Bozon Higgsa oraz SUSY - fuw.edu.plkrolikow/ElementyFizykiCzastek2k12/wykla… · # ka%dy fermion...

D. Kie!czewska, wyk!ad 9

Bozon Higgsa oraz SUSY

!  Bozon Higgsa !  Poszukiwania bozonu Higgsa w LEP i Tevatronie - otrzymane ograniczenia na mas" H !  Plany poszukiwa# w LHC !  Supersymetria (SUSY) !  Zagadkowe wyniki CDF


Masy cz$stek – cz$stki Higgsa

PROBLEM: Teoria przewiduje zerowe masy dla bozonów cechowania. Nie jest to problem dla QED i QCD bo foton i gluon maj$ zerowe masy, ale jest to powa%ny problem dla bozonów: W i Z.

Mo%liwe rozwi$zanie problemu:

wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cz$stek Higgsa o spinie=0. Stowarzyszone z cz$stk$ pole Higgsa nadaje innym cz$stkom masy przez oddzia!ywanie z nimi.

D. Kie!czewska, wyk!ad 7 3

Sukcesy unifikacji elektro-slabej (z wyk!adu 7)

Maj$c bardzo precyzyjne pomiary masy W i Z mo%na by!o wyznaczy& mas" kwarka t przed jego wykryciem z pomiaru przekroju czynnego na: oraz uwzgl"dniaj$c poprawki wy%szych rz"dów:

mt = 171,2 ± 2,1 GeV

z bezpo'rednich pomiarów

Ale okazuje si", %e potrzebna jest jeszcze jaka' cz$stka, %eby uzyska& zgodno'& z danymi: H 0


Masy cz$stek – cz$stki Higgsa

Mo%liwe rozwi$zanie problemu: wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cz$stek Higgsa o spinie=0. Stowarzyszone z cz$stk$ pole Higgsa nadaje innym cz$stkom masy przez oddzia!ywanie z nimi.

Sta!e sprz"%enia:


Mechanizm Higgsa Wyobra(my sobie sal" bankietow$ równomiernie wype!nion$ lud(mi

(pole Higgsa):


Mechanizm Higgsa Pojawia si" s!awny naukowiec (bozon cechowania, np. W) przyci$gaj$c

uwag" zebranych


Mechanizm Higgsa Ludzie cisn$cy si" wokó! naukowca utrudniaj$ mu poruszanie si"

(nadaj$ mu mas")


Mechanizm Higgsa Ludzie na bankiecie mog$ te% spontanicznie tworzy& zg"szczenia

(bozon Higgsa)


Mechanizm Higgsa c.d.

Np. fotony s$ bezmasowe, bo nie oddzia!uj$ z bozonem H.

bezmasowe neutrina

neutrina masowe

Mechanizm Higgsa: cz$stki Higgsa H o spinie 0 wype!niaj$ pró%ni". Gdy jaka' cz$stka napotyka na H zmienia swoj$ skr"tno'& np. LH"RH. W ten sposób cz$stki staj$ si" masowe. Im cz"'ciej oddzia!uj$ z H, tym wi"ksza masa.


Poszukiwanie cz$stek Higgsa Problem: nie zaobserwowano dot$d cz$stki Higgsa Wskazówka dla eksperymentów:

Najsilniejsze sprz"%enia do kwarka t i bozonów W i Z.

Trzeba mie& dosyc energii, %eby wyprodukowa& te cz$stki.

Dotychczasowe poszukiwania - LEP, Tevatron

Najwy%sza energia osi$gni"ta:

w LEP:

e+e!

s = 210 GeV

p p

s = 1.96 TeVw Tevatronie:


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


Poszukiwania Higgsa w LEP

PDG 2006

Sygna! ??? Tylko ~2

LEP wy!$czono, %eby dalsze poszukiwania robi& w LHC.

e+e! " H + Z 0

H " bb (2 quark jets)


Ograniczenia na mas" Higgsa (SM) Wiele wielko'ci fizycznych mierzonych precyzyjnie w LEP wg. teorii zale%y od procesów wy%szych rz"dów z wirtualn$ wymian$ m.in. bozonu Higgsa.

