Na tropach czastki Higgsa

Transkrypt

1 Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F.Żarnecki Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych Instytut Fizyki Doświadczalnej Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.1/38

2 Plan wykładu Wprowadzenie Czastki i oddziaływania w Modelu Standardowym Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.2/38

3 Plan wykładu Wprowadzenie Czastki i oddziaływania w Modelu Standardowym Skad się bierze czastka Higgsa? Problem masy i spontaniczne łamanie symetrii Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.2/38

4 Plan wykładu Wprowadzenie Czastki i oddziaływania w Modelu Standardowym Skad się bierze czastka Higgsa? Problem masy i spontaniczne łamanie symetrii Co wiemy o czastce Higgsa? Precyzyjne testy Modelu Standardowego Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.2/38

5 Plan wykładu Wprowadzenie Czastki i oddziaływania w Modelu Standardowym Skad się bierze czastka Higgsa? Problem masy i spontaniczne łamanie symetrii Co wiemy o czastce Higgsa? Precyzyjne testy Modelu Standardowego Poszukiwania czastki Higgsa Wyniki eksperymentów w LEP i SLC Perspektywy poszukiwań w LHC i ILC Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.2/38

6 Plan wykładu Wprowadzenie Czastki i oddziaływania w Modelu Standardowym Skad się bierze czastka Higgsa? Problem masy i spontaniczne łamanie symetrii Co wiemy o czastce Higgsa? Precyzyjne testy Modelu Standardowego Poszukiwania czastki Higgsa Wyniki eksperymentów w LEP i SLC Perspektywy poszukiwań w LHC i ILC Podsumowanie Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.2/38

7 Model Standardowy Budowa materii Czasteczka 10 9 m Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.3/38

8 Model Standardowy Budowa materii Atom m Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.3/38

9 Model Standardowy Budowa materii Jadro atomowe m Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.3/38

10 Model Standardowy Budowa materii Nukleony m Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.3/38

11 Model Standardowy Budowa materii Kwarki i elektrony < m Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.3/38

12 Model Standardowy Budowa materii Świat codzienny : 3 cegiełki (elektron oraz kwarki u i d) Fizyka czastek 12 fundamentalnych cegiełek materii, fermionów leptony kwarki pokolenie 1 e elektron ν e neutrino el. d down u up pokolenie 2 µ mion ν µ neutrino mionowe s strange c charm pokolenie 3 τ ν τ b t taon neutrino taonowe beauty top (bottom) (truth) ładunek [e] 1 0 1/3 +2/3 + anty-fermiony (kolejnych 12) Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.4/38

13 Model Standardowy Oddziaływania Opisujemy je jako wymianę czastek - nośników Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.5/38

14 Model Standardowy Wyróżniamy cztery podstawowe oddziaływania przenoszone przez odpowienie nośniki γ g elektromagnetyczne silne W + Z 0 W - G slabe grawitacyjne Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.6/38

15 Model Standardowy Oddziaływania Nośnik oddziaływania przenosi energię i/lub pęd między czastkami będacymi źródłami tego oddziaływania oddziaływanie źródło nośnik masa grawitacyjne masa grawiton G 0 elektromag. ładunek foton γ 0 silne kolor gluony g 0 słabe ładunek słaby bozony W ± 80 GeV pośredniczace Z 91 GeV 1 GeV = ev masa protonu Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.7/38

16 Problem masy Ilościowy opis oddziaływań w Modelu Standardowym, przy użyciu formalizmu kwantowej teorii pola, oparty jest na założeniu pewnych szczególnych symetrii (tzw. symetrii cechowania) obowiazuj acych w świecie czastek. Z symetrii cechowania wynika, że wszystkie nośniki oddziaływań powinny być bezmasowe. Tylko wtedy teoria daje w pełni konsystentne wyniki... Z drugiej strony doświadczenie pokazuje, że bozony W ± i Z maja niezerowa masę... czy potrafimy pogodzić wymóg symetrii z doświadczeniem?! Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.8/38

17 Problem masy Analogia klasyczna Podobny problem spotykamy rozważajac kulkę w osiowosymetrycznej czaszy (w jednorodnym polu grawitacyjnym). g Nawet jeśli nie znamy kształtu czaszy możemy oczekiwać, że położenie równowagi kulki znajduje się na osi symetrii czaszy. Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.9/38

18 Problem masy Analogia klasyczna Podobny problem spotykamy rozważajac kulkę w osiowosymetrycznej czaszy (w jednorodnym polu grawitacyjnym). Nawet jeśli nie znamy kształtu czaszy możemy oczekiwać, że położenie równowagi kulki znajduje się na osi symetrii czaszy. Jednak doświadczenie może wykazać, że kulka nie znajduje się na osi symetrii!... Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.9/38

19 Spontaniczne łamanie symetrii Możliwe wytłumaczenia: na kulkę działa dodatkowa siła, skierowana pod katem do osi F Q Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.10/38

