Sérülő szimmetriák az LHC-nál. 1. Higgs-bozon

Sérülo˝ szimmetriák az LHC-nál. 1. Higgs-bozon MAFIHE Téli Iskola, ELTE, 2013.02.08 Horváth Dezso˝ [email protected] MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon

MAFIHE Téli Iskola, ELTE, 2013.02.08

– p. 1/59

Vázlat Részecskék és kölcsönhatások A Standard Modell és a Higgs-bozon A Nagy Hadron-ütközteto˝ (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet Hogyan is állunk a Higgs-bozonnal? Utunk idáig Tervek, kilátások



– p. 2/59

A mikrovilág vizsgálata: nagy energia Tárgy 1 eV = kinetikus energia, amelyet 1 V átszelésekor szerez egy elektron 1 keV = 103 eV 1 MeV = 106 eV; 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 1012 eV

méret, m energia

kicsi

10−3

baktérium

10−5

λ(fény)

10−7

1 eV

atom

10−10

1 keV

atommag

10−14

1 GeV

elektron

10−18

1 TeV

Nagyobb energia ⇒ kisebb távolság ⇒ mélyebb szerkezet



– p. 3/59

A Standard Modell állatkertje

A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan ˝ Kísérletileg messzemenoen igazolva Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 4/59

A Standard Modell Elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítése és szétválasztása a Higgs-mechanizmus jótékony közremuködésével ˝ (Igazából Anderson-Englert-Brout-HiggsGuralnik-Hagen-Kibble mechanizmus, 1963-64) ˝ Vákuumhoz 4-komponensu, ˝ szimmetriasérto˝ mezo. Elrontott kombinált mértékszimmetriából leválasztunk jó elektromágnesest ⇒ zérus-tömegu˝ foton, OK! Maradék: gyenge kölcsönhatás? Higgs-tér 3 szab. foka: nehéz Z, W+ , W− Megkaptuk a jó gyenge kölcsönhatást 3 nehéz bozonnal. Negyedik szab. fok: nehéz skalár bozon



– p. 5/59

A SM Higgs–bozonja A Standard Modell Higgs–mechanizmusa: Szimmetriasértés!

Higgs-bozon: furcsa részecske, minden kvantumszáma zérus Létezik? SM: muszáj! Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 6/59

Viccek a Higgs-bozonról Bárban A bárba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a csapos: Vigyázzon, magát többen is keresik! Templomban A templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a ˝ Pedig nélkülem pap: Magát nem szívesen látjuk itt.. Mire o: itt soha nem lesz tömeg! Angolul: But without me how can you have mass?

A tárgyak tömege NEM a Higgs-mechanizmustól van!



– p. 7/59

A SM Higgs-bozonja A SM megadja a keletkezési és bomlási valószínuségeit. ˝ ˝ pl. fermion-párra bomlásé Minden tömegfüggo, Γ(H→f f ) =

Nc g 2 m2f 32πm2W

β 3 mH

Nc színek száma (leptonok: 1; kvarkok: 3) g 2 ∼ 0.425 SU(2) csatolási állandó 2

β =1−

m2 4 m2f H

fermion-sebesség.

Tömeget a SM nem jósol, csak limitál: 30 GeV < mH < 500 GeV (unitaritás) Ha a SM perturbatív EGUT = 1016 GeV-ig: (GUT: Grand Unification Theory) 130 GeV < mH < 190 GeV



– p. 8/59

A Standard Modell diadalútja Measurement

Fit

(5) ∆αhad(mZ)

0.02750 ± 0.00033 0.02759

mZ [GeV]

91.1875 ± 0.0021

91.1874

ΓZ [GeV]

2.4952 ± 0.0023

2.4959

σhad [nb]

0

41.540 ± 0.037

41.478

Rl

20.767 ± 0.025

20.742

0,l

Afb

Al(Pτ) Rb

0.1465 ± 0.0032

0.1723

0.0992 ± 0.0016

0.1038

0.0707 ± 0.0035

0.0742

Ab

0.923 ± 0.020

0.935

Ac

0.670 ± 0.027

0.668

0.1513 ± 0.0021

0.1481

sin θeff (Qfb) 0.2324 ± 0.0012

0.2314

mW [GeV]