Z /W Z /W

H

Porównuj$c pomiary z obliczeniami metod$ np. uzyskujemy informacje o masie Higgsa. )$czna analiza wielu pomiarów daje konsystentne wyniki:

Poszukiwanie cz$stki Higgsa w Tevatronie (Fermilab)


Tevatron: p + p1 TeV + 1 TeV

Przekrój czynny na produkcj" Higgsa silnie maleje z mas$ H: (obliczony wg Modelu Standardowego)

Rozpady Higgsa:

Poszukiwanie Higgsa w Tevatronie


Problem: je'li masa H jest <140 GeV to dominuje rozpad: Ale para mo%e powsta& w wyniku wielu innych bardziej prawdopodobnych procesów („t!o”).

H ! b + bb + b

Kolejne ploty otrzymane po „ci"ciach” wybieraj$cych po%$dane cechy przypadków czyli zmniejszaj$cych t!o wzgl"dem sygna!u.

sygna! x10 (wg. MS)

PDG2009: m(H0) >114 GeV c.l.=95%


Produkcja cz$stek Higgsa w LHC

t


Poszukiwanie Higgsa (SM) w LHC Wzgl"dne prawdop. kana!ów rozpadu H


Rozpady cz$stek Higgsa

1) Je'li Dominuj$cy rozpad: Jednak podobne d%ety kwarkowe b"d$ produkowane g!ównie w oddz. silnych i rozpad H zgin$!by w tle. Okazuje si", %e !atwiej szuka& rozpadów:


Poszukiwanie cz$stek Higgsa w LHC

2) Je'li to stosunki rozga!"zie# na rozpady na W i Z staj$ si" dostatecznie du%e, %eby skorzysta& z !atwiejszej separacji od t!a leptonów ni% hadronów.

masa niezmiennicza 4 leptonów ale ma!e prawd. rozpadu

niewidoczne


Higgs w detektorze

CMS

Symulacja dzia!ania detektora CMS dla zdarzenia:


Poszukiwanie cz$stek Higgsa w LHC

Powy%ej rozwa%ali'my tylko cz$stk" Higgsa H0 przewidzian$ w Modelu Standardowym.

Natomiast w modelach supersymetrycznych przewidywanych jest wi"cej cz$stek Higgsa.

Stan LHC: od III 2010 zbiera dane przy energiach 2*3.5 TeV


Supersymetria (SUSY)

Podstawowa symetria: #  ka%dy fermion ma supersymetrycznego partnera bozonowego #  ka%dy bozon ma supersymetrycznego partnera fermionowego

•  Symetria zak!ada te same masy, !adunki i te same sprz"%enia dla supersymetrycznych partnerów.

•  Fakt, %e dotychczas nie znaleziono %adnego supersymetrycznego partnera zwyk!ych czastek 'wiadczy o tym, %e symetria jest !amana przy niedostatecznie du%ych energiach.

•  Masy cz$stek SUSY >100 GeV


Spin = 1/2 Spin = 0

Spin = 0 higgs

Spin = 1

Spin = 1/2 higgsino

Spin = 1/2

Cz$stki SUSY

s- spin, L- liczba leptonowa, B-liczba barionowa

1 1

1

1

-1

-1

-1

-1


Po co SUSY? - problem hierarchii Wielkie unifikacje cz$stki o wielkich masach

niesko#czone poprawki radiacyjne

Ale poprawki od p"tli fermionowych i bozonowych maj$ przeciwne znaki, czyli symetria SUSY prowadzi do skasowania poprawek

Np. masa Higgsa:

Pod warunkiem, %e

top stop


Nowa liczba kwantowa – parzysto'& R

#  Wszystkie „stare” cz$stki maj$ R=+1 #  Cz$stki SUSY maj$ R=-1 #  Iloczyn R jest zachowany

Tzn. cz$stki SUSY musz$ by& produkowane tylko parami:

Czyli najl%ejsza cz$stka SUSY (LSP) powinna by& stabilna

LSP jest kandydatem na cz$stk" Ciemnej Materii


Najl%ejsza cz$stka SUSY - LSP

#  LSP pozosta!y z Wielkiego Wybuchu i wype!niaj$ Wszech'wiat

#  Oddzia!uj$ tylko grawitacyjnie, bo inaczej ju% by zosta!y zaobserwowane. S$ wi"c neutralne. Nie mog$ znika& w oddz. z normaln$ materi$, bo zabrania im zachowanie parzysto'ci R.

#  Kandydaci: grawitino oraz neutralino (mieszanka fotina, zina i higgsina)

Je'li LSP jest cz$stk$ Ciemnej Materii to:

Bardzo trudne do wykrycia!


Detekcja cz$stek SUSY

G!ówna cecha przypadków z udzia!em cz$stek SUSY to du%y niezbilansowany p"d poprzeczny, bo zawsze na ko#cu musz$ powstawa& jakie' LSP, które s$ ci"%kie, neutralne i nie rozpadaj$ si".

LEP

nie znaleziono cz$stek SUSY - wyznaczono ograniczenia na ich masy

LHC

poszukiwania w!a'nie si" rozpocz"!y


Grawitino w LHC?

Za!ó%my, %e grawitino jest najl%ejsz$ cz$stk$ SUSY:

Wtedy cz$stka SUSY najl%ejsza z pozosta!ych, np. stau rozpada!by si":

z bardzo d!ugim czasem %ycia, bo sprz"%enie grawitacyjne b. ma!e Czas móg!by by& rz"du godzin, lat......

Czyli b"dzie szukany czyli na!adowana cz$stka, o du%ej masie, wychodz$ca z wielkich detektorów LHC

np. o masie 10 GeV


Rozpad protonu w SUSY

Problem rozpadu protonu sta! si" problemem do'wiadczalnym - teoretycznie mo%liwy jest b. szeroki zakres parametrów.

Zachowanie parzysto'ci

wymaga tylko zachowania B-L czyli mo%liwy rozpad z niezachowaniem oddzielnie B i L :

Model SU(5) SUSY przewiduje dla tego rozpadu: Podczas gdy do'wiadczalnie stwierdzono:

(gdzie B to stosunek rozga!"zie# dla tego rozpadu)

model SU(5) SUSY wykluczony

Zagadkowy wynik CDF


Badanie di-bozonów WW, WZ0

arXiv:1104.0699

Zagadkowy wynik CDF


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

masa niezmiennicza 2 d%etów masa niezmiennicza 2 d%etów

nonSM Higgs??? np. arXiv:1104.5209


Podsumowanie

!  Symetrie cechowania w Modelu Standardowym narzucaj$ przenoszenie oddzia!ywa# przez „bozony cechowania”

!  Ale z obserwacji wiemy, %e bozony oddz. s!abych maj$ wbrew symetrii bardzo ró%ne masy

!  Aby nada& im masy zaproponowano mechanizm Higgsa

!  W dotychczasowych eksperymentach nie znaleziono cz$stki Higgsa - nadzieja w LHC

!  Teoria SUSY (Supersymetrii) przewiduje wiele nowych cz$stek o masach od 100 do 1000 GeV - nadzieja w LHC

Bozon Higgsa oraz SUSY - fuw.edu.plkrolikow/ElementyFizykiCzastek2k12/wykla… · # ka%dy fermion...

Documents

Transcript of Bozon Higgsa oraz SUSY - fuw.edu.plkrolikow/ElementyFizykiCzastek2k12/wykla… · # ka%dy fermion...