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10. Massen
10.1. Das Higgs-Boson
10.1.1. Spontane Symmetriebrechung
Problem: SU(2)LU(1)Y masselose Eichbosonen W, Z, Zusätzlicher Klein-Gordon-Massenterm zerstört Eichsymmetrie
Lösung:
1) Spontane Symmetriebrechung durch eichinvariantes
Higgs-Potential
2) Higgs-Mechanismus zur Erzeugung massiver Teilchen
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Klassisches Analogon: Knick-Instabilität des elastischen Stabes
F Fc
x-Modey-Mode
(x,y) (0,0)
x
y
Vel
Phasenübergang
bei F Fc
x
y
Vel
-Mode
F Fc
r-Mode
(x,y) (v,0)
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LHC: pp bei (ab 2010), (ab 2015)
TeV87s TeV1413s
g
g
H
t
t
Gluon-Fusion (dominant) Vektorboson-Fusion
Hq
q
W, Z
W, Z
begleitende Produktion
q
Hq
WZ,WZ,
Higgs-Strahlung
g
g
H
t
t
t
tt t - Fusion
10.1.2. c) Experimentelle Suche am LHC
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Higgs-Verzweigungsverhältnisse vs. Higgs-Masse
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Wichtigste Higgs-Zerfallskanäle am LHC:
mH ≳110 GeV
*Z
H
ZH
νW
νW
*
mH 110 200 GeV
H
W
mH ≲ 150 GeV:
H
t
t
WW
t
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Ausgeschlossen: mH 111–122 und mH 131–559 GeV
Kombinierte ATLAS-Grenzen auf SMHH σσμ
?
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Entdeckung eines neuen Bosons (Juli 2012):
γγHATLAS CMS
Neues Boson mit Spin 0 oder 2 bei 125-126 GeV!
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4ZZH
ATLAS CMS
Bestätigung des Signals!
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ννWWH
ATLAS CMS
Bestätigung des Signals!
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Kompatibel mit Higgs-Bosons des Standardmodells?
• Likelihood-Analyse der Zerfallswinkelverteilung JP = 0+
• Kopplungsstärken im Rahmen der Fehler wie im SM
Ja, es ist wohl ein Higgs-Boson! Im Rahmen der Fehler ist es kompatibel mit dem Higgs-Boson!
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10.2. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen
10.2.1. Neutrinooszillationen
Standardmodell enthält noch unnötige Annahmen:
a) Leptonzahlen sind einzeln erhalten
b) Neutrinos werden künstlich exakt masselos gesetzt
Experiment a) und b) verletzt! CKM-Formalismus auch für Leptonen (Neutrinos) Flavour-Dynamik und Leptonzahl-Dynamik Flavour-Oszillationen und Lepton-Oszillationen
genauer Neutrino-Oszillationen CP-Verletzung auch im Neutrino-Sektor
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Beispiel: Betrachte nur zwei Neutrino-Sorten:
Massen-Eigenzustände 1, 2 Massen m1, m2
Schwache Eigenzustände e, z.B. via
Unitäre Transformation:
2
1
μ
e
νν
θcosθsinθsinθcos
νν
μ
e
2
1
νν
θcosθsinθsinθcos
νν
Analogon zum Cabibbo-Winkel
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10.2.2. Solare Neutrinos
Fusionszyklen hoher Neutrinofluss von der Sonneschwache WW
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a) Detektormaterial 37Cl (Reinigungsmittel):
Argonnachweis: -Strahlung nach K-Einfang
Davis-Experiment: 500 Tonnen Detektormaterial 1-3 Reaktionen pro Monat
Resultat: e-Fluss ⅓ FlussTheorie
Mögliche Gründe:
MeV 81,0E füreArνCleν
37e
37
Strahlung-γνCleAr e37
K37
Sonnenmodell falsch? Berechneter Neutrinofluss ist extrem sensitiv auf Kerntemperatur der Sonne!
Neutrinooszillationen?
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b) Solarkonstante (direkt messbar) pp-Zyklus
GALLEX-Experiment (Gran-Sasso-Tunnel bis 1997)
erstmals sensitiv auf pp-Neutrinos!
Germanium-Nachweis: -Strahlung nach K-Einfang
MeV 4,0Eeν
MeV 23,0E füreGeνGaeν
71e
71
Strahlung-γνGaeGe e71
K71
Resultat: e-Fluss ⅔ FlussSolarkonstante
c) Nachweis aller Neutrinosorten: SNO-Experiment
Resultat: Fluss(e,,) FlussTheorie
Fluss(e) FlussTheorie
Neutrinooszillationen!
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10.2.3. Atmosphärische Neutrinos
Super-Kamiokande-Experiment: Untergrund Wasser-Cherenkov-Detektor
Č-Licht eČ-Licht
e.m. Schauer
Juni 1998: Definitiver Nachweis von Neutrinooszillationen verschwinden, e werden nicht zusätzlich erzeugt
also: oder X
90% C.L.:
Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos)
90,0θ2sineV100,3mΔeV109,1
atm2
232atm
23
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Herkunft atmosphärischer Neutrinos:
Wechselwirkung hochenergetischer kosmischer Strahlung (Protonen, Kern) mit Atomkernen der Erdatmosphäre
p N Pionen ( Kaonen Kernfragmente … )
Ladung 1 Ladung 0 oder 1
π#π#
γγπ0e.m. Sub-Schauer in Atmosphäre
μνμπ μνμπ
μe ννe μe ννe
Grobe Erwartung: 2
ν,νN
ν,νN
ee
μμ
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Beobachtung: Zenitwinkelabhängigkeit
Erde
Detektor
-Erzeugung
2
ν,νN
ν,νN
ee
μμ
-Erzeugung
2
ν,νN
ν,νN
ee
μμ
-Oszillation auf dem 12 700 km langen Weg durch die Erde
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Ausschlussgrenzen für spezifische
Oszillationskanäle
95% CL Konturen für beobachtete
Oszillationen