Pierwsze dwa lata LHC

Transkrypt

1 Pierwsze dwa lata LHC Barbara Wosiek Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego, Polskiej Akademii Nauk Radzikowskiego 152, Kraków B. Wosiek, Sem. W-wa 1

2 Plan Wstęp LHC 2010/2011 Eksperymenty LHC Model Standardowy Fizyka ciężkich kwarków Fizyka zderzeń ciężkich jonów Poszukiwania Higgs Supersymetria Egzotyka Podsumowanie i perspektywy tylko wybrane rezultaty W referacie wykorzystano materiały z referatów prezentowanych na konferencjach EPS-HEP (lipiec 2011) i Lepton-Photon (sierpień 2011) B. Wosiek, Sem. W-wa 2

3 Wstęp LHC Large Hadron Collider Wielki Zderzacz Hadronów najpotężniejszy akcelerator cząstek Główne cele fizyczne LHC Sprawdzenie Modelu Standardowego (SM) w nowym zakresie energii Wyjaśnienie mechanizmu łamania symetrii elektrosłabej (odkrycie cząstki Higgs a) Poszukiwanie Nowej Fizyki przy skali energii rzędu TeV Zidentyfikowanie cząstki (cząstek) Ciemnej Materii (DM) Precyzyjna fizyka ciężkich kwarków Fizyka zderzeń ciężkich jonów, badanie diagramu fazowego Chromodynamiki Kwantowej (QCD) B. Wosiek, Sem. W-wa 3

4 Akcelerator LHC CMS Lake of Geneva LHCb ALICE ATLAS Wielki Zderzacz Hadronów to dwa pierścienie nadprzewodzące, umieszczone w tunelu o obwodzie 27 km, około 100m pod ziemią w pobliżu Genewy B. Wosiek, Sem. W-wa 4

5 Pierwsze dwa lata działania LHC Uruchomienie w listopadzie 2009 r. Od marca 2010 aż do teraz: zderzenia pp przy energii s= 7 TeV (połowa nominalnej energii) proton E = 3.5 TeV CERN - LHC proton E = 3.5 TeV Fermilab - TeVatron proton E = 1 TeV antiproton E = 1 TeV Pod koniec 2010 r. zderzenia Pb+Pb przy energii s= 2.76 A TeV CERN - LHC BNL - RHIC lead E = 1.38 TeV/n lead E = 1.38 TeV/n gold E = 0.1 TeV/n gold E = 0.1 TeV/n B. Wosiek, Sem. W-wa 5

6 Działanie LHC w latach 2010/2011 Akcelerator pracował i nadal pracuje bardzo dobrze Początkowa świetlność ~10 27 cm -2 s -1 Maksymalna świetlność cm -2 s -1 Maksymalna L w jednym cyklu pb -1 Maksymalna liczba paczek 1319 Maksymalna śr. liczba zderzeń na przecięcie wiązek 16 Najdłuższy czas 1 cyklu 19.2 godz. Najkrótszy czas pomiędzy kolejnymi cyklami 2.4 godz. N przypadków (Δt)= Ldt przekrój czynny W ciągu 5 miesięcy w 2011 r. LHC dostarczył tyle świetlności ile Tevatron w ciągu 6 lat L(2011) > 100 L(2010) B. Wosiek, Sem. W-wa 6

7 Eksperymenty LHC ATLAS (ogólnego zastosowania) CMS (ogólnego zastosowania) LHCb (dedykowany fizyka ciężkich kwarków) ALICE(dedykowany fizyka ciężkich jonów) B. Wosiek, Sem. W-wa 7

8 Wyzwania dla eksperymentów 40 mln zderzeń proton-proton na sekundę Ciekawe przypadki są niezwykle rzadkie Zaawansowane metody selekcji przypadków (wielo-poziomowe systemy wyzwalania) CMS: pp event display Duże krotności produkowanych cząstek Setki milionów kanałów elektroniki Olbrzymie objętości danych i wymagania dla mocy obliczeń komputerowych (World LHC Computing Grid) ATLAS: Z µµ event with 20 primary vertices Pile-up : średnio 16 zderzeń pp na jedno przecięcie wiązek B. Wosiek, Sem. W-wa 8

9 Pile-up Problems: - większe przypadki -> CPU, dyski -pogorszenie zdolności rozdzielczej -krotność cząstek -MET -JES/JER - izolacja leptonów -rekonstrukcja wierzchołka bunch spacing N b β*[m] N p [ ] L max [ cm -2 s -1 ] <µ> R ns T ns T ns P ns P ns P ns B. Wosiek, Sem. W-wa 9

