Mikrovilág és a Higgs-bozon - KFKI · 2013-04-16 · Mikrovilág és a Higgs-bozon Óbudai Egyetem, Székesfehérvár, 2013.04.16 Horváth Dezso˝ [email protected] MTA

Mikrovilág és a Higgs-bozonÓbudai Egyetem, Székesfehérvár, 2013.04.16

Horváth [email protected]

MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet,Budapest

és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

Horváth Dezso: Mikrovilág és Higgs-bozon Óbudai Egyetem, 2013.04.16. – p. 1/50

Vázlat

Részecskék és kölcsönhatások

Standard Modell és a Higgs-bozon(MTA, 2012.05.09: Felfedezésre itélve?)

A Nagy Hadron-ütközteto (Large Hadron Collider, LHC)

A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet

Megvan a Higgs-bozon?

Mit mondhatunk és mit nem?

Tervek, kilátások


Eloszó

A (részecske)fizika egzakt tudomány:

A fizika univerzális nyelve a matematika, pontosmatematikai formalizmuson alapszik.

Egy elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredményeegyezik a kísérlettel.

Az igazi fogalmak mérheto mennyiségek, a szavakcsak mankók.

Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat

Alapkérdés: milyen pontossággal adja vissza az elméletiszámítás a mérések eredményét?

Számítás nélkül nincs fizika, csak spekuláció....de a fizika kísérleti tudomány!


Kvantumfizika: valószínuségi leírásEinstein: Isten nem dob kockát! De mégis...

Minden kísérleti tény igazolja, pedig nem szemléletes

Egyetlen pontszeru elektron egy fésu minden résénegyszerre átmegy

A csillagból jövo fénysugár gömbfelületen terjed, mégisegészében a távcsoben végzi.

Az atomi elektron gömbfelületi pályáján nemmozoghat, mert sugározna, csak egyszerre mindenpontjában ott van bizonyos valószínuséggel.

Nem tudjuk, egyetlen bomlékony részecske mikor fogelbomlani, csak azt, hogy adott idon belül mekkoravalószínuséggel bomlik.

A matematika minden adatot szépen visszaad!


A mikrovilág vizsgálata: nagy energia

1 eV = kinetikus energia, amelyet 1 V

átszelésekor szerez egy elektron

1 keV = 103 eV

1 MeV = 106 eV;

1 GeV = 109 eV

1 TeV = 1012 eV

Tárgy méret, m energia

kicsi 10−3

baktérium 10−5

λ(fény) 10−7

1 eV

atom 10−10

1 keV

atommag 10−14

1 GeV

elektron 10−18 1 TeV

Nagyobb energia ⇒ kisebb távolság ⇒ mélyebb szerkezet


Spontán szimmetriasértés⇒ tömeg

Szabadfermion

Higgs-bozon

David J. Miller és CERN: http://www.hep.ucl.ac.uk/∼djm/higgsa.html


A Standard Modell állatkertje

A Higgs-részecskén kívül mind régen megvanKísérletileg messzemenoen igazolva


A SM Higgs–bozonjaA Standard Modell Higgs–mechanizmusa:

Szimmetriasértés!

Higgs-bozon: kvantumszámok nélküli, furcsa részecske

Létezik? SM: muszáj!


Viccek a Higgs-bozonról, elotteA bárba besétál egy Higgs-bozon.

Azt mondja neki a csapos: Vigyázzon, magát sokankeresik!

A bárba besétál egy Higgs-bozon. A csapos nem érti...

Szeretnék végre látni egy jó Higgs-bozonos viccet.Biztosan létezik, de évekbe telhet, amíg rátalálunk

A tárgyak tömege NEM a Higgs-mechanizmustól van,csaknem tiszta energia!


Viccek a Higgs-bozonról, utánaA bárba besétál egy Higgs-bozon.

A csapos megkérdezi: Mi van? mire o: Én.

A Higgs-bozon felfedezése után a fizikusok tömegesen ünnepeltek.

A templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a pap: Magátnem szívesen látjuk itt.. Mire o: Pedig nélkülem itt soha nem lesz tömeg!

Angolul: But without me how can you have mass?(Mass: súlyos tömeg, embertömeg, mise)

Nem értem, mi az, de klassz, hogy felfedezték!

Ellenorizni kell. A múltkor is azt hittem, Higgs-bozont találtam az ágyamalatt, de csak egy üveggolyó volt

Jó, hogy megvagy, Isten-részecske. Én csak egy átlagember vagyok, akinem ért téged.


A CERN 20 tagországa

+ Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo.Horváth Dezso: Mikrovilág és Higgs-bozon Óbudai Egyetem, 2013.04.16. – p. 11/50

A CERN és környéke


A CERN kutatói ( felhasználói)

2800 alkalmazott + 10500 kutató + 440 diák(Olasz > német > amerikai > orosz > francia)


A CERN gyorsítói: múlt és jelenLEP: 1989–2000 LHC: 2009–2025?


