Cząstka Higgsa własności, odkrycie i badania oddziaływań

Transkrypt

1 Cząstka Higgsa własności, odkrycie i badania oddziaływań Prof. dr hab. Elżbieta Richter-Wąs Instytut Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej

2 Odkrycia cząstek elementarnych a Nagrody Nobla M. Gell-Mann 1957 C. N. Yang, T. Lee 1965 S. I. Tomonaga, J. Schwinger, R.P Feynman 1969 M. Gell-Mann 1976 B. Richter, S. Ting 1979 S.L. Glashow, A. Salam, S. Weinberg 1980 J. Cronin, V. Fitch 1984 C. Rubbia, S. van der Meer 1988 L. M. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger 1990 J. Friedman, J. Kendall, R. Taylor G. Charpak 1995 M. Perl, F. Reines G. thooft, M. J. Veltman D. J. Gross, H. D. Politzer, F. Wilczek 2008 Y. Nambu, M. Kobayashi, T. Masakawa 2013 F. Englert, P. Higgs 2015 A. B. McDonald, T. Kajita Teoria Eksperyment 2

3 W dniu 4 lipca 2012, eksperymenty ATLAS i CMS na akceleratorze LHC w laboratorium CERN ogłosiły odkrycie nowej cząstki zgodnej z przewidywaniami tzw. mechanizmu Higgsa. 8 październik 2013 Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznaje Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za sformułowanie mechanizmu który wyjaśnia źródło masy cząstek elementarnych i który został potwierdzony poprzez odkrycie przewidywanej przez ten mechanizm cząstki elementarnej (eksperymenty ATLAS i CMS na LHC). 3

4 Prawa mechaniki kwantowej Model Standardowy cząstek elementarnych Cząstki materii (< cm) Cząstki oddziaływania Oddziaływanie słabe Oddziaływanie elektro-magnetyczne Oddziaływanie silne Cząstka Higgsa. Jest innym typem cząstki nie jest ani cząstką materii ani cząstką oddziaływania. 4

5 Masa (giga-elektron-volt) Spektrum mas cząstek elementarnych Gdyby masa cząstki W była mniejsza to czas reakcji termojądrowych byłby krótszy i zachodziłby przy niższej temperaturze Tarcza Słońca Masa elektronu jest 25 tysięcy razy mniejsza, ale gdyby była równa zero atom nie mógłby istnieć. Przy innych wartościach masy cząstek elementarnych Wszechświat byłby zupełnie inny lub by nie istniał. m = 0 5

6 Symetria Złamana symetria Masa Symetria układu fizycznego wymusza prawa zachowania Symetria dyskretna w sztuce (*) E. Noether (1918) H. Weyl (1918, 1929) Hermann Weyl (1918 /1929) Symetria układu fizycznego wymusza prawa oddziaływania masę. J. Goldstone (1961), Y. Nambu (1960) Spontanicznie złamana symetria ( ukryta symetria ) w układzie kwantowym może wygenerować Gdy kuleczka spadnie to symetria układu zostanie spontanicznie złamana i układ znajdzie się w stanie stabilnym. (*) Krata dekoracyjna wzornictwa chińskiego 6

7 Próżnia Pojęcie pola Mechanizm Higgsa Michael Faraday (1845) Wprowadził pojęcie pola dla opisu oddziaływania magnetycznego. Pole magnetyczne ma źródła. Linie sił pola magnetycznego Próżnia w klasycznym rozumieniu to jest przestrzeń pusta, stan o zerowej energii. Próżnia w mechanice kwantowej jest pełna życia. Następuje tam ciągła kreacja i anihilacja cząstek elementarnych. Obowiązują prawa symetrii oddziaływań. Stan podstawowy próżni może nie mieć zerowej energii. Mechanizm Higgsa (1964): Próżnia kwantowa wypełniona jest polem Higgsa. To pole nie ma ani źródeł ani struktury przestrzennej. Po spontanicznym złamaniu symetrii pole przestaje być obojętne i oddziaływanie cząstek z polem Higgsa nadaje im masę. Mechanizm przewiduje że istnieje masowa cząstka skalarna tzw. cząstka Higgsa, która jest kwantową fluktuacją tego pola. 7

