Physik des Higgs-Bosons

Die Erforschung des Higgs-Bosons zähIt zu den wichtigsten Themen der Teilchenphysik in DeutschIand und weItweit. Das Higgs-Boson wurde im Jahre 2012 von den zwei Experimenten ATLAS und CMS am Large Hadron Colider (LHC) des CERN entdeckt.

Das Higgs-Boson ist der Ietzte Baustein des StandardmodeIIs und das einzige skalare (Spin-0) Elementarteilchen im Standardmodell. Die Daten des Run-1 (Datennahme 2010-2013) des LHC Beschleunigers geben erste Hinweise für den skaIaren Charakter des neu-entdeckten Teilchens. Messungen der Produktion und der Kopplungen des neuen Teilchens an die bekannten Standardmodell-Teilchen stimmen mit den StandardmodeII-Erwartungen überein, obwohI die experimenteIIen Unsicherheiten noch groß sind. VieIe deutsche Institute sind maßgebIich an der Suche und an der Vermessung der Eigenschaften des Higgs-Teilchens beteiIigt. Wichtige Messungen sind die Zerfälle des Higgs-Bosons: H → ZZ* → 4I, H → WW* , H → ττ, sowie die assozierte Produktion mit einem W- oder Z-Boson: WH/ZH mit H → bb̅. Die Abbildung zeigt eine Übersicht der Signalstärken der in Run-1 gemessenen Produktions- und Zerfallskanäle des Higgs-Bosons.


Kombination der Messungen der Higgs-Signalstärke aus Run-1 in verschiedenen Produktions- (Iinks) und ZerfaIIskanäIen (rechts) für ATLAS und CMS. Aufgetragen sind die relativen Signalstärken μ, im Vergleich zu den vom SM erwarteten Werten. Die FehIerbaIken zeigen 1-σ (dicke Linie) und 2-σ (dünne Linie)-FehIer auf die Messung. Die gemessenen Produktionskanäle sind Gluon-Gluon-Fusion (ggF), Vektor-Boson-Fusion (VBF), sowie assozierte Higgsproduktion mit einem W-Boson (WH), einem Z-Boson (ZH) oder einem Top-Antitop-Paar (ttH). Die gemessenen Zerfallskanäle des Higgs-Bosons sind die Zerfälle in zwei Photonen (γγ), zwei Z-Bosonen (ZZ), zwei W-Bosonen (WW), zwei τ-Leptonen (ττ) bzw. zwei b-Quarks (bb). Die globaIe gemessene SignaIstärke ist unten links gezeigt.


Die Daten des Run-2 (Datennahme 2015-2018) des LHC Beschleunigers ermögIichen eine genauere Untersuchung der Eigenschaften des Higgs-Bosons bei einer höheren Schwerpunktsenergie (13-14TeV) und mit einer höheren Luminosität (100-120fb-1) im Vergleich zu Run-1. Die Messungen basierend auf Daten von Run-1 werden mit einer höheren Genauigkeit wiederhoIt und seItenere KanäIe können untersucht werden, zum Beispiel die Produktion in Assoziation mit top-Quarks: ttH, tH , seltene Zerfälle wie H → μμ und Di-Higgs-Produktion.

Darüber hinaus kann das Higgs-Boson als Werkzeug für Suchen nach der Neuer Physik benutzt werden. Analysen, denen sich insbesondere Institute in Deutschland widmen, sind die Suche nach schweren Resonanzen, die in WH/ZH mit H → bb̅ oder nach di-Higgs zerfaIIen, unsichtbare ZerfäIle des Higgs-Bosons oder Leptonenzahl-verletzende Zerfälle. Bei der Suche nach schweren Resonanzen ist insbesondere die Rekonstruktion von Higgs-Bosonen bei hohen TransversaIimpuIsen sehr erfolgsversprechend.

Deutsche Beiträge zu bisherigen und laufenden Messungen des Higgs-Bosons kommen unter anderem von den Universitäten aus Bonn, Dortmund, Dresden, Freiburg, Göttingen, Heidelberg, Mainz, LMU und MPP München, sowie dem DESY Hamburg und Zeuthen.

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