10 Działanie eksperymentów LHC ATLAS: procent działających kanałów elektroniki Efektywne działanie detektorów 99% działających kanałów elektroniki! Wydajność zbierania danych 95% Działanie detektorów dobrze opisywane przez symulacje MC Rozkład materii w detektorach śladowych Dobre zrozumienie rekonstruowanych obiektów fizycznych: elektrony, fotony, miony, dżety, dżety-b, neutrina (brakująca E T ) Działanie trygera optymalizowane do aktualnych warunków pracy LHC, efektywność selekcji przypadków dobrze zrozumiana CMS: Rozkład masy µµ dla różnych strumieni selekcji B. Wosiek, Sem. W-wa 10

11 Działanie eksperymentów LHC ATLAS pp s=7 TeV CMS pp s=7 TeV LHCb pp s=7 TeV L LHC Pb+Pb s=2.76 TeV/n Oct.3, 1fb -1 delivered to LHCb! B. Wosiek, Sem. W-wa 11

12 Model Standardowy (SM) Składniki materii Kwantowa teoria pola z cechowaniem Rozwinięty w latach 70 ubiegłego wieku Opisuje oddziaływania elektrosłabe i silne Bardzo dobrze zgodny z doświadczeniem Szereg sukcesów (odkrycie W, Z r, kwarku t r.) ALE Oddz. Silne g x 8 gluon QCD Nośniki sił Oddz. EM γ foton Oddz. Słabe W ± Z bozony W,Z EW (elektrosłabe) Model opisuje, ale nie tłumaczy: Masy cząstek, siły oddziaływań Dlaczego kwarki i leptony tworzą 3 rodziny Dlaczego Q p = Q e Brakujące elementy : Cząstka Higgsa źródło mas cząstek Ciemna materia Asymetria materia antymateria Brak unifikacji oddziaływań elektrosłabych i silnych Grawitacja całkowicie pominięta B. Wosiek, Sem. W-wa 12

13 Model Standardowy w LHC Pomiar parametrów Modelu Standardowego przy energii 7 TeV Weryfikacja i dostrajanie narzędzi analizy Generatory MC Programy rekonstrukcji Pomiar tła dla Nowej Fizyki dżety QCD tło od procesów elektrosłabych Wyniki: Procesy miękkie, z małym przekazem czteropędu (produkcja cząstek, korelacje wielocząstkowe) Produkcja dżetów, kwarków b i t, fotonów, J/Ψ, Υ Produkcja bozonów W, Z Produkcja stowarzyszona WW, ZZ, tt, B. Wosiek, Sem. W-wa 13

14 Produkcja dżetów Przypadek dwu-dżetowy o najwyższej masie M jj = 4.04 TeV P 1 T = 1850 GeV, η= 0.32 P 2 T = 1840 GeV, η=-0.53 Przypadek z 10 dżetami ΣE T = 2.5 TeV B. Wosiek, Sem. W-wa 14

15 Produkcja dżetów Eksperymentalne błędy systematyczne 10 20% 12 rzędów wielkości w mierzonym przekroju czynnym Wyniki obu eksperymentów zgodne z przewidywaniami teoretycznymi B. Wosiek, Sem. W-wa 15

16 Produkcja dwóch dżetów Dane i przewidywania zgodne w ramach porównywalnych niepewności 10-15% B. Wosiek, Sem. W-wa 16

17 Produkcja W, Z ATLAS W eν CMS Z µ + µ B. Wosiek, Sem. W-wa 17

18 Najcięższy składnik materii, m= 172 GeV Produkcja tt Dżety, dżety-b, leptony i neutrina (E Tmiss ) B. Wosiek, Sem. W-wa 18

19 Produkcja tt ATLAS 13 σ = 176 ± 5(stat.) ± (syst.) 7(lumi.)pb tt 10 ± CMS σ = 158 ± 18(stat. + syst.) ± 6(lumi.) pb tt Precyzja 9%!! Zgodność z rachunkami NNLO QCD σ t także zmierzony i zgodny z rachunkami NLO QCD B. Wosiek, Sem. W-wa 19

20 Weryfikacja Modelu Standardowego Zmierzone przekroje czynne przy energii LHC zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego B. Wosiek, Sem. W-wa 20

21 Odstępstwa od Modelu Standardowego? Tevatron: Asymetria przód-tył w produkcji tt A Tevatron fb N( y > = N( y > 0) N( y < 0) + N( y < 0) 0) y = y t y t QCD LO: A=0 QCD NLO: A=5-6% Pomiary CDF i D B. Wosiek, Sem. W-wa 21