80.385 ± 0.015

80.377

ΓW [GeV]

2.085 ± 0.042

2.092

2 lept

173.20 ± 0.90

3

2012 tavasza valamennyi kísérlet ˝ sokszáz eredményébol ˝ ˝ (de foként LEP-bol) |Mért–számolt|/szórás

0.21629 ± 0.00066 0.21579 0.1721 ± 0.0030

March 2012

meas

0.1481

0,b Afb 0,c Afb

mt [GeV]

fit

−O |/σ 1 2

0.01714 ± 0.00095 0.01645

Rc

Al(SLD)

meas

|O 0

Egyetlen (még statisztikán belül) eltéro˝ adat ¯ e+ e− → Z → bb ˝ elore-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport:

173.26

0

1


2

3 http://lepewwg.web.cern.ch/ MAFIHE Téli Iskola, ELTE, 2013.02.08

– p. 9/59

De hol van a Higgs-bozon? ˝ Kísérletileg erosen behatároltuk. LEP: MH > 114 GeV LHC: MH < 127  GeV   −24 

mLimit = 152 GeV

March 2012

Theory uncertainty ∆αhad = (5)

5

0.02750±0.00033 0.02749±0.00010 incl. low Q2 data

4

∆χ2

SM-fitt: MH = 94

 +29 

6

GeV

3 2

Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi a divergenciákat

1 0

LEP excluded

LHC excluded

40

100

200

mH [GeV]

˝ „Igazából 1972-ben kezdodött az életem, mint bozon” Peter Higgs: My Life as a Boson: The Story of „The Higgs”, Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002) 86-88.



– p. 10/59

A CERN 20 tagországa

+

+Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo. Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 11/59

A CERN és környéke



– p. 12/59

A CERN kutatói (felhasználói)

2800 alkalmazott + 10500 kutató + 440 diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia) Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 13/59

A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: 1989–2000

LHC: 2009–2025?



– p. 14/59

Az LHC eltéríto˝ -mágnesei

Az 1232 szupravezeto˝ mágnes egy része (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T) Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 15/59

Az LHC már készen



– p. 16/59

CMS (Compact Muon Solenoid)

Compact Muon Solenoid: 14000 tonnás digitális kamera 20 M kép/s, 1000 GB/s adat Tárolás: max. 400 kép/s ⇒ intelligens adatszurés!! ˝ Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 17/59

Az LHC CMS–detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: 14000 tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel–toronyban ˝ szolenoidja: A világ legnagyobb (szupravezeto) ˝ 6 m, mágneses tere 4 Tesla belso˝ átméroje Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektorok pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizikai Int. és ATOMKI ˝ Eloreszórt részecskék észlelése: (Hadron Forward calorimeter, HF) Készült USA-RU-TR-HU együttmuködésben: ˝ RMKI, Budapest Az elso˝ leeresztett CMS-detektorrész: 2006. nov. 11. Adatkezelés: Worldwide LHC Computing Grid Wigner FK RMI: BUDAPEST WLCG-állomás



– p. 18/59

Munka 160 müonkamrán

Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 19/59

HF: kvarcszálak acélban

Minden CERN-es magyar fuzte ˝ Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon

Szálkalibráció kész darabon MAFIHE Téli Iskola, ELTE, 2013.02.08

– p. 20/59

Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fo˝ WLCG-állomásai

Wigner FK Tier-2: 500 CPU, 255 TB, CMS és ALICE VO ATOMKI Tier-3: átadva, 2012 nov. 2013 jan.: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települ! Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 21/59

A CMS-együttmuködés, ˝ 2012 41 ország 179 intézménye 3275 fizikus (közülük 1535 diák) 790 mérnök és technikus ˝ intézmény országa szerint: Résztvevok USA: 1149, Olaszo.: 439, Németo.: 298, Oroszo.: 234 Útlevél szerint: USA: 707, olasz: 554, német: 315, orosz: 305 ˝ 40, magyar útlevéllel: 44 Magyar intézménybol:



