1

Fizyka na LHC - Higgs

♦ Program fizyczny LHC.♦ Brakujący element.♦ Pole Higgsa.♦ Poszukiwanie Higgsa na LEP.♦ Produkcja Higgsa na LHC.♦ ATLAS.♦ Wyniki doświadczalne♦ Teraz na LHC

XI

2

FIZYKA NA LHC

▶ Unifikacja oddziaływań elektrosłabych została potwierdzona na eksperymentach na LEPie, ale nie zostało potwierdzone odkrycie bozonu Higgsa.

▶ Zbyt niska energia nie pozwoliła również na zbadanie fizyki kwarka t. ▶ Projekt LHC W CERNie z energią wiązek protonów 7 TeV:

♦ obserwacja bozonu Higgsa (jednego, dwóch?), jako sposobu na wyjaśnienie masy cząstek, roztrzygnięcie poprawności proponowanych modeli,

♦ badanie niezachowania parzystości kombinowanej CP (w celu wyjaśnienia braku antymaterii),

♦ badania fizyki kwarku t i leptonu tau.♦ obserwacja cząstek supersymetrycznych

(teorie SUSY), jako kandydatów na ciemną energię i oszacowanie skali Wielkiej Unifikacji,

▶ Należy również zauważyć, że budowa LHC przyczyniła się do znacznego postępu w elektronice i informatyce.

3

Bozon Higgsa – po co?

♦ Wróćmy do konstrukcji teorii – w QED, która jest teorią najlepiej „przeliczoną” i najlepiej zbadaną doświadczalnie, symetria cechowania pola oznaczała istnienie oddziaływania fotonów z elektrycznie naładowanymi cząstkami. Kłopot polegała na tym, że w równaniu Diraca leptony były bezmasowe.

♦ Przy próbie unifikacji oddz. elektromagnetycznych i słabych, cechowanie pola doprowadziło do opisu oddz. za pomocą czterech BEZMASOWYCH bozonów W1,2,3 i B.

♦ Fizycznie oddz. przenoszone poprzez prądy naładowane (W+-) oraz neutralne (Z0 i foton), które są kombinacjami pól W3 i B

♦ W tym opisie pojawia się problem niezgodności z doświadczeniem – bozony W i Z są całkiem masywne.

Proponowanie rozwiązanie polega na wprowadzeniu dodatkowego pola (Higgsa). Cząstki oddziałując z nim, widziane będą jako ciężkie.

♦ W teorii kwantowej istnienie pola oznacza istnienie cząstki, czyli pole to cząstki, które ze sobą oddziałują.

Przy odpowiednich warunkach (wysoka energia) cząstki ta może być obserwowana.

♦ W ramach MS powinnien być jeden neutralny bozon Higgsa, w tzw. rozszerzeniach (supersymetrycznych) MS – nawet 5 bozonów Higgsa.

Z0=W 3 cosW−B sinW=W 3 sinWB cosW

sinw≈0.5

MW≃eG

~100 GeV

4

Pole Higgsa

♦ W najprostszej wersji postuluje się istnienie jednego neutralnego skalarnego bozonu Higgsa.Dodatkowe pole jest opisywane jako dodatkowy człon (masowy) w lagranżianie.

L=T−U=∣∂μϕ∣

2−V (ϕ)

V (ϕ)=12μ2∣ϕ∣2+1

4λ∣ϕ∣4+const

∂V∂ϕ =0, gdy ϕ(μ2+λϕ2)=0

minimum potencjału

min=0

człon masowy

zwykła cząstka, stan próżni z V=0

min=±v v1,2=dwa rozw: lub:

nieskończenie wiele stanów próżniowych, a układ fizyczny znajduje się w jednym z nich.