8 Teorię należy potwierdzić eksperymentem It doesn t matter how beautiful your theory is, it doesn t matter how smart you are. If it doesn t agree with experiments, it s wrong. R. Feynman (To nie ma znaczenia jak piękna jest twoja teoria, nie ma znaczenia jaki jesteś inteligentny. Jeżeli nie zgadza się z eksperymentem to ta teoria jest nieprawdziwa.) R. Feynman Nie było dobrego pomysłu jak odkryć pole Higgsa. Przez wiele lat również odkrycie cząstki Higgsa wydawało się poza zasięgiem możliwości technologicznych eksperymentów. 8

9 W jaki sposób badamy cząstki elementarne, a w jaki strukturę wszechświata? Wielki Wybuch Duże odległości zdarzenia odległe w czasie LHC Wirus Promień Ziemi Odległość Ziemia-Słońce Promień Galaktyki Wszechświat cm LHC: Super mikroskop który sztucznie wytwarza warunki panujące s po Wielkim Wybuchu Małe odległości bardzo duże energie 9

10 Europejskie labolatorium CERN Założone w 1954 roku, to największe na świecie laboratorium w dziedzinie badań oddziaływań cząstek. Celem są badania podstawowe. 22 krajów członkowskich (Polska od 1992) 40 krajów stowarzyszonych zatrudnionych osób naukowców Mont Blanc Projekt LHC (Wielki Zderzacz Hadronów) to ponad 30-letnie przedsięwzięcie wymagające wizji, talentów, pasji, determinacji i zmierzenia się z wyzwaniami technologicznymi. Jezioro Genewskie CERN Od samego początku w przygotowaniu akceleratora i eksperymentów LHC 38 państw uczestniczyły zespoły z Polski: IFJ-PAN, AGH, Politechnika Krakowska, Uniw. Warszawski, ATLAS IBJ-Świerk Collaboration 10

11 LHC (Wielki Zderzacz Hadronów) Mont Blanc Jezioro Genewskie ATLAS CMS 27 km długości 100m pod ziemią 27 km długości 100m pod ziemią LHC 11

12 Zderzenia wiązek proton-proton Paczka protonów Proton Składniki protonu Składniki protonu Proton-Proton 2835 paczek/wiązkę Protonów/paczka 1.7 pęczków/wiązkę Energia wiązki 3.5, 4.0, 6.5 TeV Protonów/pęczek Energia wiązki Każdy proton porusza się z prędkością bliską prędkości światła i niesie kinetyczną energię muchy w locie, okrąża pierścień akceleratora 1100 razy na sekundę. Rozmiar poprzeczny wiązki: 16mm (4 razy mniejszy niż grubość ludzkiego włosa). Każda z wiązek niesie energię pociągu TGV o dł. 200 m i jadącego z prędkością 155km/godz (360M Jula). Produkty zderzeń E = m c 2 Takie zdarzenie pojawia się raz na 10 bilionów zderzeń 12

13 Detektor ATLAS i zespół badawczy Detektor ATLAS: 42m długości, 22 m średnicy; 3000 km kabli wyprowadzających sygnał; ponad 10 8 kanałów odczytu elektroniki; precyzja ustawienia elementów rzędu mikronów Zespół badawczy: Ponad 3000 fizyków, inżynierów i techników, w tym ponad 1200 doktorantów; 182 instytucji z 39 krajów; Zespoły polskie (obecnie): IFJ-PAN, AGH i Instytut Fizyki UJ, Politechnika Krakowska 13

14 Detektor ATLAS ATLAS Analiza zarejestrowanych zderzeń: W ciągu 6-ciu lat każdy eksperyment zarejestrował na dyskach ponad 10 miliardów interesujących zderzeń = 40 Petabyte danych. Gdyby zapisać je na płytkach CD to powstałby stos o wysokości 40 km. 14

15 Jak wygląda cząstka Higgsa? Prawdopodobieństwo < że jest to statystyczna fluktuacja tła. Analizowane są rozkłady wielowymiarowe. W danych zebranych w latach około 450 zarejestrowanych rozpadów cząstek Higgsa 15

16 Cząstka Higgsa w zderzeniach pp w LHC Bogata sygnatura eksperymentalna dla m H ~ 125 GeV; mierzona w różnych procesach oddziaływania i różnych stanach końcowych. Procesy produkcji Prawdopodobienstwo rozpadu 49 pb 3.8 pb 2.2 pb 0.51 pb 16

