lecture’16’–the’higgs’boson’’playfer/higgs.pdf · the’higgs’poten:al’...

16
Lecture 16 – The Higgs Boson 12/3/10 1 Par:cle Physics Lecture 16 Steve Playfer M Will it be produced at the LHC?

Upload: others

Post on 18-Jul-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Lecture  16  –  The  Higgs  Boson    

12/3/10   1  Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer  

M-­‐

Will  it  be  produced    at  the  LHC?  

Page 2: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Spontaneous  Symmetry  Breaking  •  Start  with  a  system  that  has  an  intrinsic  symmetry  

•  By  choosing  a  par:cular  ground  state  configura:on  of  this  system  the  symmetry  is  broken  

•  If  the  choice  is  arbitrary,  i.e.  no  external  agent  is  responsible  for  the  choice,  then  the  symmetry  is  “spontaneously”  broken  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   2  

Everyday  example:  A  circle  of  people  are  siUng  at  a  dining  table  with  napkins    between  them.  The  first  person  who  picks  up  a  napkin,  either  with  their  leV  or  right    hand  spontaneously  breaks  the  L/R  symmetry.  All  the  others  must  do  the  same  if  everyone  is  to  end  up  with  a  napkin.      

Physics  example:  In  a  domain  inside  a  ferromagnet  all  the  spins  align  in  a  par:cular  direc:on.  If  the  choice  of  direc:on  is  random,  the  underlying  theory  has  a  rota:onal  symmetry  which  is  spontaneously  broken.    The  presence  of  an  external  magne:c    explicitly  breaks  the  symmetry  and  defines  a  preferred  direc:on.    

Page 3: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

The  Higgs  Poten:al  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   3  

A  complex  scalar    field φ in  a  vacuum    has  real  and  imaginary  parts  φ1  and  φ2  

Poten:al  Energy  U  has  a  “mexican  hat”    shape  with  a    minimum  at  |φ|  ≠ 0  

U(φ)  =  µ2  φ†  φ    +  λ (φ†  φ  )2            with    µ2  <  0  and  λ  >  0            

U(φ)  is  symmetric  under  rota:on  of  the  complex  phase  of  φ.    Choice  of  par:cular  phase  spontaneously  breaks  this  symmetry.    

Free  energy  of  a  ferromagnet  is:      G  =  α|M|2  +  β|M|4    with    α  <  0  and  β  >  0  This  is  symmetric  under  rota:on  of  the  magne:sa:on  vector  M.    Choice  of  par:cular  direc:on  spontaneously  breaks  this  symmetry.    

Page 4: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Standard  Model  Higgs  Field  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   4  

Introduce  a  weak  isospin  doublet  of  complex  scalar  fields:  

Three  degrees  of  freedom  are  spontaneously  broken.  Two  complex  phases  are  set  to  zero,  and  an  isospin  rota:on    removes  φ+    to  give  a  ground  state:  

From  the  Higgs  poten:al  the  vacuum  expecta:on  value  (vev)    of  this  ground  state  is:                                                                                          v  =  √(2|µ|2/λ)      

Page 5: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Introducing  the  Higgs  Boson  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   5  

Consider  a  fluctua:on  of  the  Higgs  field  about  its  minimum:  

φ(x)  =  φ0  +  h(x)      =    

Expand  the  Higgs  poten:al  to  second  order  in  h(x):  

                 U(φ)  =  U0  +    µ2  (2vh  +  h2)  + λ (4v3h  +  6v2h2)  =  U0  +    λv2h2                                                                                            2                                                                        4            A  poten:al  energy  which  is  quadra:c  in  the  field  rela:ve  to  the  minimum  can  be  interpreted  as  a  mass  term  in  the  Lagrangian:                                            L =  L0      +  1  m2  (φ ‒ φ0)2  

                                                                           2  The  Standard  Model  has  one  scalar  Higgs  boson  with  a  mass:                                              MH

2  =  2  λv2                    MH  =  √2 |µ|    MH  (or  µ)    is  a  free  parameter  (to  be  determined  experimentally!)  

Page 6: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Higgs  Couplings  to  Vector  Bosons  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   6  

In  unbroken  electroweak  symmetry  there  is  a  weak  isospin  Higgs  field  coupling    to  the  W1,2,3    and  a  hypercharge  coupling  to  the  B:                                                                            g  τ.W  φ      +    g’  B φ 2 2

These  give  addi:onal  terms  in  the  Electroweak  Lagrangian:    

Note  that  by  wri:ng  the  Higgs  field  as    φ =φ0    and  mixing  the  vector  boson    states  we  have  now  spontaneously  broken  electroweak  symmetry    

Expanding  this  expression  gives  terms:                                                    LH      =      (gv)2  W+W-    +    v2  Z0Z0

4 8

N.B.  There  is  no  term  containing  the  photon  A0  =  gW3  +  g’B  The  photon  does  not  couple  to  the  Higgs  field  and  is  massless!  

