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Measurement of Higgs Boson Properties with CMS and Search for Lepton Flavor Violation with Mu3e

English title Measurement of Higgs Boson Properties with CMS and Search for Lepton Flavor Violation with Mu3e
Applicant Wallny Rainer
Number 200642
Funding scheme Project funding
Research institution Institut für Teilchen- und Astrophysik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Particle Physics
Start/End 01.04.2021 - 31.03.2025
Approved amount 1'802'539.00
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Keywords (7)

Large Hadron Collider; Monolithic Active Pixel Sensors ; Pixel Detector Technology; Precision Measurements ; Lepton Flavor Violation ; Hadron Collider Physics ; Higgs Boson

Lay Summary (German)

Lead
Einige der wichtigsten wissenschaftlichen Fragen, mit denen sich die Teilchenphysik derzeit beschäftigt, ist die genauere experimentelle Charakterisierung des im Jahre 2012 gefundenden Higgsbosons sowie die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Dieses Gesuch widmet sich diesen Fragen in zwei grossen Ansätzen. Zum einen werden die Eigenschaften des Higgsbosons mithilfe des CMS Experiments am CERN untersucht, zum anderen wird mit dem sich im Bau befindlichen Mu3e Experiment am PSI die Frage nach Physik jenseits des Standardmodells gesucht in Form des die „charge lepton flavour“ verletzenden Zerfalls von Myonen in Elektronen und Positronen. Weiterhin unterstützt dieses Gesuch Studien zur Verbesserung der Detektortechnologie.
Lay summary

Im Jahre 2012 haben die beiden grossen Experimente des Large Hadron Colliders (LHC) am europäischen Teilchenphysikforschungszentrums CERN das Higgsboson entdeckt. Eine wichtige Komponente dieses Forschungsprojektes ist die genaue Bestimmung seiner Eigenschaften mittels des Compact Muon Solenoid (CMS) Experiments. Abweichungen von Eigenschaften des gefundenen Teilchens von denen im Standardmodell vorausgesagten würden einen indirekten Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells liefern. Dieses Projekt widmet sich der Messung von Prozessen, die eine Bestimmung der Kopplungen des Higgsbosons an schwere Quarks (bottom und top quarks) ermöglicht.

Ein weiterer Teil des Forschungsprojektes  befasst sich weiterhin mit einem extrem seltenen Zerfall des Myons, dem Prozess "mu+ -> e+e-e+". Ein solcher "Lepton Flavour Violating" Prozess wurde allerdings bei Myonen noch nie gemessen und ist im Standardmodell der Teilchenphysik stark unterdrückt. Ein Entdecken dieses seltenen Myonen-Zerfalls würde somit eindeutig auf die Existenz von physikalischen Prozessen hindeuten, die in unserem normalen Standard Modell der Teilchenphysik nicht enthalten sind, und wäre vergleichbar wie die Entdeckung neuer Elementarteilchen wie etwa dem Higgs-Boson. Bestimmte theoretische Modelle zur Erweiterung des Standardmodells sagen einen solchen Zerfall innerhalb der erwarteten Sensitivität  des Mu3e Experimentes vor.

Dieses Projekt unterstützt weiterhin die Arbeit von ETH Wissenschaftlerinnen und  Wissenschaftler an der Verbesserung von Detektortechnologie auf der Basis von Siliziumsensoren. Für den Upgrade des CMS Barrel-Pixel-Detektors für den "Phase 2” Ausbau des LHC, welcher nach 2024-26 stattfinden wird, werden Detektorkomponenten untersucht mit einer feineren Granularität der Ausleseelektronik und hoher Auslesegeschwindigkeit.  Für das Mu3e Experiment werden neue Detektoren vorgeschlagen, die die Leistungsmerkmale auf für dieses Experiment ebenfalls weiter verbessern.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 09.05.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
201540 Building and Commissioning the Mu3e Experiment 01.05.2021 FLARE
186172 FLARE - Computing Infrastructure for LHC Experiments 01.04.2019 FLARE
186238 FLARE 2019-2021: Operation, Computing and Upgrades of the CMS Experiment 01.04.2019 FLARE
178826 Measurement of Higgs Boson Properties and Upgrade of the CMS Pixel Detector for Phase-2 01.04.2018 Project funding
173598 FLARE: Maintenance & Operation for the LHC Experiments 2017-2020 01.04.2017 FLARE
197084 Exploitation and Upgrades of the CMS experiment at the LHC: the next phase 01.11.2020 Project funding
172519 Search for the Lepton Flavour Violating Decay "Mu --> e e e" (Mu3e) 01.07.2017 Project funding

Abstract

With this grant proposal, we would like to request support for our research program in particle physics tackling fundamental questions of the field. The research proposed is conducted with the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment operating at the Large Hadron Collider (LHC) at the European Center for Particle Physics (CERN) and the Mu3e experiment being constructed at the Paul Scherrer Institute (PSI). With the spectacular discovery of a Higgs boson at CERN, a success to which scientists of this proposal have contributed in a leading manner, the measurement of its properties becomes a high priority in order to precisely survey the mechanism of electroweak symmetry breaking. The Higgs mechanism is an important part of the Standard Model (SM) of particle physics and hence its study is one of the most important goals in the field. Furthermore, precision measurements of the Higgs boson’s properties might also reveal whether there is physics Beyond the Standard Model (BSM). Such physics is expected, since without it fine tuning in the Higgs boson’s radiative corrections would be required to stabilize the Higgs boson mass at its relatively low measured value. In addition, astronomical observations suggest that there is “Dark Matter” in the Universe, the particle physics description of which is still lacking.In this grant proposal, we will concentrate on precision measurements of Higgs boson decays into two b-quarks using the production mode in association with a vector boson (W or Z) as well as in association with a top quark pair. The two processes will provide information to extract, at improved precision, the coupling of the Higgs boson to b quarks and vector bosons as well as the top quark-Higgs boson Yukawa coupling, all fundamental parameters of electroweak symmetry breaking. A second line of inquiry is proposed with continuing and consolidating our involvement in the Mu3e experiment tackling the lepton flavor violating charged lepton decay mu+ -> e+e-e+ . This decay is highly suppressed in the SM and thus provides an ideal laboratory to search for new physics modifying the charged lepton couplings. Furthermore, recent anomalies observed in B-decays, suggesting lepton flavor violation could be present and be connected to new physics that would also render a possible mu+ -> e+e-e+ signal within reach of Mu3e. As a salient feature of our proposal, data analysis lines both on CMS and Mu3e are complemented for each experiment by a strong and innovative component developing tracking detectors, both of which in turn could mutually benefit each other. This proposal continues some lines of research of our previous SNF grant No. 200020 178826 (PI R. Wallny) and grant No. 200021 172519 (PI C. Grab) and, with the impending retirement of Prof. C. Grab end of 2020, consolidates those efforts in one base grant proposal. Concerning activities proposed for the CMS experiment, this grant is dedicated to activities of the ETH Zurich CMS group centered around the operations, physics exploitation and upgrade of the CMS pixel detector. This effort is related but complementary to grant No. 200020B 197084 held by Prof. G. Dissertori (PI) dedicated to the operations, physics exploitation and upgrade of the CMS electromagnetic calorimeter (ECAL). There are several common activities between both umbrella grants, underlining the collaborative spirit of the CMS group at ETH Zurich.
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