Bozon Higgsa oraz SUSY

Transkrypt

1 Bozon Higgsa oraz SUSY Bozon Higgsa Poszukiwania bozonu Higgsa w LEP i Tevatronie - otrzymane ograniczenia na masę H Plany poszukiwań w LHC Supersymetria (SUSY) Zagadkowe wyniki CDF

2 Masy cząstek cząstki Higgsa PROBLEM: Teoria przewiduje zerowe masy dla bozonów cechowania. Nie jest to problem dla QED i QCD bo foton i gluon mają zerowe masy, ale jest to poważny problem dla bozonów: W i Z. Możliwe rozwiązanie problemu: wprowadzenie dodatkowych bozonów neutralnych cząstek Higgsa o spinie=0. Stowarzyszone z cząstką pole Higgsa nadaje innym cząstkom masy przez oddziaływanie z nimi.

3 Sukcesy unifikacji elektro-slabej (z wykładu 7) Mając bardzo precyzyjne pomiary masy W i Z można było wyznaczyć masę kwarka t przed jego wykryciem z pomiaru przekroju czynnego na: oraz uwzględniając poprawki wyższych rzędów: Ale okazuje się, że potrzebna jest jeszcze jakaś cząstka, żeby uzyskać zgodność z danymi: H 0 m t = 171,2 ± 2,1 GeV z bezpośrednich pomiarów D. Kiełczewska, wykład 7 3

4 Masy cząstek cząstki Higgsa Możliwe rozwiązanie problemu: wprowadzenie dodatkowych bozonów neutralnych cząstek Higgsa o spinie=0. Stowarzyszone z cząstką pole Higgsa nadaje innym cząstkom masy przez oddziaływanie z nimi. Stałe sprzężenia:

5 Mechanizm Higgsa Wyobraźmy sobie salę bankietową równomiernie wypełnioną ludźmi (pole Higgsa):

6 Mechanizm Higgsa Pojawia się sławny naukowiec (bozon cechowania, np. W) przyciągając uwagę zebranych

7 Mechanizm Higgsa Ludzie cisnący się wokół naukowca utrudniają mu poruszanie się (nadają mu masę)

8 Mechanizm Higgsa Ludzie na bankiecie mogą też spontanicznie tworzyć zgęszczenia (bozon Higgsa)

9 Mechanizm Higgsa c.d. Mechanizm Higgsa: cząstki Higgsa H o spinie 0 wypełniają próżnię. Gdy jakaś cząstka napotyka na H zmienia swoją skrętność np. LH RH. W ten sposób cząstki stają się masowe. Im częściej oddziałują z H, tym większa masa. Np. fotony są bezmasowe, bo nie oddziałują z bozonem H. bezmasowe neutrina neutrina masowe

10 Poszukiwanie cząstek Higgsa Problem: nie zaobserwowano dotąd cząstki Higgsa Wskazówka dla eksperymentów: Najsilniejsze sprzężenia do kwarka t i bozonów W i Z. Trzeba mieć dosyc energii, żeby wyprodukować te cząstki. Dotychczasowe poszukiwania - LEP, Tevatron Najwyższa energia osiągnięta: w LEP: e + e s = 210 GeV w Tevatronie: p p s = 1.96 TeV

11 Poszukiwania Higgsa w LEP e + e H + Z 0 bb + X

12 Poszukiwania Higgsa w LEP e + e H + Z 0 Sygnał??? Tylko ~2 H bb (2 quark jets) LEP wyłączono, żeby dalsze poszukiwania robić w LHC. PDG 2006

13 Ograniczenia na masę Higgsa (SM) Wiele wielkości fizycznych mierzonych precyzyjnie w LEP wg. teorii zależy od procesów wyższych rzędów z wirtualną wymianą m.in. bozonu Higgsa. H Z / W Z / W Porównując pomiary z obliczeniami metodą np. uzyskujemy informacje o masie Higgsa. Łączna analiza wielu pomiarów daje konsystentne wyniki:

14 Poszukiwanie cząstki Higgsa w Tevatronie (Fermilab) Tevatron: p + p 1 TeV + 1 TeV Przekrój czynny na produkcję Higgsa silnie maleje z masą H: (obliczony wg Modelu Standardowego) Rozpady Higgsa:

15 Poszukiwanie Higgsa w Tevatronie Problem: jeśli masa H jest <140 GeV to dominuje rozpad: H b + b Ale para b + b może powstać w wyniku wielu innych bardziej prawdopodobnych procesów ( tło ). Kolejne ploty otrzymane po cięciach wybierających pożądane cechy przypadków czyli zmniejszających tło względem sygnału. sygnał x10 (wg. MS) PDG2009: m(h 0 ) >114 GeV c.l.=95%

16 Produkcja cząstek Higgsa w LHC t

17 Poszukiwanie Higgsa (SM) w LHC Względne prawdop. kanałów rozpadu H

18 Rozpady cząstek Higgsa 1) Jeśli Dominujący rozpad: Jednak podobne dżety kwarkowe będą produkowane głównie w oddz. silnych i rozpad H zginąłby w tle. Okazuje się, że łatwiej szukać rozpadów:

19 Poszukiwanie cząstek Higgsa w LHC 2) Jeśli to stosunki rozgałęzień na rozpady na W i Z stają się dostatecznie duże, żeby skorzystać z łatwiejszej separacji od tła leptonów niż hadronów. niewidoczne masa niezmiennicza 4 leptonów ale małe prawd. rozpadu

20

21 Higgs w detektorze CMS Symulacja działania detektora CMS dla zdarzenia:

22 Poszukiwanie cząstek Higgsa w LHC Powyżej rozważaliśmy tylko cząstkę Higgsa H 0 przewidzianą w Modelu Standardowym. Natomiast w modelach supersymetrycznych przewidywanych jest więcej cząstek Higgsa. Stan LHC: od III 2010 zbiera dane przy energiach 2*3.5 TeV

23 Supersymetria (SUSY) Podstawowa symetria: każdy fermion ma supersymetrycznego partnera bozonowego każdy bozon ma supersymetrycznego partnera fermionowego Symetria zakłada te same masy, ładunki i te same sprzężenia dla supersymetrycznych partnerów. Fakt, że dotychczas nie znaleziono żadnego supersymetrycznego partnera zwykłych czastek świadczy o tym, że symetria jest łamana przy niedostatecznie dużych energiach. Masy cząstek SUSY >100 GeV

24 Cząstki SUSY Spin = 1/2 Spin = Spin = 1 1 Spin = 1/2-1 Spin = 0 higgs 1 Spin = 1/2 higgsino -1 s- spin, L- liczba leptonowa, B-liczba barionowa

25 Po co SUSY? - problem hierarchii Wielkie unifikacje cząstki o wielkich masach nieskończone poprawki radiacyjne Ale poprawki od pętli fermionowych i bozonowych mają przeciwne znaki, czyli symetria SUSY prowadzi do skasowania poprawek Np. masa Higgsa: top stop Pod warunkiem, że

26 Nowa liczba kwantowa parzystość R Wszystkie stare cząstki mają R=+1 Cząstki SUSY mają R=-1 Iloczyn R jest zachowany Tzn. cząstki SUSY muszą być produkowane tylko parami: Czyli najlżejsza cząstka SUSY (LSP) powinna być stabilna LSP jest kandydatem na cząstkę Ciemnej Materii

27 Najlżejsza cząstka SUSY - LSP Jeśli LSP jest cząstką Ciemnej Materii to: LSP pozostały z Wielkiego Wybuchu i wypełniają Wszechświat Oddziałują tylko grawitacyjnie, bo inaczej już by zostały zaobserwowane. Są więc neutralne. Nie mogą znikać w oddz. z normalną materią, bo zabrania im zachowanie parzystości R. Kandydaci: grawitino oraz neutralino (mieszanka fotina, zina i higgsina) Bardzo trudne do wykrycia!

28 Detekcja cząstek SUSY Główna cecha przypadków z udziałem cząstek SUSY to duży niezbilansowany pęd poprzeczny, bo zawsze na końcu muszą powstawać jakieś LSP, które są ciężkie, neutralne i nie rozpadają się. LEP LHC nie znaleziono cząstek SUSY - wyznaczono ograniczenia na ich masy poszukiwania właśnie się rozpoczęły

29 Grawitino w LHC? Załóżmy, że grawitino jest najlżejszą cząstką SUSY: np. o masie 10 GeV Wtedy cząstka SUSY najlżejsza z pozostałych, np. stau rozpadałby się: z bardzo długim czasem życia, bo sprzężenie grawitacyjne b. małe Czas mógłby być rzędu godzin, lat... Czyli będzie szukany czyli naładowana cząstka, o dużej masie, wychodząca z wielkich detektorów LHC

30 Rozpad protonu w SUSY Zachowanie parzystości wymaga tylko zachowania B-L czyli możliwy rozpad z niezachowaniem oddzielnie B i L : Model SU(5) SUSY przewiduje dla tego rozpadu: Podczas gdy doświadczalnie stwierdzono: (gdzie B to stosunek rozgałęzień dla tego rozpadu) model SU(5) SUSY wykluczony Problem rozpadu protonu stał się problemem doświadczalnym - teoretycznie możliwy jest b. szeroki zakres parametrów.

31 Zagadkowy wynik CDF Badanie di-bozonów WW, WZ 0 arxiv:

32 Zagadkowy wynik CDF masa niezmiennicza 2 dżetów masa niezmiennicza 2 dżetów a) excess significant at 3.2 s.d b) the cross section of the observed excess is not compatible with SM WH production with H bb nonsm Higgs??? np. arxiv:

33 Podsumowanie Symetrie cechowania w Modelu Standardowym narzucają przenoszenie oddziaływań przez bozony cechowania Ale z obserwacji wiemy, że bozony oddz. słabych mają wbrew symetrii bardzo różne masy Aby nadać im masy zaproponowano mechanizm Higgsa W dotychczasowych eksperymentach nie znaleziono cząstki Higgsa - nadzieja w LHC Teoria SUSY (Supersymetrii) przewiduje wiele nowych cząstek o masach od 100 do 1000 GeV - nadzieja w LHC