Alapveto˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata a CERN–ben Horváth Dezso˝
[email protected]. RMKI, Budapest és ATOMKI, Debrecen
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.1
50 éves a CERN!
Tuzijáték ˝ látványterve a CERN alapításának 50. évfordulója alkalmából Genf hivatalos ünnepén 2004. augusztus 1. Szimulált Higgs-esemény az LHC-n
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.2
Szimmetriák Részecskefizikában még fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether–tétel: Globális szimmetria ⇒ megmaradási törvény Eltolás térben ⇒ impulzus Eltolás idoben ˝ ⇒ energia Forgatás ⇒ impulzusmomentum Tükrözés ⇒ paritás Elektromágneses mérték ⇒ töltés
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.3
Kölcsönhatások Származtatásuk lokális mértékinvarianciából de az nem ad tömeget és divergál
Standard Modell: Szabad Dirac–fermionhoz lokális U (1) ⊗ SU (2) szimmetria ⇒ elektrogyenge SU (3) szimmetria ⇒ eros ˝ kölcsönhatás + Higgs–tér spontán szimmetriasértéssel ⇒ tömegek, integrálhatóság, konzisztencia Részecskefizika legfontosabb feladata a szimmetriák vizsgálata
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.4
CPT–invariancia Töltéstükrözés: C|p(r,t)> = |p(r, t)> Tértükrözés: P|p(r, t)> = |p(−r, t)> Idotükrözés: ˝ T |p(r, t)> = |p(r, −t)> Eros ˝ és elektromágneses kölcsönhatás tartja a paritást és a CP–t, gyenge sérti mindkettot ˝ Alapveto˝ fizikai törvény: CPT |p(r, t)> = |p(−r, −t)> = |p(r,t)> antirészecske ∼ részecske amely térben és idoben ˝ visszafelé megy. Legpontosabb CPT–teszt: 0 0 [m(K ) − m(K )]/m(average) < 10−18
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
(mezon–szektor) Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.5
A CERN gyorsítói 1996–ig
50 éves a CERN
˝ 2007–tol?
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.6
A CERN antiproton–lassítója (AD) ˝ a CPT–invariancia ellen orzésére épült Három CPT–kísérlet az AD-nál: ATRAP: q(p)/m(p) ↔ q(p)/m(p) H(2S − 1S) ↔ H(2S − 1S) ATHENA: H(2S − 1S) ↔ H(2S − 1S) ASACUSA: q(p)2 m(p) ↔ q(p)2 m(p) µ` (p) ↔ µ` (p) zöld: tervben Vörös: muködik, ˝ ASACUSA: Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons
Tokió, CERN, Budapest, Debrecen 50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.7
Az antiproton tömege és töltése Protoné jól ismert: m(p)/m(e) = 1836.15267261(85) q(e) = 1.602176462(63) C Pontosság: 5 · 10−10 és 4 · 10−8 Relatív mérés: proton ⇔ antiproton Ciklotron–frekvencia csapdában → q/m TRAP (LEAR) ⇒ ATRAP (AD) Harvard, Jülich, München, Szöul Atomi átmenetek: En ≈ −mred c2 (Zα)2 /(2n2 ) → m · q2 PS-205 (LEAR) ⇒ ASACUSA (AD)
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.8
Metastabil antiproton–atomok Anyagban (gáz, folyadék, szilárd) τ(hadron) ∼ 1 ps kivéve X− He: K− , π− : τ0 ; p: 3–4 µs Lézerspektroszkópia antiprotonos héliumatomokon
N. Morita et al, Phys. Rev. Lett. 72 (1994) 1180–1183. 50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet˝o szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.9
Principal quantum number
m(p), q(p) mérése 40 39 38
672.8 597.3 726.1 470.7
δM p [10 6] Mp
37 36
35
_4
p He
+
e pH
372.6
+
A LE
R 2
34
723.9
_3
525.5
p He
34
1
1.5
2
0.5
allowed region
+
0.5
n=31
35
463.9
0.5
36
264.7
1
38 37
593.4
32
p
Qp
1.5
33 296.1
/M
364.4
33
metastable states
0.5
1
1.5
2
δQ p [10 6] Qp
p He + AD
1 1.5
32
short-lived states
287.4
2
n=31 l = 30
31
32
33
34
35
Orbital quantum number
Felso˝ határ CPT–sértésre: 10 ppb (10−8 ) M. Hori, J. Eades, R. S. Hayano, T. Ishikawa, W. Pirkl, E. Widmann, H. Yamaguchi, H. A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 123401. 50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.10
+
A pHe atom finomszerkezete Sur ˝ uségfüggés ˝ (T = 6 K)
− F ’=L’−1/2
#,&
%$"#
f− ν
−+
/0 ./
1; 2
8
/
/9
:
52
24 3 12 =<
8 #(& ++
*
--
-
J = L+1
)
(
--
'
--
#
--
"
νHF−
f+
-
νHF+
#'&
$ "# %
νHF
$ "# %
(n,L)
+
82 1;
J =L−1
6/
−
7/8
νSHF −−
F ’=L’+1/2
−
$%"# +#&
J =L
$ "# % $%"# )#& *#&
F−=L−1/2
νHF’
--
(n’,L’)
νSHF+
+
F =L+1/2
C
@ >?