– p. 22/59

A CMS mágnese



– p. 23/59

A CMS belso˝ része



– p. 24/59

Az LHC remekül muködött! ˝

p-p ütközések hozama 7 TeV-nél 2010: 0,04 fb−1 , 2011: 5,6 fb−1 , 2012: 23, 3 fb−1 @ 8 TeV! (CMS: 21, 8 fb−1 , 94 %) Dec.17-én leállt a p-p program. 2013: 6 hét p-Pb, majd 1,5 év fejlesztés. Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 25/59

Higgs-bozon keltése az LHC-nál g H

q g

gluon-fúzió

q

q

H

W,Z _ q

_ q

vektorbozonfúzió



– p. 26/59

A Higgs-bozon bomlása CMS: 2012 március 114 < MH < 127 GeV (95% CL) Egymással versengo˝ folyamatok A legjobb csatorna az LHC-nál: H→γγ (Kunszt, Trócsányi és Stirling, 1991)



– p. 27/59

A CMS elektromágneses kalorimétere a H → γγ észlelésére optimalizálva

CMS ECAL: 75,848 PbWO4 egykristály szcintillátor Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 28/59

2012 május: ATLAS és CMS lát valamit? Mindenki lát (utólag még az amerikai TEVATRON is) egy kevés többletet a Standard Modell Higgs-bozon nélküli ˝ jóslata fölött, de sehol sem igazán jelentos A mért adatnak kísérleti bizonytalansága van (σ ). Forrása: ˝ észlelések száma és minosége, szimulációk egyezése kísérlettel, felhasznált korábbi adatok bizonytalansága. Megállapodás: felfedeztünk valami újat, ha az ismert ˝ az a kísérleti bizonytalanság ötszörösével (5σ ) háttérbol kiemelkedik MTA, 2012.05.09: Már 3σ többlet, 2012-ben felfedezésre itélve??



– p. 29/59

2012 július 4: valami van! ATLAS és CMS, 7 és 8 TeV ütközési energián, H → γγ és H → ZZ → ℓ+ ℓ− ℓ+ ℓ− csatornában, m ≈ 126 GeV ˝ tömegnél statisztikusan jelentosen (kísérletenként 5σ szignifikanciával) lát egy új H részecskét a SM Higgs-bozonjának megfelelo˝ tulajdonságokkal. Vajon tényleg a Higgs-bozont látjuk? Az adatelemzés kihegyezve a SM Higgs-bozonra ... De még be kell bizonyítanunk, hogy tényleg az, pl. SH = 0+ : H → ZZ és H →WW bomlástermékek szögeloszlása H → XY... valószínuségei ˝ SM szerintiek Csak egy Higgs-bozon van (nincs több, semleges vagy töltött) Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 30/59

CERN @ Melbourne, 2012 július 4.

Pásztor Gabriella: Higgs-vadászat @ CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)



– p. 31/59

CERN @ Melbourne, 2012 július 4.



– p. 32/59

CERN, 2012 július 4.



– p. 33/59

Higgs-bozon, 2012 aug. 17.



– p. 34/59

CMS: Higgs-cikk, 2012 aug. 17 Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012) 30–61. ˝ a közben (20 év építés!) eltávozott résztvevoknek dedikálva ˝ 20+3 magyar: 15 oldal cikk, utána 17 oldalon 2899 szerzo, Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest: Bencze György, Hajdu Csaba, Hidas Pál, Horváth Dezso˝ 1 , Krajczár Krisztián3 , Siklér Ferenc, Veszprémi Viktor, Vesztergombi György2 , Zalán Péter ATOMKI, Debrecen: Béni Noémi, Czellár Sándor, Fenyvesi András, Molnár József, Pálinkás József, Szillási Zoltán Debreceni Egyetem: Karancsi János, Raics Péter, Trócsányi Zoltán, Ujvári Balázs, Zilizi Gyula Más színekben: Gutay László (Purdue), Banicz Károly (FNAL), és Veres Gábor2 (CERN) 1

: + ATOMKI;

