Fizyka na LHC - Higgs

Podobne dokumenty
Bozon Higgsa oraz SUSY

LHC i po co nam On. Piotr Traczyk CERN

LHC: program fizyczny

Oddziaływania elektrosłabe

Atomowa budowa materii

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

Wykład XIII: Rozszerzenia SM, J. Gluza

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Teorie wielkich unifikacji

Model Standardowy i model Higgsa. Sławomir Stachniewicz, IF PK

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

WYKŁAD

Compact Muon Solenoid

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Na tropach czastki Higgsa

Supersymetria. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XII

Oddziaływania fundamentalne

Bozon Higgsa & SUSY & DM

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

Oddziaływania słabe i elektrosłabe

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Odkrywanie supersymetrii - przypadek ciężkich sfermionów

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Supersymetria, czyli super symetria

Supersymetria. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XII

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

Supersymetria. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XII. Założenia. Widmo czastek Przewidywania Obecne wyniki Przyszłe poszukiwania

Fizyka cząstek 5: Co dalej? Brakujące wątki Perspektywy Astrocząstki

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

Oddziaływania podstawowe

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

czastki elementarne Czastki elementarne

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

Motywacja do dokładnego wyznaczania elementów macierzy Cabbibo-Kobayashi-Maskawy ( )

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

WYKŁAD 12. Wszechświat cząstek elementarnych dla humanistów. Poza Modelem Standardowym. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

Czego oczekujemy od LHC? Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

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

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

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

Wstęp do Modelu Standardowego

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

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Diagramy Faynmana

Wielka Unifikacja. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład XI. Co to jest ładunek?... Biegnaca stała sprzężenia i renormalizacja w QED Pomiar

Boska cząstka odkryta?

Oddziaływania. Zachowanie liczby leptonowej i barionowej Diagramy Feynmana. Elementy kwantowej elektrodynamiki (QED)

Obserwacja Nowej Cząstki o Masie 125 GeV

Wstęp do Modelu Standardowego

Wykład 43 Cząstki elementarne - przedłużenie

Już wiemy. Wykład IV J. Gluza

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

Unifikacja elektro-słaba

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Diagramy Faynmana

Podstawy Fizyki Jądrowej

Pierwsze dwa lata LHC

Wstęp do Modelu Standardowego

Oddziaływania. Przekrój czynny Zachowanie liczby leptonowej i barionowej Diagramy Feynmana. Elementy kwantowej elektrodynamiki (QED)

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Fizyka cząstek elementarnych warsztaty popularnonaukowe

Wszechświat cząstek elementarnych WYKŁAD 7 21.IV TEORIA Symetria i jej łamanie

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

Oddziaływanie pomiędzy kwarkami i leptonami -- krótki opis Modelu Standardowego

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład9

Wstęp do chromodynamiki kwantowej

JÜLICH ELECTRIC DIPOLE INVESTIGATIONS MEASUREMENT WITH STORAGE RING

Poszukiwany: bozon Higgsa

Oddziaływania silne. Również na tym wykładzie Wielkie unifikacje. Mówiliśmy na poprzednich wykładach o: rezonansach hadronowych multipletach

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Symetrie w fizyce cząstek elementarnych

Model Standardowy budowy Wszechświata

Wyznaczanie efektywności mionowego układu wyzwalania w CMS metodą Tag & Probe

Jak to działa: poszukiwanie bozonu Higgsa w eksperymencie CMS. Tomasz Früboes

Fizyka wysokich energii w erze LHC

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

Łamanie symetrii względem odwrócenia czasu cz. I

Ewolucja Wykład Wszechświata Era Plancka Cząstki elementarne

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Eksperyment ALICE i plazma kwarkowo-gluonowa

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

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

Czego brakuje w Modelu Standardowym

Model Standardowy budowy Wszechświata

Wszechświat cząstek elementarnych WYKŁAD 5

Czy neutrina mogą nam coś powiedzieć na temat asymetrii między materią i antymaterią we Wszechświecie?

Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

Podstawy Fizyki Jądrowej

Zderzenia relatywistyczne

Zderzenia relatywistyczna

WYKŁAD 3. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Masy i czasy życia cząstek elementarnych. Kwarki: zapach i kolor. Prawa zachowania i liczby kwantowe:

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Oddziaływania silne

WYKŁAD Prawdopodobieństwo. konieczność istnienia. cząstki Higgsa. cząstki Higgsa. Wszechświat cząstek elementarnych.

r. akad. 2008/2009 V. Precyzyjne testy Modelu Standardowego w LEP, TeVatronie i LHC

Własności jąder w stanie podstawowym

Wielka Unifikacja. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IX. Co to jest ładunek?...

IV.4.4 Ruch w polach elektrycznym i magnetycznym. Siła Lorentza. Spektrometry magnetyczne

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

Transkrypt:

Fizyka na LHC - Higgs XI Program fizyczny LHC. Brakujący element. Pole Higgsa. Poszukiwanie Higgsa na LEP. Produkcja Higgsa na LHC. ATLAS. Wyniki doświadczalne Teraz na LHC 1

FIZYKA NA LHC Unifikacja oddziaływań elektrosłabych została potwierdzona na eksperymentach na LEPie, ale nie zostało potwierdzone odkrycie bozonu Higgsa. Zbyt niska energia nie pozwoliła również na zbadanie fizyki kwarka t. Projekt LHC W CERNie z energią wiązek protonów 7 TeV: obserwacja bozonu Higgsa (jednego, dwóch?), jako sposobu na wyjaśnienie masy cząstek, roztrzygnięcie poprawności proponowanych modeli, badanie niezachowania parzystości kombinowanej CP (w celu wyjaśnienia braku antymaterii), badania fizyki kwarku t i leptonu tau. obserwacja cząstek supersymetrycznych (teorie SUSY), jako kandydatów na ciemną energię i oszacowanie skali Wielkiej Unifikacji, Należy również zauważyć, że budowa LHC przyczyniła się do znacznego postępu w elektronice i informatyce. 2

Bozon Higgsa po co? Wróćmy do konstrukcji teorii w QED, która jest teorią najlepiej przeliczoną i najlepiej zbadaną doświadczalnie, symetria cechowania pola oznaczała istnienie oddziaływania fotonów z elektrycznie naładowanymi cząstkami. Kłopot polegała na tym, że w równaniu Diraca leptony były bezmasowe. Przy próbie unifikacji oddz. elektromagnetycznych i słabych, cechowanie pola doprowadziło do opisu oddz. za pomocą czterech BEZMASOWYCH bozonów W1,2,3 i B. Fizycznie oddz. przenoszone poprzez prądy naładowane (W+-) oraz neutralne (Z0 i foton), które są kombinacjami pól W3 i B Z 0 =W 3 cos W B sin W =W 3 sin W B cos W sin w 0.5 W tym opisie pojawia się problem niezgodności z doświadczeniem bozony W i Z są całkiem masywne. MW e ~100 GeV G Proponowanie rozwiązanie polega na wprowadzeniu dodatkowego pola (Higgsa). Cząstki oddziałując z nim, widziane będą jako ciężkie. W teorii kwantowej istnienie pola oznacza istnienie cząstki, czyli pole to cząstki, które ze sobą oddziałują. Przy odpowiednich warunkach (wysoka energia) cząstki ta może być obserwowana. W ramach MS powinnien być jeden neutralny bozon Higgsa, w tzw. rozszerzeniach (supersymetrycznych) MS nawet 5 bozonów Higgsa. 3

Pole Higgsa W najprostszej wersji postuluje się istnienie jednego neutralnego skalarnego bozonu Higgsa. Dodatkowe pole jest opisywane jako dodatkowy człon (masowy) w lagranżianie. L=T U = μ ϕ 2 V (ϕ) dla swobodnej cząstki skalarnej o masie µ (ϕ- funkcja falowa) 1 1 V (ϕ)= μ 2 ϕ 2+ λ ϕ 4 +const 2 4 minimum potencjału dwa rozw: V =0, ϕ człon masowy gdy min =0 dodatkowy człon opisujący oddziaływanie cząstek ze sobą (masywnych) ϕ(μ 2+λ ϕ2)=0, - stałe rzeczywiste lub: min=±v v 1,2 = zwykła cząstka, stan próżni z V=0 nieskończenie wiele stanów próżniowych, a układ fizyczny znajduje się w jednym z nich. ŁAMANIE SYMETRII 4

