Cząstka Higgsa własności, odkrycie i badania oddziaływań

Podobne dokumenty
Wstęp do fizyki cząstek elementarnych: część eksperymentalna

Ostatnie uzupełnienia

LHC: program fizyczny

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Z czego i jak zbudowany jest Wszechświat? Jak powstał? Jak się zmienia?

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe 4.IV.2012

LHC i po co nam On. Piotr Traczyk CERN

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

WYKŁAD 8. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

th- Zakład Zastosowań Metod Obliczeniowych (ZZMO)

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Witamy w CERNie. Bolesław Pietrzyk LAPP Annecy (F) Wykład przygotowany przez polskich fizyków w CERNie.

Sylwa czyli silva rerum na temat fizyki cz astek elementarnych

Theory Polish (Poland)

CERN - pierwsze globalne laboratorium. Magdalena Kowalska CERN, PH-Dept.

Bozon Higgsa oraz SUSY

Atomowa budowa materii

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Salam,Weinberg (W/Z) t Hooft, Veltman 1999 (renomalizowalność( renomalizowalność)

Grzegorz Wrochna Narodowe Centrum Badań Jądrowych Z czego składa się Wszechświat?

Oddziaływania podstawowe

Compact Muon Solenoid

Oddziaływanie podstawowe rodzaj oddziaływania występującego w przyrodzie i nie dającego sprowadzić się do innych oddziaływań.

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna Strona Wszechświata

- Cząstka Higgsa - droga do teorii wszystkiego

Eksperyment ALICE i plazma kwarkowo-gluonowa

Poszukiwany: bozon Higgsa

Na tropach czastki Higgsa

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Obserwacja Nowej Cząstki o Masie 125 GeV

Podstawy Fizyki Jądrowej

Tak określił mechanikę kwantową laureat nagrody Nobla Ryszard Feynman ( ) mechanika kwantowa opisuje naturę w sposób prawdziwy, jako absurd.

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)


WYKŁAD Wszechświat cząstek elementarnych. 24.III.2010 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Masa W

Skad się bierze masa Festiwal Nauki, Wydział Fizyki U.W. 25 września 2005 A.F.Żarnecki p.1/39

Model Standardowy i model Higgsa. Sławomir Stachniewicz, IF PK

I. Przedmiot i metodologia fizyki

Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej

Poszukiwania bozonu Higgsa w rozpadzie na dwa leptony τ w eksperymencie CMS

Oddziaływania fundamentalne

Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 1

Fizyka cząstek elementarnych warsztaty popularnonaukowe

Wszechświat czastek elementarnych

Akceleratory Cząstek

Witamy w CERN Marek Kowalski

Janusz Gluza. Instytut Fizyki UŚ Zakład Teorii Pola i Cząstek Elementarnych

WYKŁAD 6. Oddziaływania kolorowe cd. Oddziaływania słabe. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Bardzo rzadki rozpad został zaobserwowany przez CMS

LEPTON TAU : jako taki, oraz zastosowania. w niskich i wysokich energiach. Zbigniew Wąs

Boska cząstka odkryta?

Metamorfozy neutrin. Katarzyna Grzelak. Sympozjum IFD Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW. K.Grzelak (UW ZCiOF) 1 / 23

WYKŁAD Prawdopodobieństwo procesów dla bardzo dużych energii, konieczność istnienia cząstki Higgsa

WYKŁAD

Promieniowanie kosmiczne składa się głównie z protonów, z niewielką. domieszką cięższych jąder. Przechodząc przez atmosferę cząstki

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

Czego oczekujemy od LHC? Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Ruch cząstek naładowanych w polach elektrycznym i magnetycznym. Równania ruchu cząstek i ich rozwiązania. Ireneusz Mańkowski

Wszechświata. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Kurs dla nauczycieli fizyki - Cząstki elementarne w CERN pod Genewą.

Bardzo rzadki rozpad został zaobserwowany przez CMS

Wszechświat cząstek elementarnych

Fizyka cząstek 5: Co dalej? Brakujące wątki Perspektywy Astrocząstki

Wielki Wybuch czyli podróż do początku wszechświata. Czy może się to zdarzyć na Ziemi?