J+−=L
MW N
T
KU K
SKT
V
QN
NP
JK YX
TN MW T HH
F
HH
E
HH
D
H
IH
HH
?
HH
H
1.05
>
BCD
@A>? EBC @ >? A
R++/R++off
1.10
O MN
ν−HF
ν+HF
RK
1.15
KL
B
BCC
+
@ >? A
ν
! @A>? @A>? @A>? BCF GCB CB
Nívóséma, frekvenciaspektrum
1.00 0.95 12.86
12.88
12.90
12.92
12.94
12.96
νMW (GHz)
Elmélet ⇔ kísérlet p ∼ p ⇒ CPT OK
E. Widmann, R.S. Hayano, T. Ishikawa, J. Sakaguchi, H. Yamaguchi, J. Eades, M. Hori, H.A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 243402. 50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.11
Antiproton csatornázása ütközésekben A metastabil állapot kioltási hatáskeresztmetszetének ˝ homérsékletfüggése H2 , D2 -vel történo˝ ütközésekben:
Eb σq = σ0 exp − kT
+ σt ⇒ Arrhenius–függés + csatornahatás.
σt függ energiaküszöb magasságától és szélességétol ˝ ⇒ H–izotóptól és kvantumállapottól. (37,34) 10300 100
50
30
T (K) 20
10
(38,37) 10300 100
30
T (K) 20
10
-16
σq (10
σq (10
-16
cm2)
5
cm2)
5
50
1
0.5
1
0.5
H2 D2 0.2
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 1/T (1/K)
H2 D2 0.1
0.2
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 1/T (1/K)
0.1
B. Juhász, J. Eades, R. S. Hayano, M. Hori, D. Horváth, T. Ishikawa, H. A. Torii, E. Widmann, H. Yamaguchi, T. Yamazaki: Chem. Phys. Lett., 379 (2003) 91; Juhász Bertalan: PhD–dolgozat, Debrecen, 2004 50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.12
A jövo˝ : lassú antiproton–nyaláb Monoenergetic Ultra Slow Antiproton Source for High–precision Investigations 5.8 MeV p AD ⇒ RFQ 100 keV p RFQ ⇒ csapda 106 p csapdában hutve ˝ (2002) Lassú p kivezetve (2004) fékezoképesség ˝ Cél: egyszeres ionizáció magfizikai tanulmányok K. Yoshiki Franzen, N. Kuroda, H. A Torii, M. Hori, Z. Wang, H. Higaki, S. Yoneda, B. Juhász, D. Horváth, A. Mohri, K. Komaki, Y. Yamazaki: Rev. Sci. Instr., 74 (2003) 3305-3311. 50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.13
A néhai LEP–gyorsító
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.14
A néhai LEP–gyorsító
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.15
Omni–Purpose Apparatus for LEP Large Electron Positron collider, 1989–2000 300 résztvevo, ˝ 407 publikáció, 13743 hivatkozás (SPIRES)
Magyar résztvevok: ˝ diplomamunkás doktorandusz OPAL–PhD
50 éves a CERN
Csilling Ákos
RMKI
2000–
Dienes Beatrix
ATOMKI
1997–
Hajdu Csaba
RMKI
1995–
Horváth Dezso˝
RMKI & ATOMKI
1995–
Hudácskó Attila
DE
2003–
γγ
Igó–Kemenes Péter
Heidelberg
ifj. Krasznahorkay Attila
DE
2003–2004
γγ
Pálinkás József
DE & ATOMKI
1995–2000
Patay Gergely
BME
2004–2005
TGC
Pásztor Gabriella
RMKI
1995–
H±
Trócsányi Zoltán
DE & ATOMKI
1997–
Ujvári Balázs
DE
2001–
γγ
Vértesi Róbert
DE
2002–
γγ
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
QCD
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.16
OPAL: Publikációs aktivitás, 2001
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.17
Hadron calorimeters and return yoke
Electromagnetic calorimeters
Muon detectors
Jet chamber
Az OPAL detektor
Vertex chamber
Microvertex detector
1989–2000 y θ z
ϕ
Z chambers Solenoid and pressure vessel
x Presampler Forward detector
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Silicon tungsten luminometer
Time of flight detector
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.18
OPAL e+ e− ⇓ W+ W− ⇓ 4 kvark
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.19
Higgs-bozonok keresése A SM Higgs–bozonja spin–nélküli, semleges, nehéz részecske, nem találtuk meg 95% határ:
114.4 GeV < MH < 219 GeV LEP–keresés SM–fitting
