Physics with 500 gev LC

Physics with 500 GeV LC
Hitoshi Murayama (UC Berkeley)
LC Retreat
Santa Cruz, June 27, 2002


W e are interested in
things we don’t see

2


Energy budget of Universe
• Σταρσ ανδ γαλαξιεσ αρε ονλψ 0.1%
• Νευτρινοσ αρε ∼0.1–10%
• Ρεστ οφ ορδιναρψ µαττερ (ελεχτρονσ ανδ
προτονσ) αρε ∼5%
• ∆αρκ Ματτερ ∼25%
• ∆αρκ Ενεργψ ∼70%
• Αντι−Ματτερ 0%
• Ηιγγσ βοσον ∼1062%??
3


The Cosmic Questions
•
•
•
•
•

Ωηατ ισ ∆αρκ Ματτερ?
Ωηατ ισ ∆αρκ Ενεργψ?
Ηοω µυχη ισ Νευτρινο χοµπονεντ?
Ισ Ηιγγσ Βοσον ρεαλλψ τηερε?
Ωηερε διδ Αντι−Ματτερ γο?

4


Synergy at TeV scale
• ∆αρκ Ματτερ
ΩM

1
0.756(n+1)xn+
3s0
α 2 /(TeV)2
f
= 1/2
2≈
3
σ ann
g σ annMPl 8πH0

• Φερµι (Ηιγγσ) σχαλε
v~250GeV

• ∆αρκ Ενεργψ

ρΛ~(2meV)4 vs (TeV)2/M Pl~0.5meV

• Νευτρινο
(∆m 2LMA)1/2~7meV vs (TeV)2/M Pl~0.5meV

Τες−σχαλε πηψσιχσ λικελψ το βε ριχη

5


Fermi’s dream era
• Φερµι φορµυλατεδ
τηε φιρστ τηεορψ οφ
ωεακ φορχε (1933)
• Κνεω τηε ρεθυιρεδ
ενεργψ το στυδψ τηε
προβλεµ: ∼Τες
• Ωε αρε φιναλλψ
γεττινγ τηερε!

6


Higgs Boson


Mystery of the “weak force”
• Γραϖιτψ πυλλσ τωο µασσιϖε
βοδιεσ (λονγ−ρανγεδ)
• Ελεχτριχ φορχε ρεπελσ τωο
λικε χηαργεσ (λονγ−ρανγεδ)

• “Ωεακ φορχε” πυλλσ προτονσ
ανδ ελεχτρονσ (σηορτ−ρανγεδ)
αχτσ ονλψ οϖερ 10–16 χµ
[νεεδ ιτ φορ τηε Συν το βυρν!]

8


Something is in the Universe

•
•
•
•

Τηερε ισ σοµετηινγ φιλλινγ ουρ Υνιϖερσε
Ιτ δοεσν’τ διστυρβ γραϖιτψ ορ ελεχτριχ φορχε
Ιτ δοεσ διστυρβ ωεακ φορχε ανδ µακε ιτ σηορτ−ρανγεδ
Ωηατ ισ ιτ??

9


Like a superconductor
• Ιν α συπερχονδυχτορ, µαγνετιχ φιελδ γετσ ρεπελλεδ
(Μει⇓νερ εφφεχτ), βυτ πενετρατεσ ονλψ οϖερ
“πενετρατιον λενγτη”
⇒ Μαγνετιχ φιελδ ισ σηορτ−ρανγεδ!
Ιµαγινε α πηψσιχιστ λιϖινγ ιν α συπερχονδυχτορ
• Φιναλλψ φιγυρεδ:

–
–
–
–

magnetic filed must be long-ranged
there must be mysterious charge-two condensate in his “Universe”
But doesn’t know what the condensate is, nor why it condenses
Doesn’t have enough energy to break up Cooper pairs

Τηατ’σ τηε σταγε ωηερε ωε αρε!

10


Higgs Boson is Most Likely
“Just A round the Corner”
• Αλλ χυρρεντ δατα
χοµβινεδ, σενσιτιϖε
το θυαντυµ εφφεχτσ
οφ τηε Ηιγγσ βοσον
µΗ<196Γες (95%ΧΛ)
(ΛΕΠΕΩΩΓ Ωιντερ 2002)

• Τεϖατρον ατ
Φερµιλαβ, ΙΛ, ηασ
χηανχε το δισχοϖερ
Ηιγγσ βοσον βψ 2008

11

Higgs Boson at LHC
• ΛΗΧ ωουλδ δισχοϖερψ
Στανδαρδ Μοδελ Ηιγγσ
βοσον οφ ανψ µασσ ωιτηιν
3 ψεαρσ! (2011?)
• ∆οεσ ιτ σεττλε τηε ισσυε?
Ι’µ αφραιδ νοτ.
• Συπποσε Η→γγ δισχοϖερεδ,
χροσσ χηεχκεδ βψ ττΗ
φιναλ στατε
• Τεχηνιπιον? Σχαλαρ ορ
πσευδο−σχαλαρ? ∆οεσ ιτ
χουπλε το Ω/Ζ?

