4. Physikpotenzial
von TESLA
(einige „Highlights“)
Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003
1
“Highlights” des Physikprogramms
 Etablierung des Higgs-Mechanismus
 Das Hierarchieproblem
• Supersymmetrie
• Zusätzliche Raumdimensionen
• Kein leichtes oder elementares HiggsBoson, 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
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2
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
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3
Produktion des Higgs-Bosons
Higgs-Strahlung
WW-Fusion
17 Higgs-Ereignisse pro
Stunde
ECM=500 GeV, MH=120 GeV
Higgs-Fabrik
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4
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
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5
Kopplung an das W-Boson
b
WW-Fusions-Prozess:
b
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%
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6
Kopplung an Fermionen
Higgs-Mechanismus erzeugt Fermionmassen mf ~ gf  Gff~ mf2
Test 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
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7
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
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8
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 %
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9
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
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10
Top Quark Yukawa Kopplung
Präzisionsmessung bei TESLA nur bei ECM=800 GeV
LHC mißt nur die Rate = s x BR
g
für ppttH (Hbb oder WW)
g
modellunabhängig
ht
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)
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11
Bestimmung der Quantenzahlen
Vorhersage des SM: Spin = 0, CP = ungerade
Spin J:
“Schwellenscan” des
Wirkungsquerschnitt
eeZHll X
(modellunabhängig)
-1
10 fb /Punkt
CP:
aus Winkelverteilungen
Von Z und f aus Zff in
eeZH
oder ….
(modellunabhängig)
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12
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 CPfür 120 GeV Higgs (350 GeV u. 1 ab-1)
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13
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
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14
Higgs-Selbstkopplung
Neurale-Netz-Analyse:
S/ B = 6
 Ds/s=13 %
MH=120GeV,
ECM= 500GeV, L=1ab-1
Als einziger sensitiv auf l Ds/s=13 %  Dl/l=23 %
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15
Das Higgs-Profil
PDG Booklet 201x ?
E. Gross
Warum diese Präzision ?
Genauer Test des SM
Diskriminierung zwischen
Higgs-Sektor des SM und
Erweiterungen
10-3
z.B. des Minimalen
Supersymmetrischen
Standardmodells (MSSM)
MSSM: 5 Higgsbosonen: h,H,A,H+zwei Vakuumerwartungswerte: tanb = v1/v2
(v21+v22) = 246 GeV
Freie Parameter auf Born-Niveau: tanb, MA
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16
Direkte Beobachtung von h,A,H+„No Lose Theorem“: SUSY mit GUT  mindestens ein HiggsBoson 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
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17
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
bb
Globaler Fit an
alle Messungen:
Kopplungen an
Fermionen, W,Z
WW
Dg/g ~ 1 bis 4%
(L=500 fb-1)
MA
Sensitiv zu MA =600 (1000) GeV bei 68 (95)% CL
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18
Das Hierarchieproblem
Warum ist Elektroschwache Skala << Planck Skala ??
v = 246 GeV
Das Higgs-Boson erhält
große skalenabhängige
Massenkorrekturen
MPlanck =1019GeV
DMH2 = aL2
=aMPlanck
2
Mögliche Lösungen:
Supersymmetrie
mit MSUSY ~ O(TeV)
d zusätzliche Raumdimensionen: MPl4+d = 1TeV
Kein Higgs-Boson: starke dynamische Symmetriebrechung
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19
Supersymmetrie (SUSY)
LHC: Squarks u. Gluino
Sleptonen +Gauginos
präzise Spektroskopie
bei TESLA!
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20
SUSY: Massenmessung
Beispiel: SUSY-Partner des Myons
a) E-Spektrum der m
Smyon+Neutralino
DM
= 0 .3 %
M
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]
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21
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-c02c01l+l-c01c01
M1 aus: 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
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22
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”
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“GMSB”
23
SUSY: LHC + TESLA
Wenn Squarks schwer sind, dann nur am LHC produzierbar
Komplexe Zerfallskette für Squarks
Genaue Bestimmung der Eigenschaften schwierig
z.B.
Nur am LHC
Genaue Messung
bei TESLA
verbesserte
Rekonstruktion
am LHC
Genauigkeit der
Massenbestimmung
LHC +
M(LSP) von TESLA
Mit DM/M=0.2 (1.0)%
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24
Zusätzliche Raumdimensionen
klassisch
m1m 2 1
V(r) =
M 2Pl r
GN=1/MPl2
ADD-Modell:
d neue Raumdimensionen mit Radius R,
in denen nur Gravitation „lebt“
m1m 2 1
m1m 2 1
V(r)  2δ δ
V(r)  2d d 1
MD r
ΜD R r
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)
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25
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:
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Direkte Gravitonproduktion
Signatur:
1 Photon + fehlende Energie
1  s 

s  2 
 D  M D 
1 ab-1 @500 GeV
+ 800 GeV
d
Auschlussgrenzen 95% CL
d
MD(TeV)
2
3
10.4
4
6.9 5.1
5
6
4.0
3.3
Entdeckung (5s) bis
d
2
3
4
5
6
MD(TeV)
7.9
5.6
4.2
3.4
2.9
Messung von WQ bei
500 und 800 GeV erlaubt
Bestimmung von MDund d !!
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27
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 !
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Kein Higgs Boson?
Streuung massiver Eichbosonen
Verletzung der
Unitarität bei s ~ 1.2TeV
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)
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Drei-Eichboson-Selbstkopplung (TGC)
Beschreibung durch effektive Lagrangediche
Leff = ai Li
mit
 v 
ai
=  
2
16p
 Li 
2
Theo. Argumente: L i < 3 TeV ai ~O(1)
Analyse der Winkelverteilungen
von e+e-WWqqln
Sensitivität auf L
„Forward tracking“ wichtig
bei 500 GeV, 500 fb-1
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30
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!
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31
Präzisionsuntersuchung des SM
s(pb)
Messung der Masse des Top-Quark
durch Schwellenscan des
Wirkungsquerschnitts
DM ~ 100 MeV
Dominiert durch
theo. Unsicherheit
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
DsinqW= 0.000013 (1/13xLEP)
DMW = 6MeV
(1/3xLEP)
Genauere theoretische
Vorhersage benötigt!
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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
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Fazit
• Physikpotenzial am Linearbeschleuniger ist faszinierend
TESLA 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 LHC
Nur 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,...
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Markus Schumacher, Das TESLA Projekt, Herbstschule Maria Laach 2003
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Unsichtbare Zerfälle des Higgs-Bosons
Unsichtbare Zerfälle des Higgs, z.B:
• MSSM hgc01c01
• Extra Dimensions
• Zusätzliche H-Singletts
(NMSSM,Majoron Models)
• Stealthy Higgs-Scenario
Fehlende Masse
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
500 fb-1 @ 350 GeV
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M 1