Pole Higgsa Po wprowadzeniu nowego pola, w stanie o najniższej energii pole jest różne od zera, mówimy o próżniowej wartości oczekiwanej dla skalarnego pola bozonowego. Mamy dwa minima min,podstawiając je do L i dokonując rozwinięcia w L wokół v1,2 widać będzie człon masowy z rzeczywistą dodatnią masą. 1 v 2 1 1 L= 2 v 2 2 2... 3... 2 2 = m= v 2 por. r. Kleina-Gordona ϕ min=±v 2 μ 2 v 1,2 = λ Mechanizm Higgsa polegał zatem na tym, że do lagranżianu o pewnej symetrii dodaliśmy człon pochodzący od skalarnego pola. Próba minimalizacji potencjału doprowadziła do obserwacji, że stan próżni oznacza niezerowe pole, czyli obecność cząstki. Efekt ten nazwany został Spontanicznym Łamaniem Symetrii (SSB) i jest obserwowany w wielu aspektach, również makroskopowych (przykł). Peter Higgs wykazał, że takie niezerowe pole stawia opór cząstkom, które z nim oddziałują, czyli nadaje cząstkom masę. Mechanizm Higgsa podaje masy bozonów W+- i Z0 oraz przewiduje, że fermiony mają masę, ale o nieznanej wartości (masa pozostaje parametrem empirycznym) 5

Higgs w MS Pierwsze poszukiwania bozonu Higgsa przy dostępnych energiach LEPu obejmowały procesy: M H ~60 300 GeV Stałe sprzężenia są proporcjonalne do masy cząstek w wierzchołku, zatem higgs najczęściej będzie rozpadał się do ciężkich cząstek. SYGNAŁ TŁO PV B-vtx Wykorzystując długi czas życia mezonów B, najlepszą sygnaturą były odseparowane wierzchołki pierwotny i wtórny (kilka mm). 10

Produkcja Higgsa w LHC energia zderzającego się partonu: 11

Produkcja Higgsa w LHC 12

Rozpady Higgsa Bozon Higgsa rozpada się najczęściej na najcięższe cząstki. gdy mh<2mw głównie: H 0 b b 10 % H 0 + - gdy 2mW <mh<2mt: H 0 Z Z oraz H 0 W + W - gdy mh>2mt: H0 Z Z H0 W +W - H 0 t t ale szuka się bardzo atrakcyjnego doświadczalnie H0 13

Higgs na LHC mh< 2 MZ 0 b Dominującym rozpadem jest H b (LEP), ale w środowisku hadronowym z licznymi pekami hadronów, rozpad higgsa zginałby w tle. W tym obszarze szuka się raczej rozpadów dwufotonowych: H 0 BR~10 3 Wygląda na całkiem przyjazny proces doświadczalny, a tymczasem... 14

IRL Był czy też nie był? 15

http://www.atlas.ch/photos/atlas_photos/selected-photos/plots/hgg-fixedscale-short2.gif 16

Higgs na LHC mh> 2 MZ Doświadczalnie łatwiej jest rejestrować leptony szukamy zatem przypadków z czterema leptonami w stanie końcowym MC MC niestety BR na te procesy są bardzo rzadkie http://www.atlas.ch/photos/atlas_photos/selected-photos/plots/4l-floatingscale-nomuprof2.gif 17

DANE 18

ATLAS największy detektor 19

Niezwykły układ pola magnetycznego: 8 cewek nadprzewodzących daje pole 8 T solenoid o polu 2T za detektorem wewnętrznym 20

