Zoektocht naar het Higgs deeltje De Large Hadron Collider in actie
Stan Bentvelsen KNAW Amsterdam -‐ 11 januari 2011
1
Versnellen op CERN • De versneller – Large Hadron Collider – sub-‐atomaire deeltjes botsen op elkaar
• Meetopstelling – ATLAS – “foto” van de botsing 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
2
Deeltjesfysica…
…klein-‐kleiner-‐kleinst…
ondeelbaar
ondeelbaar 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
3
Fermionen: elementaire spelers Koolstof: 18 u, 18 d, 6 e-‐
Proton: u + u + d quark Neutron: u + d + d quark
2/3
Quarks -1/3
Leptonen
0 -1
27-‐jan-‐ 2012 17 februari 2010
Viva Fysica! Haarlemse Chemische Kring
4
Alle elementaire deeltjes op een rij s Nieuwe deeltje 2 mc maken met E= 1e familie
Waarom 3 families? Zijn er meer?
2e familie
3e familie
2/3
2/3
-1/3
-1/ 3
0
0
-1
-1
Quarks
Leptonen
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
5
Krachten tussen deeltjes ‘Standaard Model’
Prach&ng! Dezelfde theorie voor 3 krachten
4 basis typen wisselwerkingen 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
6
Status van het Standaard Model • Veel succes met het Standaard Model – Excellente beschrijving van alle typen botsingen – Maar er is een probleem:
Nobel prijs (1999) G ‘t Hooft e n M Veltma n
’t Hooft en Veltman konden de wiskunde van het Standaard Model alleen kloppend krijgen voor deeltjes zonder massa. Hoe toch massa beschrijven? Een wiskundige truck van Higgs, Brout en Englert Consequentie van de truck: er moet een het Higgs deeltje bestaan. Bestaat dit deeltje daadwerkelijk?? Het is overigens ook onvolledig: Het Standaard Model beschrijft niet de zwaartekracht. 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
7
Wat is massa?
Hoe beschrijf je massa
voor deeltjes??
• Vacuum “leeg” – Deeltjes zonder massa – Elk deeltje beweegt met lichtsnelheid Theory OK - niet erg realistisch
–
Elementaire deeltjes zonder massa vliegen met de lichtsnelheid alle kanten op. Wat houdt hen tegen? 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
8
Wat is massa?
Hoe beschrijf je massa
voor deeltjes??
• Vacuum “leeg” – Deeltjes zonder massa – Elk deeltje beweegt met lichtsnelheid snelheid (=m assa) hangt – af van sterkte inter actie met Hi ggs veld Ruimte “gevuld met Higgs veld”
Theory OK - niet erg realistisch
Deeltjes ‘voelen’ dit Higgs veld Ze remmen af Het lijkt alsof ze een massa hebben Realistisch, maar klopt dit? 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
9
Voorspelling van het Higgs deeltje • Quantum-‐mechanica:
– Rimpeling vacuüm zelf – Dit is het Higgs deeltje
• Het Higgs deeltje heeft een aantal eigenschappen
– De meeste ‘liggen vast’ door de structuur van het SM – De massa van het Higgs deeltje zelf wordt niet voorspeld
• Er is al lang gezocht naar dit Higgs deeltje – Tot dusver nog nooit gevonden – De LHC zal laten zien of Higgs bestaat of niet! • Als het niet bestaat is dit ook een grote ontdekking 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
10
Large Hadro n Collider (2010-‐20??)
CMS
protons 27-‐jan-‐ 2012 Chemische Kring Haarlemse 17 februari 2010
Viva Fysica!
Atlas
ATLAS protons
11
Fenomenologie botsingen “Alsof je twee wekkers op elkaar knalt…”
‘Harde’ botsingen:
Feitelijk is proton een ‘vuilniszak’ met quarks en gluonen
27-‐jan-‐ 2012 17 februari 2010
Viva Fysica! Haarlemse Chemische Kring
12
Ontwerp LHC machine • Proton-‐proton botsingen met ongekende energie: – Beschikbare energie: 7000 GeV
• (genoeg om 7000 protonen te maken!)
àZoeken naar deeltjes met grote massa • Limiet gegeven door sterkte magneten
Omzetting energ ie naar deeltjes via E=mc2
– 1232 magneten met B=8.4 T, operationeel bij 1.9 K
– Bundel-‐intensiteit enorm àZoeken naar zeer zeldzame processen • Heel erg veel botsingen, 40 miljoen elke seconde
– Geen enkele botsing is hetzelfde! Steeds een ‘ander proces’. – Als het Higgs bestaat dan worden maar een paar per dag gemaakt.