SM kiterjesztése: 2 Higgs–dublett ⇒ h 0 , A 0 , H0 , H± Semlegeseket nehéz SM–Higgs-tol ˝ megkülönböztetni. határozott különbség: H± Keresés: e+ e− →H+ H−
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.20
A töltött Higgs–bozon keresése ˝ Képzodés párban: e+ e− →(H+ H− +ν τ τ Bomlás nehéz fermionokra: H+ → qq0(∼ cs) Három csatorna ⇒ három analízis: + ν τ− ν (leptonos) τ τ τ e + e− →H+ H− → τ+ ντ cs + τ− ντ cs (vegyes) cscs (hadronos) (e + e− → H+ H− → AW∗ is készül)
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.21
+ −
+
−
e e → H H → qqτν OPAL Preliminary: H H → qqτν, 189 - 209 GeV
(Hajdu Csaba)
10 2
Events / 2 GeV
10
Signal*100 MH± = 60 GeV
3
10
1 0.2
10 3
0.4
0.6
0.8 1 Likelihood
Signal*100 MH± = 75 GeV
10 2
Events / 2 GeV
0
Events / 0.05
Likelihoodeloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum a töltött Higgs-bozon két hipotetikus tömegére a félig leptonos csatornában
Events / 0.05
+
-
40 35 30 25 20 15 10 5 0
70 60
OPAL data (166) 4-fermion MH± = 60 GeV 2-fermion Signal SM bgr = 163.1 Signal = 59.8
60 80 100 Charged Higgs mass (GeV)
Data = 315 SM bgr = 315.0 Signal = 23.6
MH± = 75 GeV
50 40 30
10
20 10
1 0 50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
0.2
0.4
0.6
0.8 1 Likelihood
Horváth Dezs˝o
0
60 80 100 Charged Higgs mass (GeV)
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.22
+ −
+
−
e e → H H → qqqq
˝ (Horváth Dezso)
10 2
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Signal*100 MH± = 60 GeV
1
10
0.2
0.4
0.6
0.8 1 Likelihood
Events / 2 GeV
0
2
MH± = 60 GeV
OPAL data (595) 4-fermion 2-fermion Signal (60 GeV) SM bgr = 587.0 Signal = 124.6
60 80 100 Reconstructed mass (GeV)
140
MH± = 75 GeV
120
Data = 1100 SM bgr = 1117.8 Signal = 62.1
100 80 60
10
40
Signal*100 MH± = 75 GeV
20
1 0 50 éves a CERN
-
Events / 2 GeV
10 3
+
10
Events / 0.05
Likelihoodeloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum a töltött Higgs-bozon két hipotetikus tömegére a hadron– csatornában
Events / 0.05
OPAL Preliminary: H H → qqqq, 189 - 209 GeV
MTA, 2004. szept. 22.
0.2
0.4
0.6
0.8 1 Likelihood
Horváth Dezs˝o
0
60 80 100 Reconstructed mass (GeV)
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.23
+ −
+
−
Tömeg — elágazási arány területek, ahogyan 95% konfidenciával a keresési csatornák külön-külön és együttesen kizárják a 2HDM modell keretein belül (Pásztor Gabriella). ˝ El ozetes OPAL-eredmény: mH± > 75.5 GeV (95%)
Br(τν)
e e →H H : tömeghatár 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 τντν qqτν qqqq Combined Expected
0.3 0.2 0.1 0
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Charged Higgs mass (GeV)
OPAL Physics Note PN509, 2002; D. Horváth: Nucl. Phys. A, 721 (2003) 453c.
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.24
Nem találtunk Higgs-bozont a LEP-nél, építsünk LHC-t!
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.25
Az LHC CMS–detektora
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.26
Az LHC CMS–detektora (Compact Muon Solenoid) Teljes súly: 12500 tonna, több vas, mint Eiffel–toronyban > 2000 résztvevo˝ a világ minden tájáról A világ legnagyobb (szupravezeto) ˝ szolenoidja: átméro˝ ∼ 8 m, B = 4 Tesla Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektor pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizika Tanszék és ATOMKI Very Forward Calorimeter: RMKI Eseményszurés: ˝ ≈ 4000 PC, 500 GBit/sec Adatkezelés: LHC Computing Grid RMKI (BUDAPEST): 100 PC, 7 TB HD 50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.27
H → ZZ → eeqq a CMS–nél
50 éves a CERN
MTA, 2004. szept. 22.
Horváth Dezs˝o
Alapvet o˝ szimmetriák kísérleti vizsgálata
– p.28
