Search for neutral higgs bosons in e+e- collisions
Creators: name: Raspereza, Alexei
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2004
Subjects: subject: Standardmodell
subject: Suchen
subject: Higgs Bosonen
subject: Minimales Supersymmetrisches Standardmodell
subject: Standard Model
subject: Searches
subject: Minimal Supersymmetric Standard Model
subject: Higgs bosons
subject: 530 Physik
subject: 29 Physik, Astronomie

description: Diese Arbeit beschreibt die Suche nach dem Higgs Boson, welches in vielen theoretischen Modellen der Teilchenphysik vorhergesagt wird. Das Higgs Boson ist die Konsequenz der spontanen Symmetriebrechung, welche den Teilchen Masse verleiht. Zur Suche werden e+e- Annihilationen bei Schwerpunktenergien bis 209 GeV analysiert, welche vom Experiment L3 am Speicherring LEP in den Jahren 1998 bis 2000 registriert wurden. Die Suche erfolgte in allen relevanten Endzustaenden, wobei der Endzustand mit vier hadronischen Jets im Detail behandelt wird. Die Daten werden mit den Erwartungen eines Signals in verschiedenen Modellen bei Beruecksichtigung der bekannten Untergrundprozesse verglichen oder es wird modellunabhaengig nach der Erzeugung skalarer Teilchen gesucht. Die Produktion von Higgs Bosonen konnte nicht nachgewiesen werde. Die Daten wurden daher benutzt, um neue Grenzen fuer Parameter der Modelle oder der Kopplungen zu setzen. Als erstes wird die Suche nach dem Higgs Boson im Standard Modell der elektroschwachen Wechselwirkung beschrieben. Die Produktion des Higgs Bosons wird bei LEP Energien ueber die Higgs-Strahlung und der Zerfall des Higgs Bosons in ein Paar von b-Quarks vorhergesagt. Die Analysen beruhen daher wesentlich auf der Erkennung von B-Hadronen. Der HZ-&gt;qqqq Endzustand wird im Detail untersucht, und die Ergebnisse werden mit den anderen Kanaelen : HZ-&gt;qqvv, HZ-&gt;qql+l- und HZ-&gt;tau+tau- qq kombiniert. Die untere Massengrenze fuer das Higgs Boson wird zu mH &gt; 112.0 GeV auf 95% Vertrauensniveau, bestimmt. Ausserdem werden Grenzen auf die HZZ Kopplung abgeleitet. Im minimalen supersymmetrischen Modell (MSSM) werden fuenf Higgs Bosonen vorhergesagt. Zur Higgs-Strahlung kommt die Paarproduktion von Higgs Bosonen, e+e- -&gt; hA , hinzu. Die Ergebnisse der Suche im Standard Modell werden durch die Suche in den Endzustaenden bb tau+tau- (tau+tau- bb), bbbb und hZ-&gt;AAqq ergaenzt. Im Rahmen von drei Standard-Szenarien, benannt als "mh-max", "no mixing" und "large-mu" werden untere Grenzen auf die Higgs Boson Massen von mh &gt; 84.5 GeV und mA &gt; 86.3 GeV fuer tan(beta) &gt; 0.7 abgeleitet. Weiterhin werden im "mh-max" Szenario 0.55 &lt; tan(beta) &lt; 2.2, im "no mixing" Szenario 0.4 &lt; tan(beta) &lt; 4.9, und im "large-mu" Szenario 0.7 &lt; tan(beta) &lt; 6.2 ausgeschlossen. Eine modellunabhaengige Suche nach dem Prozess e+e- -&gt; hZ wird fuer den vier-Jet Endzustand durchgefuehrt. In Kombination mit den Ergebnissen von den anderen Kanaelen werden Grenzen fuer die hZZ Kopplung bestimmt. Wird die hZZ Kopplung auf den Wert im Standard Modell gesetzt und der Zerfall des Higgs Bosons zu 100% in Hadronen angenommen, ergibt sich als Grenze der Higgs Boson Masse, mh &gt; 97 GeV. Modellunabhaengige obere Grenzen fuer die hAZ Kopplung werden aus der Suche nach der Paarerzeugung von Higgs Bosonen in den Kanaelen hA-&gt;qqqq und hA-&gt;qq tau+tau- in Abhaengigkeit von den Higgs Boson Massen abgeleitet. Die Resultate aus der Kombination aller LEP Experimente werden fuer die oben genannten Analysen vorgestellt. Die Perspektiven der Higgs Boson Suche an den TEVATRON und LHC Speicherringen werden diskutiert und die Higgs Boson Physik an kuenftigen e+e- Linearbeschleunigern behandelt. Ein Linearbeschleuniger wie TESLA waere ideal fuer Untersuchungen eines leichten Higgs Bosons. Fuer ein Higgs Boson mit einer Masse zwischen 120 und 180 GeV kann mH mit einer Praezision von 40 bis 70 MeV bestimmt werden. Im gleichen Massenbereich ist die Messung des Wirkungsquerschnitts, weitgehend modellunabhaengig, mit einem relativen Fehler von 2.6 bis 3.8% moeglich. In vier-Fermion und sechs-Fermion Endzustaenden werden topologische Wirkungsquerschnitte, definiert als Produkt des totalen Wirkungsquerschnitts fuer e+e- -&gt; HZ mit dem Verzweigungsverhaeltnis eines Zerfallskanals, untersucht. Fuer den Messfehler werden 1.1% fuer HZ-&gt;bbqq und 13% fuer HZ-&gt;W+W-l+l- bei mH = 120 GeV abgeschaetzt. Die Gesamtheit dieser und weiterer Messungen erlaubt eine genaue Bestimmung des Higgs Boson Profils und gibt Aufschluss ueber die Struktur des Higgs Sektors in der Natur.
