Tevatron schafft Nachweis von ZZ und verstärkt Verdacht auf leichtes Higgs

2008-08-01 Anton Rebhan

Der Tevatron-Beschleuniger am Fermilab bei Chicago konnte erstmals die gleichzeitige Produktion von zwei Z-Bosonen nachweisen, ein extrem seltener Prozess, dessen Nachweis als fast so schwierig gilt wie die Entdeckung des Higgs-Teilchen, an dem in den nächsten Jahren sowohl das Tevatron als auch der LHC am CERN um die Wette arbeiten werden. Bei der Higgs-Suche kann das Tevatron inzwischen sogar schon mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Standardmodell-Higgs mit Masse um die 170 GeV ausschließen.

Zwei Z-Bosonen zusammen haben etwa die Masse, die man für das Higgs-Teilchen erwartet. Unter 200,000,000,000,000 Proton-Antiproton-Kollisionen finden sich gerade einmal 3 solche Ereignisse. Dass der Nachweis am Tevatron gelang, stellt eine starke Ansage für den Wettlauf um die Entdeckung des Higgs-Teilchens dar. Wenn das LHC wie vorgesehen heuer in Betrieb geht, kann es zwar viel mehr Ereignisse liefern als das Tevatron, und auch mit weit höheren Energien, aber es wird einige Zeit vergehen, bis das LHC so zuverlässig laufen wird wie in der Zwischenzeit das Tevatron. Das Rennen ist jedenfalls völlig offen.

Folgende Grafik zeigt die bereits abgehakten Nachweise am Tevatron. Die vertikale Skala ist der sogenannte Wirkungsquerschnitt - je kleiner desto seltener das gesuchte Ereignis. In welchen Prozessen und mit welchem Wirkungsquerschnitt das Higgs zu finden sein wird, ist noch ziemlich unklar, aber es könnte für das Tevatron mit seinen jetzt bewiesenen Fähigkeiten bereits in Reichweite liegen.

Bild-Quelle: Fermilab

UPDATE: Auf der Ende Juli bis Anfang August abgehaltenen International Conference on High Energy Physics 2008 konnten die beiden Fermilab-Experimente CDF und D0 durch Kombination ihrer Datenauswertungen mittlerweilen ein Standardmodell-Higgs mit Masse um die 170 GeV mit 95%er Sicherheit ausschließen, wie folgende Grafik zeigt:

Die schwarze Kurve zeigt den "Confidence Level", d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass ein Higgs mit der auf der x-Achse angegebenen Masse ausgeschlossen werden kann. Als Standardwert für einen offiziellen "Ausschluss" wird üblicherweise die 95%-Marke genommen, und dieser wird gerade eben für 170 GeV erreicht.

Die oft zitierte untere Schranke bei 115 GeV, die von den LEP-Experimenten am CERN in den 90er Jahren kommt, bedeutet ebenfalls, dass das Higgs mit 95%iger Wahrscheinlichkeit schwerer ist. Allerdings geht diese Wahrscheinlichkeit rapide an die 100%, wenn man danach fragt, ob das Higgs schwerer als 110, 105 etc. GeV ist.

Die Tevatron-Experimente dagegen können nur mit zunehmender Unsicherheit ein etwas leichteres oder auch etwas schwereres Higgs-Teilchen ausschließen. Ist man aber noch mit 90% Wahrscheinlichkeit zufrieden, so ergibt obige Grafik schon einen Ausschluss des Massenbereiches von 162-177 GeV, und so fort. Dieser Massenbereich ist nun gerade der, wo das Higgs-Teilchen schwer genug ist, um in ein WW-Paar zerfallen zu können, was es gut nachweisbar macht, und auch noch nicht so schwer, dass es mit der beschränkten Energie des Tevatron zu schwierig herzustellen wäre.

Paradoxerweise könnte also das Higgs-Teilchen zu leicht sein, um für das Tevatron nachweisbar zu sein. Bei Massen unter 160 GeV hat das Higgs-Teilchen andere Zerfallsmuster, die den sprichwörtlichen Heuhaufen, aus dem das Higgs rauszusuchen ist, noch monströser machen. Folgende 2 Grafiken zeigen für die beiden Tevatron-Experimente getrennt die jeweiligen oberen Schranken für die Produktionsraten eines Higgs-Teilchen in Abhängigkeit von der Higgs-Masse:

Die schwarzen Linien haben nun folgende Interpretation: Mit 95%iger Wahrscheinlichkeit liegt die Produktionsrate eines Higgs-Teilchens mit der angegebenen Masse unter dem Wert, der auf der vertikalen y-Achse in Vielfachen der Standardmodell-Vorhersage aufgetragen ist. Das heißt, wenn die Kurve unter 1 fällt, kann das Higgs-Teilchen (des Standardmodells!) nicht die angegebene Masse haben. Man sieht, dass CDF und D0 ein 170 GeV-Higgs nicht allein ausschießen können, sondern man muss ihre Daten dafür kombinieren.

Interessant ist, dass im Massenbereich 115-155 GeV beide Experimente weniger einschränkende Schranken ergeben, als zu erwarten gewesen wäre, wenn in diesem Bereich nur "Hintergrundereignisse" stattfinden (die strichlierte Kurve in den farbigen Bändern). Das ist ein schwacher aber nicht zu übersehender Hinweis, dass sich das Higgs-Teilchen dort verstecken könnte. Gleichzeitig verdichten sich auch die indirekten Hinweise, dass das Higgs-Teilchen leichter als 155 GeV sein dürfte: die neuesten Analysen der Auswirkung eines schweren Higgs-Teilchens auf die vielen anderen Prozesse des Standardmodells favorisieren immer stärker ein relativ leichtes Higgs-Teilchen.

Für die LHC-Experimente sind das gute und schlechte Nachrichten zugleich: Ein relativ leichtes Standardmodell-Higgs braucht ziemlich große Datenmengen, um es eindeutig identifizieren zu können. Das macht es für das Tevatron schwierig, dem LHC die Entdeckung des Higgs vor der Nase wegzuschnappen, aber auch für das LHC wird sich die Suche damit schwieriger gestalten. Am Ende könnte sich womöglich herausstellen, dass die in den 90er Jahren zugunsten des LHC eingestellten LEP-Experimente die besten Chancen gehabt hätten, das Higgs-Teilchen zu entdecken und zu erforschen, da die LEP-Experimente Elektronen statt wie LHC und Tevatron Protonen verwendeten, und letztere für ein leichtes Higgs viel mehr unerwünschte Hintergrundereignisse produzieren.

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