Upload
jered
View
47
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
ЦЕРН, 17 Септември 2012. Участието на ИЯИЯЕ , БАН в експеримента CMS и търсене на Higgs бозон. Владимир Генчев ИЯИЯЕ, БАН, София. Съдържание. Стандартен модел Физическа мотивация LHC Участие на ИЯИЯЕ, БАН в CMS CMS в действие Higgs Канали на разпад Значимост на сигнала - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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