ŁAMANIE SYMETRII

dla swobodnej cząstki skalarnej o masie µ (ϕ- funkcja falowa)

dodatkowy człon opisujący oddziaływanie cząstek ze sobą (masywnych)

, - stałe rzeczywiste

5

Pole Higgsa

♦ Po wprowadzeniu nowego pola, w stanie o najniższej energii pole jest różne od zera, mówimy o próżniowej wartości oczekiwanej dla skalarnego pola bozonowego.♦ Mamy dwa minima ,podstawiając je do L i dokonując rozwinięcia w L wokół v1,2 widać będzie człon masowy z rzeczywistą dodatnią masą.

min

ϕmin=±v v1,22 =μ2

λ

= 12

v

L=12∂

2− v2212∂2...3...

m= v2

♦ Mechanizm Higgsa polegał zatem na tym, że do lagranżianu o pewnej symetrii dodaliśmy człon pochodzący od skalarnego pola.♦ Próba minimalizacji potencjału doprowadziła do obserwacji, że stan próżni oznacza niezerowe pole, czyli obecność cząstki.♦ Efekt ten nazwany został Spontanicznym Łamaniem Symetrii (SSB) i jest obserwowany w wielu aspektach, również makroskopowych (przykł).♦ Peter Higgs wykazał, że takie niezerowe pole stawia opór cząstkom, które z nim oddziałują, czyli nadaje cząstkom masę. ♦ Mechanizm Higgsa podaje masy bozonów W+- i Z0 oraz przewiduje, że fermiony mają masę, ale o nieznanej wartości (masa pozostaje parametrem empirycznym)

por. r. Kleina-Gordona

10

Higgs w MSPierwsze poszukiwania bozonu Higgsa przy dostępnych energiach LEPu obejmowały procesy:

Stałe sprzężenia są proporcjonalne do masy cząstek w wierzchołku, zatem higgs najczęściej będzie rozpadał się do ciężkich cząstek.

Wykorzystując długi czas życia mezonów B, najlepszą sygnaturą były odseparowane wierzchołki pierwotny i wtórny (kilka mm).

PV B-vtx

SYGNAŁ

TŁO

M H~60−300 GeV

11

Produkcja Higgsa w LHC

energia zderzającego się partonu:

12

Produkcja Higgsa w LHC

13

Rozpady Higgsa

gdy mH<2MW głównie:

gdy 2mW <mH<2Mt:

gdy mH>2Mt:

ale szuka się bardzo atrakcyjnego doświadczalnie

Bozon Higgsa rozpada się najczęściej na najcięższe cząstki.

H 0b b 10 %H 0+-

H 0Z Z oraz H 0W +W -

H 0Z Z H 0W +W - H 0 tt

H 0

14

Higgs na LHC

mH< 2 MZ

Dominującym rozpadem jest (LEP), ale w środowisku hadronowym z licznymi pekami hadronów, rozpad higgsa zginałby w tle.W tym obszarze szuka się raczej rozpadów dwufotonowych:

H 0bb

H 0 BR~10−3

Wygląda na całkiem przyjazny proces doświadczalny, a tymczasem....

15

Był czy też nie był?

IRL

16http://www.atlas.ch/photos/atlas_photos/selected-photos/plots/Hgg-FixedScale-Short2.gif

17

Higgs na LHC

MC

mH> 2 MZ

Doświadczalnie łatwiej jest rejestrować leptony – szukamy zatem przypadków z czterema leptonami w stanie końcowym

MC

niestety BR na te procesy są bardzo rzadkie

http://www.atlas.ch/photos/atlas_photos/selected-photos/plots/4l-FloatingScale-NoMuProf2.gif

18

DANE

19

ATLAS – największy detektor

20

Niezwykły układ pola magnetycznego:8 cewek nadprzewodzących daje pole 8 Tsolenoid o polu 2T za detektorem wewnętrznym

21

22

Z 0+ -

15.04.2012

23

Higgs na ILC

Przy zderzeniach elektronów oczekuje się na sygnał bardzo „czysty”

24

Zachowanie parzystości CP

▶ Jeżeli sprawdzimy, jak transformuje się rozpad pionu w operacji CP:

to wydaje się, że symetria CP jest zachowana.

