Bozon Higgsa oraz SUSY

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

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.

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

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:

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

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

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

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

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

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

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

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

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:

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:

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%

Produkcja cząstek Higgsa w LHC t

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

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:

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

Higgs w detektorze CMS Symulacja działania detektora CMS dla zdarzenia:

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

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

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

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

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

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!

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

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

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.

Zagadkowy wynik CDF Badanie di-bozonów WW, WZ 0 arxiv:1104.0699

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:1104.5209

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