22 Odstępstwa od Modelu Standardowego? LHC: Asymetria przód-tył w produkcji tt A LHC fb = N( y N( y > > 0) N( y 0) + N( y < < 0) 0) y = y t y t Bardzo dobra zgodność z Modelem Standardowym! B. Wosiek, Sem. W-wa 22

23 Fizyka ciężkich kwarków w LHC Domena LHCb (ale także ATLAS, CMS i ALICE) LHCb Łamanie parzystości CP w układach B Rzadkie rozpady B (Nowa Fizyka) Spektrometr do przodu 1.9 < η < 4.9 2% kąta bryłowego, ale detekcja 27% produkowanych ciężkich kwarków Rezultaty konkurencyjne do Tevatronu i fabryk B Kilka pomiarów world best B. Wosiek, Sem. W-wa 23

24 Oscylacje B s B. Wosiek, Sem. W-wa 24

25 Fizyka ciężkich kwarków w LHC Rozpad B s µµ Czuły na Nową Fizykę BR(B s μμ) SM = (3.2 ± 0.2) x 10-9 CDF ([arxiv: ] ) zmierzył: BR = ?? LHC: górne ograniczenie na BR pomiary LHCb + CMS BR < (95% C.L.) BR(B q ll) MSSM 2 6 mbm tan β M 2 l 4 A0 3.4 BR SM Miejsce na Nową Fizykę B. Wosiek, Sem. W-wa 25

26 Odstępstwa od SM w sektorze fizyki B? Rozpad B 0 K*ll BR(B 0 K*l + l - ) = (3.3 ± 1.0) x 10-6 Niewielkie odstępstwa od MS fabryki B i CDF l. przyp. 250 (Belle), 65 (BaBar), 164 (CDF) Pomiary LHCb l. przyp. 302 ± 20 Bardzo dobra zgodność z SM B. Wosiek, Sem. W-wa 26

27 Fizyka zderzeń ciężkich jonów w LHC LHC: Pb+Pb s=2.76 A TeV Wzrost energii o czynnik 14 w porównaniu do RHIC: Au+Au s=0.2 A TeV Badanie silnie oddziałującej materii przy ekstremalnych gęstościach energii Testowanie przewidywań Chromodynamiki Kwantowej Kreacja plazmy kwarkowo-gluonowej ALICE, ATLAS, CMS B. Wosiek, Sem. W-wa 27

28 Fizyka zderzeń ciężkich jonów w LHC Pierwsza obserwacja produkcji bozonów Z w AA Bozony Z słabo oddziałująca sonda, nieczuła na gęsty ośrodek B. Wosiek, Sem. W-wa 28

29 Fizyka zderzeń ciężkich jonów w LHC Produkcja dżetów Sondy silnie oddziałujące są czułe na gęstość ośrodka wymrażanie dżetów (jet quenching) asymetria energii dla przypadków dwu-dżetowych A J E E T1 T1 E + E T2 T B. Wosiek, Sem. W-wa 29

30 Polowanie na cząstkę Higgs a Znakomita zgodność Modelu Standardowego z doświadczeniem Brakujący element: Mechanizm łamania symetrii elektrosłabej nadający masę nośnikom sił Istnienie bozonu Higgs a Model Standardowy nie przewiduje jak ciężka powinna być cząstka Higgsa m H < ~1 TeV (unitarność) Potencjał Higgs a B. Wosiek, Sem. W-wa 30

31 Produkcja Higgs a(sm): TeV B. Wosiek, Sem. W-wa 31

32 Poszukiwania: ATLAS & CMS Trudność: σ procesy tła >> σ H Skomplikowane metody selekcji przypadków w celu redukcji tła B. Wosiek, Sem. W-wa 32

33 H ZZ 4l H ZZ(*) 2e2µ H ZZ(*) 4µ B. Wosiek, Sem. W-wa 33

34 H ZZ 4l Nie znaleziono znaczącego sygnału ponad tło Ograniczenie na σ H (95% C.L.) expected ograniczenie w przypadku hipotezy tylko tło (±1σ, ±2σ) można wykluczyć m H 200 GeV (σ observed < σ SM ) B. Wosiek, Sem. W-wa 34

35 H X (kombinacja wszystkich kanałów) Dla żadnego kanału nie znaleziono znaczącego sygnału ponad tło Ograniczenie na σ H (95% C.L.) Wykluczone m H [GeV] ATLAS: , , CMS: , , Tevatron (CDF+D0) : Brakuje miejsca na znalezienie Higgs a przewidywanego przez SM Ale dla małych mas widać observed > expected (na razie nieznaczący) B. Wosiek, Sem. W-wa 35