▶ Zachowanie parzystości ładunkowo-przestrzennej CP oznacza, że dla każdego procesu elementarnego, po dokonaniu sprzężenia ładunkowego C i odbicie zwierciadlanego P, otrzymamy realny proces fizyczny, który zachodzi z identyczną częstością.

Do roku 1964 uważano, że symetria CP jest zachowana również w procesach słabych.

25

Kaony neutralne▶ Należy znaleźć proces, w którym CP byłoby łamane - rozpady kaonów.Mezony K0 i anty-K0 są produkowane w oddziaływaniach silnych jako dwa różne stany:

▶ Stany te różnią się również silnymi procesami, którymi podlegają.▶ Dla oddziaływań silnych K0 i anty- K0 to dwie zupełnie różne cząstki.

▶ Przy operacji CP mamy:

CP |K 0 > =| K 0 >CP | K 0 > =|K 0 >

C |K 0 > =−| K 0 > C | K 0 > =−|K 0 >

P |K 0 > =−|K 0 > P | K 0 > =−| K 0 >

czyli ani K0 ani antyK0 nie są stanami własnymi CP

26

Kaony neutralnea w dodatku możliwe są słabe procesy:

czyli dla oddz. słabych mezony K0 istnieją zawsze jako kombinacja K0 i antyK0

27

Łamanie parzystości CP

Stany te są stanami własnymi operatora CP:

i różnią się czasami życia (K-short i K-long)

jeżeli parzystość CP jest zachowana, to rozpady do stanów końcowych o określonym CP rozróżniałyby te stany:

CP= +1

CP=-1

28

Łamanie parzystości CP

A mamy:

oraz:

bezwzględna różnica pomiędzy materią a antymaterią!Ewolucja w czasie układu neutralnych kaonów

(oscylacje dziwności):

K L0 l+ -− K L

0 l- +

K L0 l+- K L

0 l- +≈0.003

K- long rozpada się również na dwa piony!efekt jest bardzo słaby

0t =12[K0 K 0e

−ms t− s

2tK 0− K 0e

−ms t− s

2t]

Badania nad niezachowaniem CP oznaczają zatem poszukiwanie procesów, które nie zachowują tej liczby oraz procesów, które przebiegają „inaczej” dla cząstek i antycząstek.

P t =| ⟨K 0∣ 0t ⟩ |2=14[e− s te−L t2 e

−SL

2 cos mt ]

29

Mezony B

Podobne efekty zaobserwowano również w sektorze mezonów B (Belle, Babar, projekt LHCb).

Łamanie CP bada się BEZPOŚREDNIO:częstości rozpadów sprzężonych ładunkowo są różne:

lub POŚREDNIO – częstości rozpadów mezonów i antymezonów na ten sam stan końcowy mają inną zależność czasową:

poprzez interferencję procesów, w których mezon B0 dał określony stan końcowy oraz dał ten sam stan końcowy, ale po zmianie (oscylacji) na antyB0.

B0K -+≠ B0K+ -

t B0f ≠ t B0 f

30

Łamanie CP poprzez interferencjęparametry oscylacji zależą od różnicy mas i szerokości rozpadów pomiędzy mezonem a

antymezonem

Bd0− Bd

0

Bs0− Bs

0

31

32

Poza Modelem StandardowymModel standardowy to teoria w której leptony i kwarki oddziałują ze sobą poprzez wymianę bozonów pośredniczących. Opis oddziaływań elektrosłabych i silnych bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem.Po rozwiązaniu problemu mas cząstek, MS nie przewiduje Wielkiej Unifikacji (GUT), a w szczególności nie unifikuje oddz. grawitacyjnych. W MS aż 19 parametrów wyznaczanych jest eksperymentalnie.W MS nic nie wiadomo o masach neutrin.