20 Spontaniczne łamanie symetrii Możliwe wytłumaczenia: na kulkę działa dodatkowa siła, skierowana pod katem do osi czasza nie ma symetrii osiowej w obu tych przypadkach musimy przyznać, że nasza symetria jest złamana (nie obowiazuje) Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.10/38

21 Spontaniczne łamanie symetrii Możliwe wytłumaczenia: na kulkę działa dodatkowa siła, skierowana pod katem do osi czasza nie ma symetrii osiowej w obu tych przypadkach musimy przyznać, że nasza symetria jest złamana (nie obowiazuje) czasza zachowuje symetrię osiowa ale położenie na osi nie jest stanem równowagi trwałej kulka stacza się wybierajac jedno z wielu możliwych położeń równowagi Stoczenie się kulki powoduje spontaniczne złamanie symetrii! Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.10/38

22 Spontaniczne łamanie symetrii Na możliwość nadania mas nośnikom oddziaływań poprzez spontaniczne łamanie symetrii wskazał czterdzieści lat temu (1964) Peter W. Higgs. Mechanizm spontanicznego łamania symetrii, zwany także mechanizmem Higgsa, jest podstawa współczesnej teorii oddziaływań elektrosłabych. Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.11/38

23 Mechanizm Higgsa Wyobraźmy sobie salę bankietowa równomiernie wypełniona ludźmi (pole Higgsa) Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.12/38

24 Mechanizm Higgsa Pojawia się sławny naukowiec (bozon cechowania) przyciagaj ac uwagę zebranych... Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.13/38

25 Mechanizm Higgsa Ludzie cisnacy się wokół naukowca utrudniaja mu poruszanie się (nadaja mu masę) Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.14/38

26 Mechanizm Czastka Higgsa Ludzie na bankiecie moga też spontanicznie tworzyć zgęszczenia oczekujemy istnienia dodatkowej czastki Higgsa Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.15/38

27 Model Standardowy Podsumowanie czastki materii kwarki i leptony Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.16/38

28 Model Standardowy Podsumowanie czastki materii kwarki i leptony nośniki oddziaływań γ, g, W ± i Z Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.16/38

29 Model Standardowy Podsumowanie czastki materii kwarki i leptony nośniki oddziaływań γ, g, W ± i Z bozon Higgsa konieczny dla zapewnienia spójności modelu Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.16/38

30 Testy Modelu Standardowego e + e Z Model Standardowy został bardzo dokładnie przetestowany w zderzeniach e + e w akceleratorach LEP (CERN, Genewa) i SLC (Stanford, USA). W przekroju czynnym na produkcję hadronów widać wyraźne maksimum odpowiadajace produkcji bozonu Z Bardzo precyzyjne pomiary: M Z = ± GeV energia dostępna Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.17/38

31 Testy Modelu Standardowego e + e W + W Wkład od trzech różnych procesów: e+ e ν W + e+ e W γ W + e+ Z ο W + W e W σ WW (pb) LEP PRELIMINARY 02/08/2004 Sprzężenia wynikaja z przyjętych symetrii cechowania ścisłe przewidywania modelu Doświadczenie potwierdza strukturę sprzężeń Modelu Standardowego 10 0 YFSWW/RacoonWW no ZWW vertex (Gentle) only ν e exchange (Gentle) s (GeV) energia dostępna Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.18/38

32 Testy Modelu Standardowego Porównanie Model Standardowy ma jedynie trzy wolne parametry opisujace oddziaływania (+ masy czastek i Higgsa). Model tłumaczy wyniki wszystkich dotychczasowych pomiarów oddziaływań elektrosłabych! Porównanie pomiarów z teoria np. m W = ± GeV pomiar m W = GeV dopasowanie Brakuje nam tylko... czastki Higgsa! α (5) had (m Z ) ± m Z [GeV] ± Γ Z [GeV] ± σ 0 had [nb] ± R l ± A 0,l fb ± A l (P τ ) ± R b ± R c ± A 0,b fb ± A 0,c fb ± A b ± A c ± A l (SLD) ± sin 2 θ lept eff (Q fb ) ± m W [GeV] ± Γ W [GeV] ± m t [GeV] ± Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.19/38

33 Poszukiwanie Higgsa w LEP Masa bozonu Higgsa Obecność czastki Higgsa wpływa na przebieg wielu procesów. Z ich precyzyjnych pomiarów możemy oszacować jej masę. Analiza wszystkich dostępnych danych wskazuje, że masa Higgsa powinna wynosić około 100 GeV: m h = GeV lub: m h <260 GeV Rozpady Czastka Higgsa ma szczególne własności: rozpada się najchętniej na najcięższe dostępne stany... Dla m h <135 GeV dominuje rozpad w pary b b... W LEP szukano przypadków produkcji Higgsa: e + e h Z b b X Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.20/38

34 Przypadek z eksperymentu ALEPH Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.21/38

35 Przypadek z eksperymentu L3 candidate for e + e Hνν 2 jets + missing energy Jet Jet 1 L3 Jet 1 Jet 2 Jet 2 Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.22/38

