Владимир Генчев ИЯИЯЕ, БАН, София

1

Владимир ГенчевВладимир Генчев

ИЯИЯЕ, БАН, СофияИЯИЯЕ, БАН, София

Участието на ИЯИЯЕУчастието на ИЯИЯЕ, , БАН БАН в експеримента в експеримента CMSCMS и и търсене на търсене на Higgs Higgs бозонбозон

ЦЕРН, ЦЕРН, 1717 СептемвриСептември 2012 2012

2

СъдържаниеСъдържание

Стандартен моделСтандартен модел

Физическа мотивацияФизическа мотивация

LHCLHC

Участие на ИЯИЯЕ, БАН в Участие на ИЯИЯЕ, БАН в CMSCMS

CMS CMS в действиев действие

HiggsHiggs

Канали на разпадКанали на разпад

Значимост на сигналаЗначимост на сигнала

ЗаключениеЗаключение

3

Стандартен МоделСтандартен Модел

(„Периодична таблица“ на елементарните частици)(„Периодична таблица“ на елементарните частици)SM SM се базира на се базира на SUSUCC(3) x SU(3) x SULL(2) x U(2) x UYY(1)(1) калибровъчна група калибровъчна група

структура: структура: QED, EW, QCDQED, EW, QCD

поколенияпоколения лептонилептони kkваркиварки

II е е ννee uuuuuu ddddd d

IIII μ νμ νμμ cccccc ssssss

IIIIII ττ ννττ tttttt bbbbbb

eeл. зарядл. заряд QQ -1-1 0 0 2/3 2/3 --1/31/3

бозонибозони

gg

WW±± Z Z

Higgs ? Higgs ?

CCaa – – октет на цветните заряди → октет на цветните заряди → SUSUCC(3)(3)

II33 = ± 1/2 → SU = ± 1/2 → SULL(2)(2)

Q = IQ = I33 + (1/2)Y (Y = 1 – + (1/2)Y (Y = 1 – лептони, лептони, Y = 1/3 - Y = 1/3 - кварки) → кварки) → UUYY(1)(1)

≠ ≠ SS

4

Физическа мотивацияФизическа мотивацияSM SM ссъдъръдържжа явна явноо спорни моменти спорни моменти ((защо има 6 кварка? защо има само 3 фамилии кварки и лептони?)защо има 6 кварка? защо има само 3 фамилии кварки и лептони?)SMSM иима липсващи елементима липсващи елементи((механизъм за генериране на масите на познати механизъм за генериране на масите на познати ччастици)астици)SMSM ее логически незавършен логически незавършен(г(гравитацията не е инкорпорирана) равитацията не е инкорпорирана) SM дава безсмислици при SM дава безсмислици при LHC LHC енергииенергии(вероятността за (вероятността за някои процеси някои процеси > 1 при енергии над 1 TeV)> 1 при енергии над 1 TeV)

Какво е масатаКакво е масата? ? Защо някои частици нямат масаЗащо някои частици нямат маса??((MM = 0 = 0, , MMWW, M, MZZ ~ 100 GeV) ~ 100 GeV)

От какво е направенаОт какво е направена 96% 96% от Вселенатаот Вселената ( (невидима енергия/материяневидима енергия/материя)?)?Предпочитание на ПриродатаПредпочитание на Природата… … защо няма антиматериязащо няма антиматерия??На какво е приличала материята в първите мигове на ВселенатаНа какво е приличала материята в първите мигове на Вселената??

((кварк-глюонна плазма?)кварк-глюонна плазма?)

Програмата на Програмата на LHCLHC трябва да отговори на тези въпроси. трябва да отговори на тези въпроси. Необходимо Необходимо ббе: е: Да се открие Да се открие HiggsHiggs

Да се излезе извън Да се излезе извън SMSM:: ((SUSY, SUSY, допълнителни размерности)допълнителни размерности)

5

ДетекториДетектори

6

ИЯИЯЕ, БАН в ИЯИЯЕ, БАН в CMSCMS

19911991

7

CMS CMS детектордетектор

39 страни, 193 Института, 3300 учени

43000 43000 кабеликабели 1200 km 1200 km дължинадължина

8

Адронен калориметърАдронен калориметър

700 т700 т

9

HHCALCAL HV HV захранванезахранване

10

RPC RPC производство и тестванепроизводство и тестване

11

CMS CMS в действиев действие23.11.2009 –23.11.2009 – запускане на 0.45 и 1.18 запускане на 0.45 и 1.18 TeVTeV30.03.2010 –30.03.2010 – запускане на запускане на 3.5 TeV 3.5 TeV08.11.2010 – 08.11.2010 – тежки йони 2.76 тежки йони 2.76 TeV/nucl.TeV/nucl.22.04.2011 – нов световен рекорд за светимост22.04.2011 – нов световен рекорд за светимостдо края на 2011 – светимост 3.54 до края на 2011 – светимост 3.54 x x 10103333 cm cm-2-2ss--11 0505 Април 2012 - запускане наАприл 2012 - запускане на 4.04.0 TeV, TeV, светимост 6.8 светимост 6.8 x 10x 103333cmcm-2-2ss-1-1