Page 7: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

The  Electroweak  Scale  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   7  

The  Higgs  field  couplings  in  the  Lagrangian  can  be  iden:fied  with    vector  boson  mass  terms:                                                    MW        =      vg                      MZ  =  v  √(g2 +g’2) = MW 2 2 cosθW

By  expanding  the  Higgs  field  about  its  minumum  φ0    using    φ  =  v  +  h  it  is  also  possible  to  obtain  the  trilinear  gauge  couplings  HW+W-­‐  and  HZ0Z0  

                   H→WW  vertex        =      g  MW     H→ZZ  vertex        =        g  MZ  

cosθW  

From  measured  masses  the  “electroweak  scale”  is  defined  by  v  =  246  GeV  This  is  the  vacuum  expecta:on  value  of  the  Higgs  field    v  =  √(2|µ|2/λ)    Note  that  v    is  another  free  parameter  of  the  Standard  Model  

Couplings  of  Higgs  boson  to  WW  and  ZZ  are  propor:onal  to  their  masses.    

Page 8: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Higgs  Couplings  to  Fermions  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   8  

The  scalar  Higgs  field  must  couple  to  a  leV  and  right-­‐handed  fermion-­‐an:fermion  pair.    In  the  Electroweak  Lagrangian  there  are  addi:onal  terms  for  these  fermion  interac:ons:  

Lf  =  gf  (  fL  fR  +  fR  fL  )  v    +      gf  (  fL  fR  +  fR  fL  )  h  

The  first  term  is  interpreted  as  a  fermion  mass  term:      mf  =  gf  v  

The  vacuum  Higgs  field  generates  fermion  masses  propor:onal    to  the  coupling  strengths    gf    N.B.  these  are  all  s1ll  free  parameters  in  the  Standard  Model!  

The  second  term  describes  the  Higgs  boson  couplings  to  fermions  H  →  f  f    

It  predicts  that  the  Higgs  boson  couplings  should  be  propor:onal  to  the    fermion  masses  mf  

Page 9: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Precision  Electroweak  Bounds  on  MH  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   9  

Diagrams  involving  the  Higgs  boson  give  correc:ons    to  electroweak  predic:ons  which  depend  on  MH    

                                           MH  =  85+39-­‐28  GeV                MH  <  144  GeV  (90%  C.L.)    

MH  >  114  GeV    from  searches              at  LEP2      Blue  band  

     is  χ2  from  Electroweak                  fit  

Page 10: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Searches  for  the  Higgs  at  LEP  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   10  

LEP-­‐1    at  √s ∼ ΜΖ  (1989-­‐1995)  

Higgsstrahlung    with  a  ZZH    vertex  

No  evidence  for  a  light  Higgs:                MH  >  46  GeV    (~  MZ/2)    

LEP-­‐2    at  √s ∼ 200GeV  (1996-­‐2001)  

Associated  ZH  produc:on  

No  evidence  for  a  light  Higgs:                MH  >  114  GeV    (~  √s  –  MZ)    

virtual  

real  

virtual  Z0  

Page 11: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Higgs  Produc:on  at  Hadron  Colliders  

•  Gluon-­‐gluon  fusion    gg  →  H            Dominant  mechanism  at  the  LHC            (can  also  have  H  t  t    final  state)  

•  Quark-­‐an:quark  annihila:on  and                Higgsstrahlung    qq  →  WH  or  ZH              Associated  produc:on  with              a  vector  boson  

•  Vector  boson  fusion    WW→  H              or  ZZ→  H              Known  as  “central”  produc:on            (underlying  quark  jets  in  final  state)  12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   11  

Page 12: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Higgs  Produc:on  Cross-­‐Sec:ons  at  LHC  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   12  

Gluon  fusion  

Central  produc:on  

Associated  produc:on  

Page 13: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Higgs  Decay  Modes  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   13  

MH  =  115  GeV  

H  →  bb  (~80%)  H  →  τ+τ-  (~8%)  H  →  WW  (~8%)  H  →  cc  (~3%)  H  →  γγ  (~0.2%)  

MH  =  144  GeV  

H  →  WW  (~60%)  H  →  bb  (~25%)  H  →  ΖΖ  (~8%)  

Note  that  for  MH  <    2MW  (2MZ)  the  vector  bosons  are  virtual  

Page 14: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Searches  for  Higgs  at  Tevatron  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   14  

Tevatron  Higgs  working  group    hup://tevphwg.fnal.gov  

1

10

130 140 150 160 170 180 190 200

1

10

mH(GeV)R lim CDF + D0 Run II

L=4.8-5.4 fb-1 ExpectedObserved

Expected !1Expected !2

SM=1

Ra:os  of  sensi:vi:es  are    compared  to  Standard  Model  

The  Tevatron  begins  to  exclude    a  region  around  MH~2MW  

January  2010  

Associated  WH/ZH    produc:on  with  H  →  bb   H  →  WW/ZZ    

Page 15: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Higgs  signals  at  LHC  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   15  

H  →  ΖΖ →  e+e-µ+µ-

in  ATLAS  experiment    H  →  γγ

in  CMS  experiment    S:ll  only  simula:ons!  Wait  a  few  years…  

Page 16: Lecture’16’–The’Higgs’Boson’’playfer/higgs.pdf · The’Higgs’Poten:al’ 12/3/10’ Par:cle’Physics’’’’Lecture’16’’’Steve’Playfer’ 3 Acomplex’

Higgs  Self-­‐Couplings  

12/3/10   Par:cle  Physics        Lecture  16      Steve  Playfer   16  

H0  

H0  

H0  

Coupling  is  propor:onal  to  λv  

H0  

H0  

H0  

H0  

Coupling  is  propor:onal  to  λ  

Measurements  of  these  determine  parameter  λ  in  Higgs  poten:al  Very  hard  to  do  at  LHC  …    Probably  requires  ZHH  produc:on  at  a  √s ∼ 1TeV    e+e-  collider