36 Wyniki LEP Rozkład masy dla przypadków LEP zgodnych z hipoteza produkcji czastki Higgsa Łagodna selekcja: dobra zgodność z przewidywaniami dla procesów tła Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.23/38

37 Wyniki LEP Rozkład masy dla przypadków LEP zgodnych z hipoteza produkcji czastki Higgsa Ostra selekcja: W obszarze m h 115 GeV widać niewielki nadmiar przypadków: 4 obserwowane, 1.2 oczekiwane. Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.23/38

38 Wyniki LEP Rozkład masy dla przypadków LEP zgodnych z hipoteza produkcji czastki Higgsa Events / 3 GeV/c Ostra selekcja: LEP Data Background Data 18 Backgd 14 Signal 2.9 s = GeV Signal (115 GeV/c 2 ) all > 109 GeV/c Tight m H rec (GeV/c 2 ) W obszarze m h 115 GeV widać niewielki nadmiar przypadków: 4 obserwowane, 1.2 oczekiwane. Przypadki te moga pochodzić od produkcji Higgsa. Niestety, przy zebranej liczbie przypadków nie jest to efekt znaczacy statystycznie. Nie można wykluczyć, że jest to fluktuacja. LEP wyłaczono zanim zdołał wyjaśnić ten efekt... Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.23/38

39 LEP LEP był największym dotad zbudowanym akceleratorem. Zbudowany w CERN pod Genewa miał obwód ok. 27 km. Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.24/38

40 LEP LHC LEP był największym dotad zbudowanym akceleratorem. Zbudowany w CERN pod Genewa miał obwód ok. 27 km. W tym samym tunelu budowany jest obecnie akcelerator LHC. Uruchomienie LHC planowane jest na rok Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.24/38

41 LHC pro- mieć Przeciwbieżne wiazki tonów w LHC maja energię 2 7 TeV (1 TeV = 1000 GeV) Intensywność wiazek będzie tak duża, że oczekujemy produkcji do 1000 czastek Higgsa na godzinę! Przypadków produkcji czastki Higgsa będa poszukiwać dwa eksperymenty: ATLAS i CMS Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.25/38

42 Detektor CMS Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.26/38

43 Stan przygotowań - ATLAS Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.27/38

44 Poszukiwanie Higgsa w LHC Poszukiwania bozonu Higgsa a następnie pomiar jego parametrów będzie jednym z głównych tematów badań w LHC. Najbardziej obiecujacy jest kanał: pp H Z Z l + l l + l gdyż naładowane leptony (e ± i µ ± ) można łatwo zidentyfikować Eksperymenty przy LHC będa mogły zidentyfikować bozon Higgsa w Modelu Standardowym w pełnym zakresie mas. Uruchomienie LHC otworzy nowy rozdział w fizyce czastek elementarnych... Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.28/38

45 Symulacja eksperymentu CMS H ZZ µ + µ µ + µ Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.29/38

46 Projekt ILC Aby precyzyjnie zmierzyć własności czastki Higgsa planowana jest już budowa kolejnego akceleratora - akceleratora liniowego e + e. International Linear Collider (ILC) Jedna z koncepcji akceleratora: Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.30/38

47 Projekt ILC Do niedawna rozważanych było kilka koncepcji budowy akceleratora Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.31/38

48 Projekt ILC Do niedawna rozważanych było kilka koncepcji budowy akceleratora W sierpniu 2004 międzynarodowa komisja zadecydowała, że ILC powinien być zbudowany w oparciu o technologię nadprzewodzacych wnęk przyspieszajacych. Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.31/38

49 Precyzyjne pomiary w ILC Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.32/38

50 Precyzyjne pomiary w ILC Rekonstrukcja przypadków produkcji bozonu Higgsa m H = 120 GeV m H = 200 GeV Events 60 Simulated data Signal Combinatoric Background TESLA 500 GeV L = 500 fb -1 m H = 200 GeV Di-boson mass (GeV) Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.33/38

51 Fizyka czastki Higgsa w Warszawie Badanie własności czastki Higgsa jest jednym z głównych kierunków badań w fizyce czastek elementarnych na Wydziale Fizyki Instytut Fizyki Teoretycznej Precyzyjne rachunki dotyczace procesów z udziałem czastki Higgsa. Przewidywanie własności czastki Higgsa w rozszerzeniach Modelu Standardowego. Instytut Fizyki Doświadczalnej Precyzyjne pomiary i poszukiwanie bozonu Higgsa w LEP udział w eksperymencie DELPHI. Poszukiwanie czastki Higgsa w LHC przygotowywanie eksperymentu CMS. Badanie czastki Higgsa w ILC udział w pracach koordynowanych przez ECFA. Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.34/38

52 W 2007 roku dowiemy się gdzie jest czastka Higgsa. Rozpocznie się nowy rozdział w fizyce czastek. Wciaż możesz wziać w tym udział!... Higgs czeka także na Ciebie! Na tropach czastki Higgsa Wykład inauguracyjny 2004/2005 A.F. Żarnecki p.35/38