36 Supersymetria (SUSY) w LHC Symetria pomiędzy bozonami (spin całkowity nośniki sił) i fermionami (spin połówkowy cząstki materii) Rozwiązuje kilka głównych problemów Modelu Standardowego: problem hierarchii mas pozwala na unifikację oddziaływań elektrosłabych i silnych EM Słabe Duża masa kwarku t została przewidziana w ramach SUSY 20 lat temu! daje naturalnego kandydata na cząstkę Ciemnej Materii (najlżejsza cząstka SUSY, LSP) Silne B. Wosiek, Sem. W-wa 36

37 Supersymetria Przewiduje istnienie morza nowych cząstek: superpartnerów bozonów czyli cząstek o spinie połówkowym (gluino, wino,..) superpartnerów fermionów czyli cząstek o spinie całkowitym (skwarki, sleptony) Przewidywane masy nowych cząstek ok. 1 TeV! Cząstki MS Superpartnerzy Poszukiwania od kilkudziesięciu lat bezowocne, ale to LHC stwarza dogodne warunki do szukania supercząstek. Typowy rozpad to kaskada kończąca się LSP 0 (neutralino ) χ~1 Poszukiwania: dżety, leptony, fotony + brakująca E T Ewidencja: nadmiar przypadków Ważne zrozumienie wkładów od procesów SM B. Wosiek, Sem. W-wa 37

38 Poszukiwania skwarków/gluino Stany końcowe: dżety + brakująca energia poprzeczna Dane zgodne z tłem SM Wykluczenie aż do 1 TeV przy założeniu masa skwark =masa gluino B. Wosiek, Sem. W-wa 38

39 Supersymetryczny bozon Higgs a MSSM (Minimalny Supersymetryczny Standardowy Model) 5 cząstek: 2 neutralne CP + h,h; 1 neutralnc CP A, 2 naładowane H ± Przekrój czynny tanβ 2 σ SM tanβ: stosunek wartości próżniowych (pozycji min. potencjalu) dla dwóch dubletów Higgsa tanβ =1 sprzężenie jak w SM Dla dużych tanβ, prawdopodobieństwo rozpadu BR(A ττ) jest b. duże, 10-15% Nie znaleziono znaczącego sygnału ponad tło SM Wykluczenie hipotezy MSSM Higgs a w dużym zakresie tanβ i m A B. Wosiek, Sem. W-wa 39

40 Egzotyka w LHC Liczne modele wykraczające poza fizykę Modelu Standardowego Modele inspirowane Wielką Unifikacją Oddziaływań (GUT), model strun (dodatkowe wymiary-ed),. Przewidywania: nowe cząstki/obiekty o dużych masach ciężkie bozony pośredniczące-w, Z, wzbudzone kwarki-q*, lepto-kwarki, mikroskopowe czarne dziury, czwarta generacja kwarków t,b Jak na razie poszukiwania bezowocne dolne ograniczenia na masy np.: m W >2 TeV, m q* >3 TeV B. Wosiek, Sem. W-wa 40

41 ATLAS Podsumowanie poszukiwań B. Wosiek, Sem. W-wa 41

42 CMS Podsumowanie poszukiwań Tabela nie zawiera najnowszych rezultatów B. Wosiek, Sem. W-wa 42

43 Podsumowanie LHC pracuje znakomicie, lepiej niż oczekiwano Eksperymenty działają z pełną wydajnością Uzyskano imponującą ilość i jakość rezultatów fizycznych Olbrzymi potencjał LHC+eksperymenty+Grid Model Standardowy potwierdzony przez pomiary licznych procesów Ciągle brakuje cząstki Higgs a Obserwowany nadmiar przypadków ( 2 σ ponad tło) w obszarze mas GeV daje pewną nadzieję Intensywne badania w kanałach γγ, WW, ZZ, bb Brak ewidencji na Nową Fizykę, wykraczającą poza SM Silne ograniczenia na modele teoretyczne B. Wosiek, Sem. W-wa 43

44 Perspektywy 2030? LHeC: zderzacz electron( GeV) proton(7 TeV) HE-LHC: pp, 16.5 TeV/wiązkę ( , wstępne rozważania) B. Wosiek, Sem. W-wa 44

45 Czwarta generacja fermionów Najprostsze rozszerzenie Modelu Standardowego t, b pp b b twtw bwwbww pp tt bwbw M(b ) > 495 GeV M(t ) > 450 GeV B. Wosiek, Sem. W-wa 45

46 Higgs w modelu z 4-tą generacją Dane ATLAS i CMS wykluczają (95%CL) SM4G Higgs a z masą GeV B. Wosiek, Sem. W-wa 46