21

Z 0 + - 22 15.04.2012

Higgs na ILC Przy zderzeniach elektronów oczekuje się na sygnał bardzo czysty 23

Zachowanie parzystości CP Jeżeli sprawdzimy, jak transformuje się rozpad pionu w operacji CP: to wydaje się, że symetria CP jest zachowana. Zachowanie parzystości ładunkowo-przestrzennej CP oznacza, że dla każdego procesu elementarnego, po dokonaniu sprzężenia ładunkowego C i odbicie zwierciadlanego P, otrzymamy realny proces fizyczny, który zachodzi z identyczną częstością. Do roku 1964 uważano, że symetria CP jest zachowana również w procesach słabych. 24

Kaony neutralne Należy znaleźć proces, w którym CP byłoby łamane - rozpady kaonów. Mezony K0 i anty-k0 są produkowane w oddziaływaniach silnych jako dwa różne stany: Stany te różnią się również silnymi procesami, którymi podlegają. Dla oddziaływań silnych K0 i anty- K0 to dwie zupełnie różne cząstki. C K 0 > = K 0 > C K 0 > = K 0 > P K 0 > = K 0 > P K 0 > = K 0 > Przy operacji CP mamy: CP K 0 > = K 0 > CP K 0 > = K 0 > czyli ani K0 ani antyk0 nie są stanami własnymi CP 25

Kaony neutralne a w dodatku możliwe są słabe procesy: czyli dla oddz. słabych mezony K0 istnieją zawsze jako kombinacja K0 i antyk0 26

Łamanie parzystości CP Stany te są stanami własnymi operatora CP: i różnią się czasami życia (K-short i K-long) jeżeli parzystość CP jest zachowana, to rozpady do stanów końcowych o określonym CP rozróżniałyby te stany: CP= +1 CP=-1 27

Łamanie parzystości CP A mamy: K- long rozpada się również na dwa piony! efekt jest bardzo słaby oraz: K 0L l+ - K 0L l- + 0 + 0 + 0.003 K L l K L l Badania nad niezachowaniem CP oznaczają zatem poszukiwanie procesów, które nie zachowują tej liczby oraz procesów, które przebiegają inaczej dla cząstek i antycząstek. bezwzględna różnica pomiędzy materią a antymaterią! Ewolucja w czasie układu neutralnych kaonów (oscylacje dziwności): [ 1 0 t = K 0 K 0 e 2 P t = K 0 0 t 2= [ m s t s t 2 K 0 K 0 e m s t S L 2 1 s t L t e e 2 e 4 s t 2 ] ] cos m t 28

Mezony B Podobne efekty zaobserwowano również w sektorze mezonów B (Belle, Babar, projekt LHCb). Łamanie CP bada się BEZPOŚREDNIO: częstości rozpadów sprzężonych ładunkowo są różne: B 0 K - + B 0 K + - lub POŚREDNIO częstości rozpadów mezonów i antymezonów na ten sam stan końcowy mają inną zależność czasową: 0 0 t B f t B f poprzez interferencję procesów, w których mezon B0 dał określony stan końcowy oraz dał ten sam stan końcowy, ale po zmianie (oscylacji) na antyb0. 29

Łamanie CP poprzez interferencję parametry oscylacji zależą od różnicy mas i szerokości rozpadów pomiędzy mezonem a antymezonem B 0d B 0d B0s B 0s 30

31

Poza Modelem Standardowym Model standardowy to teoria w której leptony i kwarki oddziałują ze sobą poprzez wymianę bozonów pośredniczących. Opis oddziaływań elektrosłabych i silnych bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem. Po rozwiązaniu problemu mas cząstek, MS nie przewiduje Wielkiej Unifikacji (GUT), a w szczególności nie unifikuje oddz. grawitacyjnych. W MS aż 19 parametrów wyznaczanych jest eksperymentalnie. W MS nic nie wiadomo o masach neutrin. To, co wykracza poza MS nazywamy Nową Fizyką (lub Beyond Standard Model) Unifikacja oddziaływań (GUT) przy pewnej skali energii stałe oddziaływań przyjmują tę samą wartość, ale obliczenia pokazują, że w obszarze 1011 1016 GeV stałe te zbiegają się tylko parami. Problem hierarchii dlaczego jest tak duża przerwa w skali energii pomiędzy unifikacją elektrosłabą a GUT (102 GeV a 1016 GeV), a mało brakuje do SGUT (1019 GeV)? Jest to przesłanka, że w tym obszarze jest miejsce na nowe zjawiska. Problem ekspansji Wszechświata i składników Ciemnej Energii. Rozpad protonu? Jednym z rozwiązań jest wprowadzenie nowego świata cząstek cząstek supersymetrycznych. Teoria MSSM Minimal Supersymmetric Standard Model 32