Wszechświat cząstek elementarnych (dla humanistów)

Fizyka wykład dla studentów kierunku Informatyka Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej

Nauka i technologia dwa spojrzenia na CERN

Wszystko, co kiedykolwiek chcieliście wiedzieć o CERNie i o fizyce cząstek

Istota materii (The Heart of the Matter) cern, listopad

Ekspansja Wszechświata

Historia symetrii, jej łamania i poszukiwania źródeł masy cząstek elementarnych

Fizyka cząstek elementarnych

10.V Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

Materia i jej powstanie Wykłady z chemii Jan Drzymała

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Spis treści. Fizyka wczoraj, dziś, jutro. Z naszych lekcji. Olimpiady, konkursy, zadania. Astronomia dla każdego

W jaki sposób dokonujemy odkryć w fizyce cząstek elementarnych? Maciej Trzebiński

Wszechświat cząstek elementarnych

Nowe wyniki eksperymentów w CERN

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Diagramy Faynmana

Polecam - The Dark Universe by R. Kolb (Wykłady w CERN (2008))

Supersymetria, czyli super symetria

Jak działają detektory. Julia Hoffman# Southern Methodist University# Instytut Problemów Jądrowych

Co dalej z fizyką cząstek czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi? 1

Fizyka na LHC - Higgs

Wszechświat cząstek elementarnych WYKŁAD 5

SCENARIUSZ LEKCJI FIZYKI Z WYKORZYSTANIEM FILMU PĘDZĄCE CZĄSTKI.

Zderzenia relatywistyczne

AKCELERATORY I DETEKTORY WOKÓŁ NAS

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna strona wszechświata

Wykład 1. Wszechświat cząstek elementarnych dla humanistów. Maria Krawczyk (IFT), Filip A. Żarnecki (IFD), Wydział Fizyki UW

Szczegółowe wymagania edukacyjne na poszczególne oceny śródroczne i roczne z przedmiotu: FIZYKA. Nauczyciel przedmiotu: Marzena Kozłowska

Dział: 7. Światło i jego rola w przyrodzie.

Transkrypt:

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

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 1992 - G. Charpak 1995 M. Perl, F. Reines 1999 - G. thooft, M. J. Veltman 2004 - 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

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

Prawa mechaniki kwantowej Model Standardowy cząstek elementarnych Cząstki materii (< 10-16 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

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. 10 3 10-3 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

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

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

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

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 10-12 s po Wielkim Wybuchu Małe odległości bardzo duże energie 9

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 2 300 zatrudnionych osób + 10 000 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

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

Zderzenia wiązek proton-proton Paczka protonów Proton Składniki protonu Składniki protonu Proton-Proton 2835 paczek/wiązkę Protonów/paczka 1.7 pęczków/wiązkę 10 11 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

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

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

Jak wygląda cząstka Higgsa? Prawdopodobieństwo < 10-13 że jest to statystyczna fluktuacja tła. Analizowane są rozkłady wielowymiarowe. W danych zebranych w latach 201-2012 około 450 zarejestrowanych rozpadów cząstek Higgsa 15

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

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

Siła oddziaływania z cząstką Higgsa Badanie własności cząstki Higgsa (2011-2012) Masa = 125.09 ± 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 2020-2025 18

Badanie własności cząstki Higgsa (2015-2018) 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 2011-2012 Analizy danych 2015-2016 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

Badanie Modelu Standardowego Publikacje 730 prac wysłanych do czasopism 2010 2018 48% - 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

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 ~ 10. 10-5 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 ~ 10. 10-5 22

Program LHC (HL-LHC) na lata 2018-2035 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

Fizyka czastek w naszym życiu codziennym? Techniki akceleratorowe -> 17 000 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

Tyle jeszcze pytań przed nami Fluctuation of a scalar field? LHC bada ten zakres energii, około 10-12 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.

SPARES 26

Projekt przyszłego zderzacza kołowego w CERN Aravis 27

Poszukiwanie Nowej Fizyki 28

Poszukiwanie Supersymmetrii 29