04 Юли 2012 – 04 Юли 2012 – CERNCERN

20112011 20122012

12

CMS CMS в действиев действие

TRTR

e/e/γγ

ττττ

jetsjets

ttttbarbarEWK processesEWK processes

μμμμ~ 1960~ 196019741974 19781978

19831983

13

ΞΞ**bb

0 0 - нова частица- нова частица

ΞΞbb00 барион съдържа барион съдържа bb, , ss и и uu кварки кварки

ΞΞbb-- барион съдържа барион съдържа bb, , ss и и dd кварки кварки

14

LL == ½(∂½(∂μμΦΦ)) – V(– V(ΦΦ) ; V() ; V(ΦΦ) = () = (½½μμ22ΦΦ2 2 + ¼+ ¼λΦλΦ44))

μμ – – маса на полето, маса на полето, λλ – – self coupling self coupling параметърпараметър

симетрия симетрия ΦΦ((xx) = - ) = - ΦΦ((x)x)

Спонтанно нарушение на симетриятаСпонтанно нарушение на симетрията

min. min. ΦΦ = ± = ±νν = ±√- = ±√-μμ22//λλ

(VEV)(VEV) - очаквана - очаквана вакуумна стойноствакуумна стойност

Вакуума не съответства на нулевото Вакуума не съответства на нулевото значение на полетозначение на полето

R. DurkaR. Durka

15

Реално скаларно поле на Реално скаларно поле на HiggsHiggs

проблеми: - имагинерна масапроблеми: - имагинерна маса - вакуума съдържа ненулево поле- вакуума съдържа ненулево поле

ΦΦ((x)x) = = νν + + ηη(x)(x)

νν – – вакуумна съставляваща вакуумна съставляваща

ηη(x)(x) – поле на – поле на Higgs Higgs бозона Нбозона Н

LL == ( (½(∂½(∂μμηη))22 – – λνλν22ηη22) – ) – λνηλνη33- - λλ/4/4ηη4 4

-вакуума има нулево значение за полето (реален вакуум)вакуума има нулево значение за полето (реален вакуум)-полето има масов член полето има масов член λνλν22ηη22 == 1/21/2mmHH

22ηη2 2 → m→ mHH = √2 = √2λνλν22

ММWW = ½ = ½ ννgg22 = (√2g= (√2g22

22/8G/8GFF))1/21/2 → → νν = 1/(√2G = 1/(√2GFF))1/21/2

GGFF = 1.16637x10 = 1.16637x10-5-5 GeV GeV-2 -2 → → νν = 246 GeV = 246 GeV

mmHH = √2 = √2λνλν2 2 – – свободен параметърсвободен параметър; ; mmHH ˃ 114.4 GeV ˃ 114.4 GeV ( (LEP)LEP)

R. DurkaR. Durka

16

ИсторияИстория

Higgs Higgs механизъммеханизъм – механизъм на – механизъм на

EnglertEnglert –– BroutBrout –– HiggsHiggs –– GuralnikGuralnik –– HagenHagen –– KibbleKibble

F. Englert and R. Brout (1964). "Broken Symmetry and the Mass of Gauge F. Englert and R. Brout (1964). "Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons". Vector Mesons". Physical Review LettersPhysical Review Letters 13(9): 321–323. 13(9): 321–323.

Peter W. Higgs (1964). "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Peter W. Higgs (1964). "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons". Bosons". Physical Review LettersPhysical Review Letters 13(16): 508–509 13(16): 508–509

G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble (1964). "Global G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble (1964). "Global Conservation Laws and Massless Particles". Conservation Laws and Massless Particles". Physical Review LettersPhysical Review Letters 13(20): 13(20): 585–587585–587

17

Защо Защо HiggsHiggs??

18

HiggsHiggs

VBFVBF

GFGF

VHVH

QHQH

Фон: Фон: H → WW, ZZ, H → WW, ZZ, γγγγ главно от главно от qqqq анихилация анихилация

19

Канали на разпадКанали на разпад

Канали на разпад Масова област (GeV/c2) mH разрешение

H → H → γγγγ 4 4 110 - 150110 - 150 1.2 – 2.7 %1.2 – 2.7 %

H → ZZ → 4l 3H → ZZ → 4l 3 110 - 600110 - 600 1 – 2 %1 – 2 %

H → bb 5H → bb 5 110 - 145110 - 145 20 %20 %

H → H → ττττ 9 9 110 - 135110 - 135 10 %10 %

H → WW → 2l2H → WW → 2l2νν 5 5 110 - 600110 - 600 20 %20 %

H → ZZ → 2l2H → ZZ → 2l2ττ 8 8 190 - 600190 - 600 10 – 15 %10 – 15 %

H → ZZ → 2l2q 6H → ZZ → 2l2q 6 130 – 164 (200 – 600)130 – 164 (200 – 600) 3 %3 %

H → ZZ → 2l2H → ZZ → 2l2νν 2 2 250 - 600250 - 600 7 %7 %

20

Статистическа значимостСтатистическа значимост

Нормално разпределениеНормално разпределение

f(z) = 1/√2f(z) = 1/√2πσπσ22 e e-(Z**2/2)-(Z**2/2)