MSSM Główne założenie tej teorii wprowadza symetrię pomiędzy kwarkami i leptonami (kwarki mogą przechodzić w leptony i na odwrót LEPTOKWARKI). Przejście zachodzi poprzez wymianę bozonu X. Mamy operator Q: bozon >= fermion > Q który zmienia spin cząstki. Pojawiają się supersymetryczni partnerzy zwykłych cząstek (o ciekawych nazwach). 33

SUSY wielka unifikacja Gdyby masa najlżejszej s-cząstki była rzędu MW, skala GUT przesuwa się do 1016 GeV. Zmierzone stałe sprzeżenia zbiegają się przy skali GUT w SUSY a nie w MS. Czas życia protonu byłby rzędu 1033 lat. Gdyby supersymetria była symetrią dokładną, masy cząstek i ich s-cząstek byłyby takie same (no i byłyby już obserwowane). Brak obserwacji cząstki Higsa daje się wytłumaczyć istnieniem ciężkich cząstek supersymetrycznych. Przy teoriach SUSY jest bardzo dużo przewidywać łamania CP (np. elektryczny moment dipolowy neutronu) 34

Parzystość R Każdy fermion ma swojego supersymetrycznego partnera bozonowego. Każdy bozon ma swojego partnera fermionowego. W teoriach supersymetrycznych jest więcej cząstek Higgsa. Supersymetryczne bozony pośredniczące są mieszaniną s-bozonów: +- gaugino =, W Z 0 chargino +, neutralino 1,2,3,4 = higgsino, gaugino 1,2 Symetria zakłada te same masy, ładunki i stałe sprzężenia dla partnerów. A skoro nie udało się nam na razie znaleźć cząstek SUSY, to znaczy, że są one bardzo ciężkie. M SUSY 100 GeV Liczba kwantowa zdefiniowana jako: R= 1 2J 3B L +1 Cząstki MS -1 Cząstki SUSY gdyby była zachowana w oddziaływaniach: cząstki SUSY produkowane w parach, najlżejsza cząstka (LSP) powinna być stabilna, LSP bardzo słabo oddziałuje (jak neutrino nie widzimy go), LSP jest kandydatem na ciemną energię, oddziałują tylko grawitacyjnie LSP χ01 (mieszanina fotina, zina i higsina) 35

SUSY w LHC Jeśli SUSY istnieje, to łatwo (i szybko) może być znaleziona na LHC do 3 TeV. Dzięki dużemu przekrojowi czynnemu i spektakularnym sygnaturom tło do tych procesów jest małe. Jeśli nic nie znajdziemy na LHC: SUSY umrze Jeśli ją znajdziemy: powinniśmy zmierzyć masy niektórych cząstek i zidentyfikować spin. 36

Higgs SUSY Teoria supersymetryczne przewiduje istnienie pięciu bozonów Higgsa 37

Podsumowanie 1. W ramach Modelu Standardowego przewidziana jest produkcja neutralnego bozonu Higgsa. Badania na LEPie postawiły granicę MH>114 GeV Najnowsze wyniki (ATLAS, CMS) pokazują znaczący statystycznie wynik. 3. Symetrie C, P i CP - łamanie. 4. Łamanie CP w słabych rozpadach kaonów i mezonów B. 5. Poza Modelem Standardowym (BSM) supersymetria. 6. Ciemna materia 38