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

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)

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

Higgs-Verzweigungsverhältnisse vs. Higgs-Masse

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

Ausgeschlossen: mH 111–122 und mH 131–559 GeV

Kombinierte ATLAS-Grenzen auf SMHH σσμ

?

Entdeckung eines neuen Bosons (Juli 2012):

γγHATLAS CMS

Neues Boson mit Spin 0 oder 2 bei 125-126 GeV!

4ZZH

ATLAS CMS

Bestätigung des Signals!

ννWWH

ATLAS CMS

Bestätigung des Signals!

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!

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

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

10.2.2. Solare Neutrinos

Fusionszyklen hoher Neutrinofluss von der Sonneschwache WW

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?

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!

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

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

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

Ausschlussgrenzen für spezifische

Oszillationskanäle

95% CL Konturen für beobachtete

Oszillationen