To, co wykracza poza MS nazywamy Nową Fizyką (lub Beyond Standard Model)Unifikacja oddziaływań (GUT)– przy pewnej skali energii stałe oddziaływań przyjmują tę samą wartość, ale obliczenia pokazują, że w obszarze 1011 – 1016 GeV stałe te zbiegają się tylko parami.Problem hierarchii – dlaczego jest tak duża „przerwa”w skali energii pomiędzy unifikacją elektrosłabą a GUT(102 GeV a 1016 GeV), a mało brakuje do SGUT (1019 GeV)?Jest to przesłanka, że w tym obszarze jest miejsce nanowe zjawiska.Problem ekspansji Wszechświata i składników CiemnejEnergii. Rozpad protonu?

Jednym z rozwiązań jest wprowadzenie nowego światacząstek – cząstek supersymetrycznych.Teoria – MSSM Minimal Supersymmetric Standard Model

33

MSSMGłówne założenie tej teorii wprowadza symetrię pomiędzy kwarkami i leptonami (kwarki mogą przechodzić w leptony i na odwrót – LEPTOKWARKI).Przejście zachodzi poprzez wymianę bozonu X.Mamy operator Q:

który zmienia spin cząstki.Pojawiają się supersymetryczni partnerzy zwykłych cząstek (o ciekawych nazwach).

Q |bozon>=| fermion>

34

SUSY – wielka unifikacja

Gdyby masa najlżejszej s-cząstki była rzędu MW

, skala GUT przesuwa się do 1016 GeV.

Zmierzone stałe sprzeżenia zbiegają się przy skali GUT w SUSY a nie w MS. Czas życia protonu byłby rzędu 1033 lat.Gdyby supersymetria była symetrią dokładną, masy cząstek i ich s-cząstek byłyby takie same (no i byłyby już obserwowane). Brak obserwacji cząstki Higsa daje się wytłumaczyć istnieniem ciężkich cząstek supersymetrycznych.Przy teoriach SUSY jest bardzo dużo przewidywać łamania CP (np. elektryczny moment dipolowy neutronu)

35

Parzystość RKażdy fermion ma swojego supersymetrycznego partnera bozonowego.Każdy bozon ma swojego partnera fermionowego.W teoriach supersymetrycznych jest więcej cząstek Higgsa.Supersymetryczne bozony pośredniczące są mieszaniną s-bozonów:

Symetria zakłada te same masy, ładunki i stałe sprzężenia dla partnerów. A skoro nie udało się nam na razie znaleźć cząstek SUSY, to znaczy, że są one bardzo ciężkie.

Liczba kwantowa zdefiniowana jako:

gdyby była zachowana w oddziaływaniach:▶ cząstki SUSY produkowane w parach,▶ najlżejsza cząstka (LSP) powinna być stabilna,▶ LSP bardzo słabo oddziałuje (jak neutrino – nie widzimy go),▶ LSP jest kandydatem na ciemną energię, oddziałują tylko grawitacyjnie

LSP ≡ χ01 (mieszanina fotina, zina i higsina)

R=−12J3BL

+1 Cząstki MS

-1 Cząstki SUSY

M SUSY100GeV

gaugino= ,W +-Z

chargino 1,2+- , neutralino 01,2 ,3 ,4 =higgsino , gaugino

36

SUSY w LHC

Jeśli SUSY istnieje, to łatwo (i szybko) może być znaleziona na LHC do 3 TeV.Dzięki dużemu przekrojowi czynnemu i spektakularnym sygnaturom tło do tych procesów jest małe.Jeśli nic nie znajdziemy na LHC: SUSY umrzeJeśli ją znajdziemy: powinniśmy zmierzyć masy niektórych cząstek i zidentyfikować spin.

37

Higgs SUSY Teoria supersymetryczne przewiduje istnienie pięciu bozonów Higgsa

38

Podsumowanie

1. W ramach Modelu Standardowego przewidziana jest produkcja neutralnego bozonu Higgsa.

♦ Badania na LEPie postawiły granicę MH>114 GeV

♦ Najnowsze wyniki (ATLAS, CMS) pokazują znaczący statystycznie wynik.3. Symetrie C, P i CP - łamanie.4. Łamanie CP w słabych rozpadach kaonów i mezonów B.5. Poza Modelem Standardowym (BSM) – supersymetria.6. Ciemna materia