Ricerca del Bosone di Higgs

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1 Ricerca del Bosone di iggs Fenomenologia delle nterazioni Forti Diego Bettoni Anno Accademico

2 Produzione e Rivelazione del Bosone di iggs La teoria elettrodebole dipende in modo cruciale dal meccanismo di iggs, che richiede, nella sua orma minimale, l esistenza di una particella neutra (il bosone di iggs). La isica del meccanismo di iggs non è compresa. La rivelazione dello iggs è diicile per vari motivi: suoi accoppiamenti sono proporzionali alla massa, dunue piccoli per le particelle leggere (che sono uelle prodotte in maggiore abbondanza). La sua massa non è nota: ci sono vari limiti e congetture, ma non un modo univoco per determinarla (il parametro è ignoto). Le ricerche devo coprire il più ampio range di massa possibile. D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti

3 D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti g g uu g >> g g 6 α Γ F C G N Γ

4 k μ ( k0 ; k ) k μ ( k0 ; k ) k k r r r ε g g g ε ε ( x) ( y) ( z) (,0,0) ε ( 0,,0 ) ε ( 0,0,) ε μ D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti r r ( ε ; ε ) ( z) ( z) ( z) 0 r a riposo in moto con -impulso k μ Cerchiamo un uadrivettore che nel sistema di uiete sia (0,0,0,) e che soddisi μ ε μk 0 z r k ; k zˆ k 0 ε μ ( z) kμ k k >> ε μ ε ε g g Γ 6 0 α 6

5 D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti 5 Γ 8 F G Γ F Z Z G La larghezza dello iggs aumenta rapidamente con la sua massa Γ -, Z 0 Z 0

6 D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti 6 gg Questo decadimento avviene tramite loops che contengono uarks 6 Γ S F gg G α [ ] [ ] i η η η ± < > ± ln sin

7 D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti 7 γγ Questo decadimento avviene tramite loops e diagrammi a triangolo 8 G F Γ α γγ [ ] S S l i i S l l l Q Q

8 decadimenti in bosoni vettoriali dieriscono per un attore (simmetria di Bose in Z 0 Z 0 ). decadimenti in ermioni e bosoni di gauge procedono attraverso diagrammi ad albero. decadimenti in gluoni e otoni contengono contributi da loop. decadimenti in gluoni hanno un enorme ondo adronico. decadimenti in due otoni danno un canale pulito per l identiicazione del bosone di iggs. ( GeV ) > 80 decay bb, γγ bb, bb, * *, τ, ZZ * τ τ, ZZ, ZZ, tt τ D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti 8

9 Produzione ai Collider e e - e e V * V V (, Z ) leptoni Bremsstrahlung debole. Domina a basse energie ( GeV). La sezione d urto è massima vicina al picco della Z 0. σ GF Z ( ) e e Z ( sin θ ) 96 s Z Z ΓZ D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti 9 8k s k k è l impulso dello Z nel sistema del centro di massa. Sperimentalmente si osserva la Z 0 e da uesta si ricostruisce la massa di. sez Z s >. GeV Processo analogo ai collider adronici: * V V V, Z Limite dalle ricerche al LEP ( Z ) leptoni

10 D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti 0 A energie superiori a 500 GeV domina il processo di usione: e e ν ν ln F s G e e ν ν σ Caratterizzata da un basso livello di ondo. E piccola a basse energie, aumenta con l energia e inizia a dominare sopra i 500 GeV. bb γγ processo di usione γγ: olto debole per otoni di bassa energie.

11 Produzione ai Collider Adronici Nelle collisioni adroniche la sorgente più importante di bosoni di iggs è la usione di due gluoni. La sezione d urto puntiorme partonica è: σ ( gg ) 8 Γ ( gg) δ ( sˆ ) Per la sezione d urto totale adronica è importante tenere conto delle correzioni gluoniche di ordine superiore, perchè il loro contributo a aumentare σ. Questa diminuisce all aumentare di. Al Tevatron: gg bb usione gg * /Z * /Z produzione associata con o Z Elevata sezione d urto ( pb per 5 GeV) Per < 0 GeV il decadimento dominante è bb. Elevato ondo adronico, diicile da rivelare. canali e Z danno una segnale pulito con leptoni, neutrini, due b-jets. Può scoprire lo iggs se < 70 GeV. D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti

12 Ricerca del Bosone di iggs a LC LC produrrà collisione pp a TeV nel centro di massa. La luminosità integrata prevista è di 00 b -. Può osservare bosoni di iggs con massa ino a TeV. A ueste energie, oltre alla usione gg, i uark irraggiano bosoni di gauge. Nuovo processo di usione -: γγ, ZZ *,... Se > Z la scoperta può avvenire nel canale: pp adroni ZZ... (l l - ) (l l - )... golden channel.le coppie di leptoni hanno la massa invariante della Z 0. D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti

13 Altri Schemi di Rottura di Simmetria Se esiste un bosone di iggs con massa ineriore al TeV verrà scoperto a LC. Se uesto non succede è necessario ricorrere a strutture più complesse. Una possibile estensione dello S è uella supersimmetrica, in cui ci sono due doppietti di iggs: un bosone carico ( ± ), due neutri ( 0 e 0 ) e uno pseudoscalare (A). Gli iggs carichi possono venire prodotti a coppie in interazione e e - e. La massa del neutro più leggero dipende dalla massa del top: per t 75 GeV deve essere ( 0 ) < 0 GeV. Altra possibilità: lo iggs è uno stato legato uark-antiuark. Technicolor... D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti

14 asse dei Quark e degli Adroni Tre sorgenti di massa per gli adroni: constituent masses : massa media per costituente in un adrone. Deriva dal atto che uark e gluoni sono oggetti coninati. Δp /Δx Se Δx m Δp 00 ev. ree uark mass o current algebra mass : ha origine nell interazione con un campo scalare (massa dei ermioni, e Z nel modello standard tramite il meccanismo di iggs). Una sonda di energia opportuna è sensibile a entrambe ueste masse. Correzioni radiative: un terzo contributo alla massa deriva da interazioni che si possono calcolare, (es. con otone,, Z). Un esempio è la dierenza di massa (dovuta all interazione elettromagnetica) tra protone e neutrone. D. Bettoni Fenomenologia nterazioni Forti