description: This thesis is devoted to the search for neutral Higgs bosons predicted by various theoretical models. The Higgs boson arises as a result of spontaneous breaking of SU(2) symmetry leading to the generation of masses of fermions and weak bosons. The search is done in all experimentally related channels using the data collected at center-of-mass energies up to 209 GeV in the years 1998-2000 with the L3 detector at the Large Electron Positron collider, LEP. Here the study of the final states characterised by four jets is described in detail. For other final states the analyses are briefly reviewed and the results are reported. The data are compared with the expectation from the Standard Model background processes and with various signal hypotheses. A model independent search for neutral Higgs bosons is also performed. No evidence for the production of Higgs bosons is found. New mass limits are determined superseding previous mass limits established by L3 and other experiments. First I describe the analysis searching for the Standard Model Higgs Boson. Its production at LEP is expected mainly via the Higgs-strahlung process. In the mass range accessible at LEP the Standard Model Higgs Boson is predicted to decay dominantly into a pair of b and anti-b quarks, hence the dedicated analyses are optimised for the H-&gt;bb decay mode. The four-jet signal topology is investigated and then combined with the other search channels leading to a lower mass limit of mH &gt; 112.0 GeV at 95% C.L.. The results of the search are also interpreted in terms of limits on the HZZ coupling. In the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) the Higgs sector is extended to five physical states. The Higgs-strahlung process is complemented by the mechanism of the Higgs boson pair production e+e- -&gt; hA. Therefore, for the interpretation of the results in the framework of the MSSM the Standard Model analyses are combined with the hA -&gt; bb tau+tau-, hA -&gt; bbbb and hZ-&gt;AAqq channels. Three benchmark MSSM scenarios denoted "mh-max", "no mixing" and "large-mu" are considered. Using L3 data the lower bounds on the Higgs boson masses mh &gt; 84.5 GeV mA &gt; 86.3 GeV are derived at 95% C.L. for tan(beta) &gt; 0.7. For the "mh-max", "no mixing" and "large-mu" scenarios, ranges 0.55 &lt; tan(beta) &lt; 2.2, 0.4 &lt; tan(beta) &lt; 4.9 and 0.7 &lt; tan(beta) &lt; 6.2, respectively, are ruled out. A model independent search for the Higgs-strahlung process with subsequent decay of h into hadrons is carried out in the four-jet channel. The results of the analysis are then combined with the other channels. A limit on the hZZ coupling as a function of the Higgs boson mass is derived. The results of L3 combined search establish a 95% C.L. lower mass limit, mh &gt; 97 GeV, for a hadronically decaying Higgs boson assuming the cross section of the Higgs-strahlung process to be equal to the value predicted by the Standard Model and the branching fraction of the Higgs boson into hadrons equal to 100%. Analyses are developed to search exclusively for the hA -&gt; bbbb, hA -&gt; qqqq, hA -&gt; bb tau+tau- and hA -&gt; qq tau+tau- final states. Results of these analyses are translated into a 95% C.L. upper limit on the hAZ coupling as a function of Higgs boson masses. Searches for neutral Higgs bosons carried out by the L3 collaboration are combined with searches performed in other LEP experiments. The results of this combination are reported. The perspectives of Higgs boson searches at TEVATRON and LHC are briefly reviewed. The prospects of Higgs physics at a future linear e+e- collider are discussed. The potential of the TESLA detector foreseen at the TESLA linear collider for the determination of Higgs boson properties is studied. The Higgs boson masses 120, 150 and 180 GeV are considered. It is shown that a precision of 40 - 70 MeV in the measurement of the Higgs boson mass can be achieved. A model independent method to measure the e+e- -&gt; HZ cross section is proposed. The method is based on the study of the inclusive HZ -&gt; X e+e- and X mu+mu- channels. The relative error in the determination of the cross section varies between 2.6% and 3.8% for Higgs boson mass ranging from 120 GeV to 180 GeV. For the four-fermion and six-fermion final states arising from the Higgs-strahlung process the accuracy of the measurement of a topological cross section, defined as the product of the Higgs-strahlung cross section and the branching fraction of the specific final state, is investigated. The relative uncertainty of this measurement varies from 1.1% and 13%, depending on final state and Higgs boson mass. These and other measurements will allow to determine the profile of the Higgs boson and give insight into the structure of the Higgs sector in nature.