZ Dg ~ 2-3% Dm ~ 40 bis 80 MeV mit vollständiger Rekonstruktion des Higgs-Zerfalls Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  6. b b Kopplung an das W-Boson WW-Fusions-Prozess: Fit an das Spektrum der fehlenden Masse: s~ gw2xBR(Hbb) Nach Messung von BR(Hbb) in ZH modellunabhängige Messung von gw Dg ~ 3 bis 13% Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  7. Kopplung an Fermionen Higgs-Mechanismus erzeugt Fermionmassen mf ~ gf Gff~ mf2Test durch Bestimmung von BR(Hff) Experiment: Messung von sZHxBR(Hff)  BR(Hff) Zerfall Rel.Fehler -1 für 500 fb , m=120 GeV BR(mm)~10-4: DBR(mm)/BR(mm) = 32 % für 1 ab-1 und E=800GeV Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  8. Totale Zerfallsbreite Benötigt zur Bestimmung der Fermion-Kopplungen gf2~Gff=BR(Hff)xGtot Indirekte Bestimmung Direkte Bestimmung a) M < 180 GeV Gtot << Detektorauflösung Indirekte Bestimmung Gtot = G(Hxx) / BR(Hxx) Größte Präzision: W-Bosonen G(HWW) aus Messung des WQ in WW-Fusion BR(HWW) aus Higgsstrahlung ZH, HWW DG/G = 6 bis 13 % für MH=120 bis 160GeV Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  9. Totale Zerfallsbreite MH>180 GeV: Gtot >= Detektorauflösung Bestimmung aus dem Massenspektrum ZHllWW(ZZ)llqqqq Breite = Faltung von Gtot und Massenauflösung Rekonstruierte Higgs-Masse (GeV) MH =200  320 GeV DG/G = 23  34 % Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  10. Top Quark Yukawa Kopplung Top Quark Yukawa Kopplung O(1) im SM>> andere Fermionen  Überraschung ?? Kleiner Wirkungsquerschnitt und „viel Mass“ im Endzustand • Grosse ECM = 800 GeV  Hohe Luminosität L = 1 ab-1 DgttH/gttH = 7 bis 13 % Für mH =120 bis 200 GeV Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  11. Top Quark Yukawa Kopplung • Präzisionsmessung bei TESLA nur bei ECM=800 GeV • LHC mißt nur die Rate = s x BR für ppttH (Hbb oder WW) modellunabhängig g t h g t Kombination der Messung von s x BR von LHC mit Messung von BR(Hbb) u. BR(HWW) von TESLA 500GeV (inkl. 20% syst. Fehler auf die Ratenmessung bei LHC) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  12. Bestimmung der Quantenzahlen Vorhersage des SM: Spin = 0, CP = ungerade Spin J: “Schwellenscan” des Wirkungsquerschnitt eeZHll X (modellunabhängig) CP: aus Winkelverteilungen Von Z und f aus Zff in eeZH oder …. (modellunabhängig) -1 10 fb /Punkt Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  13. Bestimmung von CP CP gerade h oder CP ungerade A ? CP-Natur aus Polarisation der Higgs-Zerfallsprodukte  Untersuche Htt n r n r Observable: rr-Akoplanarität: > 8s Trennung zwischen CP+ and CP- für 120 GeV Higgs (350 GeV u. 1 ab-1) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  14. Higgs-Selbstkopplung Ist die elektroschwache Symmetrie spontan gebrochen ? Rekonstruktion des Potenzials = Messung der Triple-Higgs-Kopplung Winziger WQ: 0.15 fb  hohe Luminosität Komplexer Endzustand: ZHZHHqq bb bb  Optimierter Detektor: exzellente Identifikation von b-Quarks exzellente Jetenergieauflösung Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  15. Higgs-Selbstkopplung • Neurale-Netz-Analyse: • S/Ö B = 6 Ds/s=13 % MH=120GeV, ECM= 500GeV, L=1ab-1 Als einziger sensitiv auf l Ds/s=13 %  Dl/l=23 % Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  16. Das Higgs-Profil PDG Booklet 201x ? E. Gross Warum diese Präzision ? Genauer Test des SM Diskriminierung zwischen Higgs-Sektor des SM und Erweiterungen z.B. des Minimalen Supersymmetrischen Standardmodells (MSSM) 10-3 MSSM:5 Higgsbosonen: h,H,A,H+- zwei Vakuumerwartungswerte: tanb = v1/v2 