2


: + ELTE;

3

: + MIT


– p. 35/59

A CMS-cikk bírálata



– p. 36/59

ATLAS: Higgs-cikk, 2012 aug. 17. ATLAS Collaboration: Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC Phys. Lett. B 716 (2012) 1–29 ˝ 4 magyar 2931 szerzo, Tóth József és Pásztor Gabriella (Wigner FK), ifj. Krasznahorkay Attila (New York U.) és Kövesárki Péter (Bonn U.) Hivatkozás bozon-megfigyelési cikkekre (InSpire: 2012 aug. - 2013 jan.) CMS: 562, ATLAS: 567 Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 37/59

CMS-esemény: H → γγ jelölt



– p. 38/59

CMS: H → γγ (VBF)

Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora. Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 39/59

H → γγ tömegspektrum, 2012 aug. CMS

ATLAS ⇒ Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 40/59

∗

+ −

+

CMS: H → ZZ → e e µ µ



−

– p. 41/59

∗

+ −

+

CMS: H → ZZ → e e µ µ



−

– p. 42/59

∗

+ − + −

CMS: H → ZZ → ℓ ℓ ℓ ℓ

2012 aug.



– p. 43/59

∗

+ − + −

ATLAS: H → ZZ → ℓ ℓ ℓ ℓ

2012 aug.



– p. 44/59

CMS, 2012 november: jelero˝ sség

A 2012 júliusi statisztika megduplázva: L = 12.2 fb−1 CMS-jel: 6.9 σ < MX >= 125.8 ± 0.4(stat) ± 0.4(syst) Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 45/59

CMS, 2012 november: M ↔ hkm.

< MX >= 125.8 ± 0.4(stat) ± 0.4(syst) Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 46/59

CMS, 2012 november: paritás

A CMS-adatai a + paritást támogatják SX = 0-hoz Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 47/59

Ez a SM Higgs-bozonja? CMS, 2012 november

A különbözo˝ bomlási módusok valószínusége ˝ ˝ a SM elorejelzéseihez képest 126 GeV-es Higgs-bozonra CMS átlaga, 2012 november: 0.88 ± 0.21 Közeledünk a SM-hez (sajnos :-) ATLAS átlaga, 2012 december 14: 1.35 ± 0.24 Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 48/59

ATLAS, 2012 dec. 14: 2 Higgs-bozon???

Mγγ = 126.6 ± 0.3 ± 0.7

M4ℓ = 123.5 ± 0.8 ± 0.3

< MH >= 125.2 ± 0.3(stat) ± 0.6(syst) GeV

ATLAS-CONF-2012-170 Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 49/59

ATLAS, 2012 dec. 14: 2 Higgs-bozon???

M4ℓ = 123.5 ± 0.8 ± 0.3

Mγγ = 126.6 ± 0.3 ± 0.7

< MH >= 125.2 ± 0.3(stat) ± 0.6(syst) GeV Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 50/59

Hogyan jutottunk idáig? ˝ CMS szándéknyilatkozat: 1992 (475 szerzo) Technikai tervek (8 többszázoldalas mu): ˝ 1995–2005 Detektor jórészt felépítve a felszínen: 2000-2006 Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés: 2006-2008 LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd 2009. 2010: 7 TeV, összegyujtött ˝ luminozitás 0.04 fb−1 2011: 7 TeV, 5.6 fb−1 2012 április – december: 8 TeV, ∼25 fb−1 ˝ LHC fejlodése: 2010 → 2011: 140-szeres luminozitás 2011 → 2012: 7 → 8 TeV, cca. ötszörös luminozitás Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 51/59

CMS-vezérlo˝ , 2012 május 2, 15h 45p

http://cms.web.cern.ch/content/cms-control-room-webcams ˝ HD DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelo: Ügyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 52/59