17 Badanie własności cząstki Higgsa Ponieważ cząstka Higgsa nie jest ani cząstka materii (fermionem) ani cząstka oddziaływania (bozonem o spinie 1) tak bardzo interesujące jest sprawdzenie jej własności. Czy są takie jakich wymaga Model Standardowy? Cząstka Higgsa oddziałuje bardzo słabo z innymi cząstkami. Być może jest tez oknem do poznania nowych obiektów które oddziaływają tylko z nią. Tzw. Higgs portal. Czy może przyczynić się do wytłumaczenia struktury i źródła materii obserwowanej w kosmosie. Tego nie wiemy, ale dlatego jest tak fascynujące sprawdzenie eksperymentalne wszystkich jej własności. 17

18 Siła oddziaływania z cząstką Higgsa Badanie własności cząstki Higgsa ( ) Masa = ± 0.24 GeV Stan kwantowy J PC = 0 + Oddziaływuje z cząstkami elementarnymi Siła oddziaływania (sprzężenia) z cząstkami elementarnymi jest proporcjonalna do ich masy. Wyniki pomiarów zgodne z przewidywaniami mechanizmu Higgsa! Masa (GeV) Obserwacja czy cząstka Higgsa oddziałuje sama ze sobą tak jak to przewiduje mechanizm Higgsa będzie to możliwe dopiero na podstawie danych zebranych w latach

19 Badanie własności cząstki Higgsa ( ) Obecnie trwa tzw. Run 2 akceleratora LHC przy energii zderzeń wiązek pp 13 TeV Zarówno akcelerator jak i detektory działają lepiej niż oczekiwano. Zebrane będzie 4-5 razy więcej danych niż w latach Analizy danych pozwoliły na pomiary sprzężeń cząstki Higgsa do bozonów z precyzja < 20% oraz bezpośrednią obserwacje sprzężeń do fermionów. Wyniki pomiarów zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego mechanizmu Higgsa!!! 19

20 Badanie Modelu Standardowego Publikacje 730 prac wysłanych do czasopism % - precyzyjne pomiary własności Modelu Standardowego 43% - poszukiwanie Nowej Fizyki 7% - możliwości detekcyjne Nie tylko coraz lepiej poznajemy Model Standardowy. Precyzja pomiarów zaczyna być porównywalna z precyzja obliczeń teoretycznych! 20

21 Badanie Modelu Standardowego: bozony W i Z Ogromna ilość zebranych przypadków bozonów W i Z (prawie 10 9 W i 10 8 Z) pozwoli na precyzyjny pomiar Dm W ~ 5 MeV i Dsin 2 q W ~

22 Badanie Modelu Standardowego: bozony W i Z Ogromna ilość zebranych przypadków bozonów W i Z (prawie 10 9 W i 10 8 Z) pozwoli na precyzyjny pomiar Dm W ~ 5 MeV i Dsin 2 q W ~

23 Program LHC (HL-LHC) na lata Zebranie 4 x więcej danych do roku 2023 oraz 40x więcej do roku 2037 Drugi etap (znacznie większe natężenie wiązki) wymaga dużych zmian detektorów co obecnie jest w trakcie realizacji. 23

24 Fizyka czastek w naszym życiu codziennym? Techniki akceleratorowe -> akceleratorów na świecie pracuje dla zastosowań w medycynie Terapia hadronowa Wymiana informacji przez strony WWW CERN, 1993 T. Berners-Lee Obrazowanie cyfrowe -> diagnostyka medyczna np. PET (Emisyjna Pozytonowa Tomografia) Techniki analizy ogromnej ilości danych w rozproszonych systemach komputerowych Na przykład: Epidemiologia Genetyka Symulacja klimatu 24

25 Tyle jeszcze pytań przed nami Fluctuation of a scalar field? LHC bada ten zakres energii, około s Dlaczego jest asymetria między materią i antymaterią we Wszechświecie? Czy potrafimy zrozumieć co to jest ciemna materia i ciemna energia które stanowią 95% Wszechświata Czy wartość próżniowa pola Higgsa ma związek ze stałą kosmologiczną równań Einsteina? COBE, WMAP, PLANCK Czy na samym początku nastąpiła fluktuacja pola skalarnego która zapoczątkowała ewolucje Wszechświata? W roku 2015 eksperymenty LIGO i VIRGO ogłosiły obserwacja fal grawitacyjnych. Kolejne fundamentalne odkrycie którego mieliśmy szanse doświadczyć. W roku 2017 została przyznana nagroda Nobla dla R. Weiss, B. Barnish i K. Thorne.

26 SPARES 26

27 Projekt przyszłego zderzacza kołowego w CERN Aravis 27

28 Poszukiwanie Nowej Fizyki 28

29 Poszukiwanie Supersymmetrii 29