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
13
ATLAS: het experiment ~ 150 institut en ~2500 natuur kundigen
Lengte: 44 m Diameter: 22 m Gewicht: 7000 ton Kanalen: 100 miljoen
27-‐jan-‐ 2012 17 februari 2010
Viva Fysica! Haarlemse Chemische Kring
14
ATLS in de realiteit Muon chambers
Toroid coils
Calorimeters
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
Building
13-‐dec-‐2011 ATLAS -‐ Nikhef group
16
De LHC draait geweldig • Aantal botsingen in 2011 overtreft alle verwachtingen – ongeveer 400.000.000.000.000 (400 biljoen) botsingen bekeken Verwacht aantal voor heel 2011
– ongeveer 2 miljard geregistreerd 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
17
Een botsing waarbij 2 muonen worden gemaakt
KNAW Amsterdam -‐ 11 januari 2011
18
Instabiele deeltjes die uiteenvallen in twee muonen
dNµµ/dmµµ [GeV -1]
Her-‐ontdekking 20e eeuwse fysica ω /ρ φ
104
q,g
ψ’
Υ (1S) Υ (2S)
Z
10
102
1 10-1
tekst ATLAS Preliminary Data 2010, s= 7 TeV 1
Bereken massa deeltjes met geobserveerde muonen KNAW Amsterdam -‐ 11 januari 2011
-1
L ≈ 40.4 pb
EF_mu15
3
10
q,g deeltjes
∫
J/ψ
105
10
102
3
10 mµµ [GeV]
Alle bekende deeltjes van het Standaard Model zijn teruggevonden! 19
Zoeken naar het Higgs deeltje • Massa van Higgs deeltje wordt niet voorspeld
Verwachtingen: Theorie: mh ≤ 600 GeV Indirecte metingen onder aanname dat Higgs bestaat: mh ≤ 185 GeV
Massa Higgs deeltje 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
20
Het uiteenvallen van het Higgs • Verval adankelijk van zijn massa Fotonen: veel achtergrond hàγγ W-bosonen: lastig hàWW(*)àlυlυ massa Z-bosonen: gouden kanaal hàZZà4 leptons (muonen)
hàγγ 27-‐jan-‐2012
hàWW(*)àlυlυ
hàZZà4 leptons Viva Fysica!
21
Waar zit het Higgs deeltje? 114.4 156 177
• Zoeken bij elke massa!
Uitgesloten bij LEP
Uitgesloten bij TevaTron
Search for the Higgs boson at the LHC Verwachtingen: Theorie: mh ≤ 600 GeV Indirecte metingen onder aanname dat Higgs bestaat: mh ≤ 185 GeV
141-476 GeV uitgesloten ATLAS & CMS met ~20% van 2011 data (november)
Massa Higgs deeltje 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
22
Verval Higgs naar twee fotonen • H→γγ: zeldzaam verval (B~10-‐3) – Goede resolutie essentieel – Dé motivatie voor calorimeter – Signaal/Achtergrond ≈ 1/20 Fotonen zijn ongeladen, laten geen ‘spoor’ na. Meting door absorptie in ‘calorimeter’
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
23
Verval Higgs naar twee fotonen • Na selecties en kwaliteit eisen: – 22489 botsingen met 100 < mγγ< 160 GeV – spectrum vergeleken met een ‘gladde’ exponentiële functie •plm 60 in ‘piek’
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
24
Verval van Higgs naar leptonen • Dubbel verval via twee Z-‐boson
-‐ Leptonen zijn goed te meten signaal/achtergrond ≈ 1/1 -‐ Aantal botsingen is klein!
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
25
Botsing met 4 muonen, m4μ= 124.6 GeV
pT (μ-‐, μ+, μ+, μ-‐)= 61.2, 33.1, 17.8, 11.6 GeV m12= 89.7 GeV, m34= 24.6 GeV
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
26
Botsing met 2elektronen en 2 muonen, m2e2μ= 124.3 GeV
pT (e+, e-‐, μ-‐, μ+)= 41.5, 26.5, 24.7, 18.3 GeV m (e+e-‐)= 76.8 GeV, m(μ+μ-‐) = 45.7 GeV 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
27
Verval van Higgs naar leptonen • Statistiek is wel klein! – Bij hogere massa’s geen excess – 3 botsingen rond 123 GeV gevonden, 1 verwacht
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
28
Het gezicht van Higgs
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
29
Hebben we hem nu? • Combineer alle informatie:
significantie bij ATLAS: 3.5 sigma significantie bij CMS: 2.6 sigma ATLAS+CMS Combination
ATLAS today
groene en gele band: verwachting zonder Higgs deeltje (1 en 2 sigma)
27-‐jan-‐2012
! ts in h e d lf e z e d n ie z S M ATLAS en C Viva Fysica!
30
Wetenschappelijk nog geen ontdekking: eis 5 sigma per experiment 27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
31
Higgs to be or not to be?
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
32
Toekomst • De LHC machine draait weer vanaf einde februari
– We zullen nog veel meer botsingen registreren – Komende zomer weten we zeker of er een nieuw deeltje is gevonden
• Is het dan eigenlijk wel het Higgs deeltje? – Meting van alle eigenschappen nodig – Dit zal de komende jaren in beslag nemen
• Vinden we nog meer nieuwe deeltjes?
– We hopen op het vinden van een deeltje dat een verklaring geeft voor de ‘donkere materie’ in het universum • zie het volgende verhaal van Ralph Wijers
27-‐jan-‐2012
Viva Fysica!
33