Ö(v1+v2) = 246 GeV Freie Parameter auf Born-Niveau:tanb, MA 2 2 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  17. Direkte Beobachtung von h,A,H+- „No Lose Theorem“: SUSY mit GUT  mindestens ein Higgs- Boson beobachtbar bei ECM=500 GeV, L=500 fb-1 Beobachtung im MSSM: e+e-HA,H+H- bis M=ECM/2-e (ggH,A bis M=0.8xECM) A Messungen: z.B. HAbb bb DM/M = 0.1 bis 0.5% D(sxBR)/(sxBR)= 2 bis 3 % mit L = 500 fb-1 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  18. Indirekte Unterscheidung MSSM SM Vielleicht: LHC und LC sehen nur das leichte h  SM oder MSSM ?? Ausweg: Unterscheidung durch Präzisionsmessungen der Kopplungen (BRMSSM-BRSM)/Derw Globaler Fit an alle Messungen: Kopplungen an Fermionen, W,Z Dg/g ~ 1 bis 4% (L=500 fb-1) bb WW MA Sensitiv zu MA =600 (1000) GeV bei 68 (95)% CL Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  19. Das Hierarchieproblem Warum ist Elektroschwache Skala << Planck Skala ?? v = 246 GeV Das Higgs-Boson erhält große skalenabhängige Massenkorrekturen 2 DMH2 = aL2 =aMPlanck • Mögliche Lösungen: • Supersymmetrie • mit MSUSY ~ O(TeV) • d zusätzliche Raumdimensionen: MPl4+d = 1TeV • Kein Higgs-Boson: starke dynamische Symmetriebrechung Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  20. Supersymmetrie (SUSY) LHC: Squarks u. Gluino Sleptonen +Gauginos präzise Spektroskopie bei TESLA! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  21. SUSY: Massenmessung Beispiel: SUSY-Partner des Myons a) E-Spektrum der m Smyon+Neutralino b) WQ an der Schwelle s [fb] E(Myon) [GeV] DM/M~0.1% Smyon Alle Massen der Sleptonen, Charginos, Neutralinos mit Präzision von 100 bis 500 MeV bestimmbar E(CM)) [GeV] Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  22. 0 0 0 0 SUSY: Parameterbestimmung Polarisation des Elektron- u. Positronstrahls erlaubt Bestimmung der SUSY-Parameter. z.B.: Neutralino-Sektor durch 4 Parameter bestimmt tanb, m, M2, M1 Untersuche: e+e-c2c1l+l-c1c1 M1aus: Polarisationsabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts und Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie der Leptonen m, M2, M1 D~O(1%) M1(GeV) M1(GeV) L=500 fb-1 pro Polarisation Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  23. SUSY: Extrapolation zu hohen Energien • SUSY Parameter rennen mit der Energie • Evolution mittels Renormierungsgruppengleichungen • Präzise Messung der SUSY Parameter am LHC und am Linear Beschleuniger liefern • Test ob “Grosse Vereinheitlichung” GUT realisiert ist • Information über den Mechanismus der SUSY-Brechung LHC “mSUGRA” “GMSB” Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  24. SUSY: LHC + TESLA Wenn Squarks schwer sind, dann nur am LHC produzierbar Komplexe Zerfallskette für Squarks Genaue Bestimmung der Eigenschaften schwierig • Genaue Messung bei TESLA • verbesserte Rekonstruktion am LHC Nur am LHC z.B. Genauigkeit der Massenbestimmung LHC + M(LSP) von TESLA Mit DM/M=0.2 (1.0)% Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  25. Zusätzliche Raumdimensionen klassisch GN=1/MPl2 ADD-Modell: d neue Raumdimensionen mit Radius R, in denen nur Gravitation „lebt“ r>>R r<<R Vgl. von 4-dim und 4+d V(r): MPl2=8p Rd MDd+2 Wenn MD = 1 TeV : für d = 2(3) gilt R = 1 mm(nm) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  26. Zusätzliche Raumdimensionen Kompaktifizierung  Kaluza-Klein-Türme Unendlich viele Gravitonzustände: mit DM=1/R MD = 1 TeV : d = 2(4,6) DM = 0.5 meV (20keV, 7MeV) Im Experiment: Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  27. Direkte Gravitonproduktion Signatur: 1 Photon + fehlende Energie Auschlussgrenzen 95% CL 1 ab-1 @500 GeV + 800 GeV Entdeckung (5s) bis Messung von WQ bei 500 und 800 GeV erlaubt Bestimmung von MDundd !! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  28. Indirekt: Gravitonaustausch Interferenz von Photon, Z (Spin=1) und Gravitonaustausch (Spin=2) z.B. veränderte Verteilung des Produktionswinkels  Sensitivität: (95% CL) 5.6 TeV @ 500 GeV 8.0 TeV @ 800 GeV Unterscheidung zwischen Spin1 und Spin 2 möglich ! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  29. Kein Higgs Boson? Streuung massiver Eichbosonen Verletzung der Unitarität bei s ~ s (wenn Wechselwirkung schwach bleibt ) Ausweg : neue QCD-artige starke Wechselwirkung (z.B. Technicolor) Experimentelle Konsequenz: Abweichung vom SM in Drei- und Vier-Eich-Boson-Kopplungen (oder direkte Beobachtung neuer Resonanzen: z.B. Techni-Hadronen) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  30. Drei-Eichboson-Selbstkopplung (TGC) Beschreibung durch effektive Lagrangediche mit Theo. Argumente: L i < 3 TeV ai ~O(1) Analyse der Winkelverteilungen von e+e-WWqqln Sensitivität auf L „Forward tracking“ wichtig -1 bei 500 GeV, 500 fb Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  31. Vier-Eichboson-Selbstkopplung (QGC) Exzellente Kalorimetrie e+e-WW nnqq qq nn e+e-Z Z nn qq qq nn bei 800 GeV, 1 ab-1 Bereich bis 3 TeV abgedeckt! Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  32. Präzisionsuntersuchung des SM s(pb) Messung der Masse des Top-Quark durch Schwellenscan des Wirkungsquerschnitts Dominiert durch theo. Unsicherheit DM ~ 100 MeV Luminosität = 100 fb-1 ECM(GeV) GigaZ: Betrieb von TESLA auf der Z-Resonanz und W-Paarschwelle 1 Milliarde Z0’s in wenigen Monaten (~50xLEP) 2 • Genauere theoretische Vorhersage benötigt! • DsinqW= 0.000013 (1/13xLEP) DMW = 6MeV (1/3xLEP) Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  33. Präzisionsuntersuchung des SM Szenario1: nur 1 Higgs und sonst nichts gesehen Konsistenztest des Standardmodells und Hinweis auf „neue Physik“ Szenario2: SUSY entdeckt, einige Parameter am LHC und LC gemeinsam bestimmt Bestimmung weiterer Parameter z.B. tanb und MA Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  34. Fazit • Physikpotenzial am Linearbeschleuniger ist faszinierendTESLA wird entscheidend zu den ersehnten Antworten beitragen, unabhängig von der Natur der “neuen Physik” • Das Schlüsselwort: PräzisionBeschleuniger mit hoher Luminosität: TESLA  exzellenter Detektor  theoretische Vorhersagen mit größter Genauigkeit • Beschleuniger, Detektor u. Theorie sind herausfordernd • TESLA 500 bereit, TESLA 800 auf dem Weg • F&E für Detektor hat begonnen(mehr Zeit und Personal) • Physikpotenzial ist komplentär zum LHCNur beide gemeinsam können die Antworten liefern !weltweiter Konsensus: der Linearbeschleuniger sollte der nächste grosse Schritt in der Hochenergiephysik sein Vielen Dank an: K. Desch, R.Heuer, D.Karlen, H. Videau, N.Walker,... Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  35. Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

  36. 500 fb-1 @ 350 GeV Unsichtbare Zerfälle des Higgs-Bosons Fehlende Masse • Unsichtbare Zerfälle des Higgs, z.B: • MSSM hgc01c01 • Extra Dimensions • Zusätzliche H-Singletts (NMSSM,Majoron Models) • Stealthy Higgs-Scenario Signal(120) e+e-ZHqq + fehlende Energie 5σ Entdeckung bis zu Verzweigungsverhältnis (BR) von 2% Indirekt: aus Gtot und BR(vis) + BR(invis) = 1 Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003

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