ZZσσ = CL (confidence level) = CL (confidence level)

Нека Нека σσ = 1 и = 1 и Z = 4.45 (99.9992%)Z = 4.45 (99.9992%)

p –value (Z ≥ 4.45) = 1/√2p –value (Z ≥ 4.45) = 1/√2ππ ∫ ∫ e e-(Z**2/2)-(Z**2/2)dZdZ

= 0.000004 = 0.000004

Вероятността фоновата флуктоация да Вероятността фоновата флуктоация да даде сигналдаде сигнал

∞∞

4.454.45

21

4.1 4.1 σσ за за MMHH = 125 GeV = 125 GeV

Леки Леки Higgs H → Higgs H → γγγγ

22

μ-(Z1) pT : 24 GeV

μ+(Z1) pT : 43 GeV

e-(Z2) pT : 10 GeV

e+(Z2) pT : 21 GeV

8 TeV DATA

4-lepton Mass : 126.9 GeV

Леки Леки HiggsHiggs H → ZZ → 4l H → ZZ → 4l

7 TeV DATA

4μ+γ Mass : 126.1 GeV

μ-(Z1) pT : 28 GeV

μ+(Z2) pT : 6 GeV

μ+(Z1) pT : 67 GeV

μ-(Z2) pT : 14 GeV

γ(Z1) ET : 8 GeV

23

Леки Леки HiggsHiggs H → ZZ → 4l H → ZZ → 4l

24

7 TeV DATA

4-lepton Mass : 125.8 GeV

μ-(Z2) pT : 15 GeV

μ+(Z2) pT : 12 GeV

e+(Z1) pT : 28 GeV

e-(Z1) pT : 14 GeV

Леки Леки HiggsHiggs H → ZZ → 4l H → ZZ → 4l

25

Леки Леки HiggsHiggs H → ZZ → 4l H → ZZ → 4l

3.23.2 σσ за за MMHH = 125 GeV = 125 GeV

26

H → WW → 2l2H → WW → 2l2νν

Област на изключване:Област на изключване:

очакванаочаквана: 123: 123 -- 450 GeV450 GeV

наблюдавананаблюдавана:129:129 -- 520 GeV 520 GeV

27

Наблюдавана област на изключване: Наблюдавана област на изключване: 95 % 110 – 95 % 110 – 121.5121.5 GeVGeV

112727 – 6 – 6000 GeV0 GeV

Комбинирани данниКомбинирани данни

28

P-valueP-value за малките маси за малките маси

Мах. локална значимост Мах. локална значимост (H → ZZ + (H → ZZ + γγγγ) ) = = 5.05.0 σσ

Мах. локална значимост Мах. локална значимост (H → ZZ + (H → ZZ + γγγγ + WW) + WW) = = 5.15.1 σσ

29

mx = 125.3 ± 0.6 GeV

Характеристики на Характеристики на Higgs: Higgs: масамаса

30

CLCLSS за за SM HiggsSM Higgs

ATLAS ATLAS изключва:изключва:

< 12< 1211..88; > 1; > 130.730.7; ; < < 552323 GeVGeV

CMS CMS изключва:изключва:

< 121.5< 121.5;; > 12> 127.57.5; ; < 600< 600 GeVGeV

mx = 126.5 GeV / 5 σ mx = 125.3 GeV / 5.1 σ

31

ТеорияТеория

O. Buchmueller at al. heph-ph 1110.3568, 2011

От От LEP:LEP: MMHH > 114.4 GeV > 114.4 GeV

Tevatron March 2012Tevatron March 2012

MMWW = 80385 ± 15 MeV = 80385 ± 15 MeV

MMHH = 94 = 94 + 29 + 29 – 24 – 24 GeVGeV

Combined EWK dataCombined EWK data

MMHH = 119 GeV = 119 GeV

32

ЗаключениеЗаключение

Изключена е областта за съществуването на Изключена е областта за съществуването на SM Higgs SM Higgs бозон при бозон при 95 % 95 % CL: [110 – 121.5] CL: [110 – 121.5] и и [127[127.5.5 – 600] – 600]

Наблюдава се състояние от Наблюдава се състояние от 55..11 σσ при ~ 125 при ~ 125 GeVGeV

Две разпада (високо разрешение и висока чувствителност) дават Две разпада (високо разрешение и висока чувствителност) дават основен принос:основен принос:

-X → X → γγγγ с 4.1 с 4.1 σσ

-X → 4l X → 4l сс 33.2 .2 σσ

-двете наблюдавани състояния са при една и съща масадвете наблюдавани състояния са при една и съща маса

-фитът дава фитът дава mmxx = = 125.125.33 ± 0. ± 0.66 GeVGeV

Естествената интерпретация, че това състояние се дължи на Естествената интерпретация, че това състояние се дължи на раждането на раждането на Higgs Higgs бозон, съвпада (в рамките на бозон, съвпада (в рамките на статистическата точност) с наблюденията при всични канали на статистическата точност) с наблюденията при всични канали на разпадразпад