Adatmino˝ sítés, eseményrekonstrukció ˝ Globális, online ellenorzés: Data Quality Monitoring Offline DQM aldetektoronként. Budapest és Debrecen: Tracker-adatok ˝ minosítése (Wigner FK CMS-állomásán!) Eseményrekonstrukció Tier-0-ban. Tárolás Tier-1-ben, analízis Tier-2-ben és Tier-3-ban (Particle flow: aldetektorok jeleinek összevarrása). CERN-i Tier-0 (→ CERN@Wigner) ⇒ Bolognai Tier-1 ⇒ budapesti Tier-2 ⇒ debreceni Tier-3


A Wigner FK CMS-állomása Hajdu Csaba építette, átadva 2012 márciusában. 60 muszakot ˝ teljesítünk vele! Az ATOMKI-ban is megépítjük


– p. 53/59

Vak adatelemzés szimulációk alapján Vak adatelemzés: addig mért adatokhoz nem nyúlunk, amig nem rögzítettük az elemzés módszerét (eseményválogatás, jel- és háttérszeruség ˝ valószínusége, ˝ hatásfokok). Több párhuzamos analízis ugyanarra különbözo˝ módszerrel. Analysis Note-ok (100-200 oldalon), a legjobbat fogadjuk el: Tisztaság, hatásfok, szisztematikus szórás, átláthatóság. ˝ konkurrensek vitája. Analysis Note-ok egész CMS elott, Most is éppen ez zajlik a 2012-es teljes adattömeg ˝ megnyitása elott ˝ Mindig lehet javítani az analízisen, határidoket rögzítünk, ˝ konferenciákra idozítve. Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 54/59

CMS: 78 p-p vertex!

Sok p-p ütközés lehet ugyanabban az eseményben (csomag-ütközésben). Rekord: 78 azonosított vertex (2012: átlag 21). Adatmennyiséget növeli, de elemzést nehezíti. Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 55/59

Mit mondhatunk és mit nem? ˝ Csak teljes jóváhagyás után beszélhetünk az eredményekrol. ATLAS kiszivárogtatta a júl. 4-i eredményt Nature-nek, CMS ˝ ˝ látta a megerosítette. A két TEVATRON-kísérlet meg egybol 125 GeV-es Higgs-bozont elhanyagolható szignifikanciával (ugyanazok a fizikusok ,). Egy ATLAS-os (mi lett vele?) tavaly fel is fedezte a Higgs-bozont 140 GeV-nél. Csak jóváhagyott (elfogadott Physics Analysis Summary-ban ˝ ábrákat, adatokat mutathatunk. levo) ˝ próbaeloadások. ˝ Konferencia elott Joe Incandela július 4-i ˝ ˝ o˝ eloadását a CMS 4-órás videokonferencián próbálgatta eloz délután. Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 56/59

Felfedezés? A Tevatronnál amit az egyik kísérlet (ált. CDF) felfedezett, a ˝ megcáfolta. másik (D0) általában késobb ATLAS és CMS megállapodott, hogy ha valamelyik felfedez ˝ valamit, a szóvívo˝ elmondja a Foigazgatónak, aki odahívja a ˝ és megkéri, ellenorizze. ˝ másik szóvívot Erre most nem volt szükség. CMS és ATLAS megállapodott, hogy júliusban nem használja a „Discovery” (felfedezés) szót, csak az „Observation”-t (megfigyelés).



– p. 57/59

Végszó ATLAS és CMS, két LHC-energián, többféle bomlási csatornában, hasonló tömeggel és ˝ jelerosséggel lát Higgs-bozon-szeru˝ részecskét. Tanulmányozni fogjuk. Jó lenne, ha nem pontosan a SM Higgs-bozonja volna: új fizika reménye.

John Ellis beszélget Margaret Thatcherrel Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 58/59

Köszönetnyilvánítás Nemzeti Innovációs Hivatal Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal † OTKA NK67974, NK81447, K72172, K81614, H07B-74296 és H07C-74153 EU FP6 MC-ToK 509252 és FP7 III 031688 Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia Megérto˝ együttmuköd ˝ o˝ partnereink (CERN, ETHZ, HEPHY !)

Köszönöm a figyelmet! Horváth Dezs˝o: Higgs-bozon


– p. 59/59

Sérülő szimmetriák az LHC-nál. 1. Higgs-bozon

Recommend Documents