12


Questions to be answered
• Ισ τηε παρτιχλε δισχοϖερεδ ρεαλλψ τηε Ηιγγσ
βοσον?
– Is it really responsible for particle masses?
– Does this have the right quantum number 0 +?
– Is it condensed in the Universe?

• Προϖε ιτ ισ τηε “Οριγιν οφ Μασσ”
–
–
–

–

Spin/Parity
Couplings
V acuum expectation value
Branching Ratios

13


Higgs Boson at LC
• Ανγυλαρ
διστριβυτιον ιν ε+ε–
→ΖΞ δεπενδσ ον
Ξ=η, Α, ς

Ισ ιτ α 0+ βοσον?

14


Higgs Boson at LC
• Βρανχηινγ
Φραχτιονσ τεστ τηε
ρελατιον χουπλινγ
∝ µασσ
⇒ προϖεσ τηατ Ηιγγσ
Βοσον ισ τηε
“Οριγιν οφ
Μασσ”(Βατταγλια)

15


Higgs Boson at LC
• ΖΗ φιναλ στατε
• ΑΛΡ προϖεσ ιτ ισ δυε
το σ−χηαννελ Ζ−
εξχηανγε

16


Higgs Boson at LC
• ΖΗ φιναλ στατε
• ΑΛΡ προϖεσ ιτ ισ δυε
το σ−χηαννελ Ζ−
εξχηανγε
• Ωε κνοω Ζ:γαυγε
βοσον, Η: σχαλαρ
βοσον ⇒ ονλψ τωο
ϖερτιχεσ
17


Higgs Boson at LC
• ΖΗ φιναλ στατε
• ΑΛΡ προϖεσ ιτ ισ δυε το
σ−χηαννελ Ζ−εξχηανγε
• Ωε κνοω Ζ:γαυγε
βοσον, Η: σχαλαρ

βοσον ⇒ ονλψ τωο
ϖερτιχεσ
• Νεεδ α ςΕς το γετ ΖΖΗ
ϖερτεξ
18


Higgs Boson at LC
• ΖΗ φιναλ στατε
• ΑΛΡ προϖεσ ιτ ισ δυε το
σ−χηαννελ Ζ−
εξχηανγε
• Ωε κνοω Ζ:γαυγε
βοσον, Η: σχαλαρ
βοσον ⇒ ονλψ τωο
ϖερτιχεσ
• Νεεδ α ςΕς το γετ ΖΖΗ
ϖερτεξ⇒ προϖεσ ιτ ισ
τηε οριγιν οφ µΖ

ΗΜ, ΛΒΝΛ−38891

19


A bsolute confidence is crucial
for a major discovery
• “Νεω Ψορκ Τιµεσ” λεϖελ χονφιδενχε
“Οριγιν οφ Μασσ Υνχοϖερεδ”
στιλλ α λονγ ωαψ το

• “Ηαλλιδαψ−Ρεσνιχκ” λεϖελ χονφιδενχε
“Ωε ηαϖε λεαρνεδ τηατ µασσεσ οφ αλλ
ελεµενταρψ παρτιχλεσ οριγινατε ιν τηε
χονδενσατε οφ σο−χαλλεδ Ηιγγσ βοσον οφ
µασσ 124Γες/χ2.”
20


Post-Higgs Problem


Post-Higgs Problem
• Ωε σεε “ωηατ” ισ χονδενσεδ
• Βυτ ωε στιλλ δον’τ κνοω “ωηψ”
• Τωο προβλεµσ:
– Why anything is condensed at all
– Why is the scale of condensation ~TeV<• Εξπλανατιον λικελψ το βε ατ Λ∼Τες σχαλε
βεχαυσε Ηιγγσ σελφ−ενεργψ δµΗ2∼Λ2
22


Three Directions
• Ηιστορψ ρεπεατσ ιτσελφ
– Crisis with electron solved by anti-matter
– Double #particles again ⇒ supersymmetry

• Λεαρν φροµ Χοοπερ παιρσ
– Cooper pairs composite made of two electrons
– Higgs boson may be fermion-pair composite

⇒ technicolor

• Πηψσιχσ ενδσ ατ Τες
– Ultimate scale of physics: quantum gravity
– May have quantum gravity at TeV
⇒ hidden dimensions

23


24


25