Az LHC eltérít o-mágnesei

Az 1232 szupravezeto mágnes egy része(L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T)


Az LHC már készen


CMS (Compact Muon Solenoid)

Compact Muon Solenoid: 14000 tonnás digitális kamera20 M kép/s, 1000 GB/s adat

Tárolás: max. 400 kép/s ⇒ intelligens adatszurés!!Horváth Dezso: Mikrovilág és Higgs-bozon Óbudai Egyetem, 2013.04.16. – p. 17/50

Az LHC CMS–detektora

(Compact Muon Solenoid)

Súly: 14000 tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel–toronyban

A világ legnagyobb (szupravezeto) szolenoidja:

belso átméroje 6 m, mágneses tere 4 Tesla

Detektorépítésben magyar részvétel:

Müondetektorok helyzetmeghatározó rendszere:

DE Kisérleti Fizikai Int. és ATOMKI

Eloreszórt részecskék észlelése: (Hadron Forward calorimeter, HF)

Készült USA-RU-TR-HU együttmuködésben: RMKI, Budapest

Az elso leeresztett CMS-detektorrész: 2006. nov. 11.

Adatkezelés: Worldwide LHC Computing Grid

Wigner FK RMI: BUDAPEST WLCG-állomás


A CMS-együttmuködés, 2012

41 ország 179 intézménye

3275 fizikus (közülük 1535 diák)

790 mérnök és technikus

Résztvevok intézmény országa szerint:USA: 1149, Olaszo.: 439, Németo.: 298, Oroszo.: 234

Útlevél szerint:USA: 707, olasz: 554, német: 315, orosz: 305

Magyar intézménybol: 40, magyar útlevéllel: 44


Munka 160 müonkamrán

Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen)Horváth Dezso: Mikrovilág és Higgs-bozon Óbudai Egyetem, 2013.04.16. – p. 20/50

HF: kvarcszálak acélban

Minden CERN-es magyar fuzte Szálkalibráció kész darabon


A CMS mágnese


A CMS belso része


Worldwide LHC Computing GridA CMS-kísérlet fo WLCG-állomásai

Wigner FK Tier-2: 500 CPU, 255 TB, CMS és ALICE VO

ATOMKI Tier-3: átadva, 2012 nov.

2013: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települ!Horváth Dezso: Mikrovilág és Higgs-bozon Óbudai Egyetem, 2013.04.16. – p. 24/50

A CMS elektromágneses kaloriméterea H → γγ észlelésére optimalizálva

CMS ECAL: 75,848 PbWO4 egykristály szcintillátorHorváth Dezso: Mikrovilág és Higgs-bozon Óbudai Egyetem, 2013.04.16. – p. 25/50

CMS-esemény: H→ γγ jelölt


2012 május: ATLAS és CMS lát valamit?

Mindenki lát (utólag még az amerikai TEVATRON is) egykevés többletet a Standard Modell Higgs-bozon nélküli

jóslata fölött, de sehol sem igazán jelentos

A mért adatnak kísérleti bizonytalansága van (σ). Forrása:észlelések száma és minosége, szimulációk egyezésekísérlettel, felhasznált korábbi adatok bizonytalansága.

Megállapodás: felfedeztünk valami újat, ha az ismertháttérbol az a kísérleti bizonytalanság ötszörösével (5σ)

kiemelkedik

MTA, 2012.05.09:Már 3σ többlet, 2012-ben felfedezésre itélve??


2012 július 4: valami van!ATLAS és CMS, 7 és 8 TeV ütközési energián, H → γγ és

H → ZZ → ℓ+ℓ−ℓ+ℓ− csatornában, m ≈ 126 GeVtömegnél statisztikusan jelentosen (kísérletenként 5σ

szignifikanciával) lát egy új H részecskét a SMHiggs-bozonjának megfelelo tulajdonságokkal.

Vajon tényleg a Higgs-bozont látjuk?

Az adatelemzés kihegyezve a SM Higgs-bozonra ...

De még be kell bizonyítanunk, hogy tényleg az, pl.H → XY... valószínuségei SM szerintiek

Csak egy Higgs-bozon van(nincs több, semleges vagy töltött)


CERN @ Melbourne, 2012 július 4.

Pásztor Gabriella: Higgs-vadászat @ CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)Horváth Dezso: Mikrovilág és Higgs-bozon Óbudai Egyetem, 2013.04.16. – p. 29/50


Pásztor Gabriella:Higgs-vadászat @ CERN(Fizikai Szemle, 2012 okt.)




CERN, 2012 július 4.


Higgs-bozon, 2012 aug. 17.


CMS: Higgs-cikk, 2012 aug. 17CMS Collaboration: Observation of a new boson at a mass of 125 GeV

with the CMS experiment at the LHCPhys. Lett. B 716 (2012) 30–61.

a közben (20 év építés!) eltávozott résztvevoknek dedikálva

15 oldal cikk, utána 17 oldalon 2899 szerzo, 19+3 magyar:

Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest:Bencze György, Hajdu Csaba, Hidas Pál, Horváth Dezso1, Siklér Ferenc,

Veszprémi Viktor, Vesztergombi György2, Zalán Péter

ATOMKI, Debrecen:Béni Noémi, Czellár Sándor, Fenyvesi András, Molnár József,

Pálinkás József, Szillási Zoltán

Debreceni Egyetem:Karancsi János, Raics Péter, Trócsányi Zoltán, Ujvári Balázs, Zilizi Gyula

Más színekben:Gutay László (Purdue), Banicz Károly (FNAL) és Veres Gábor2 (CERN)


ATLAS: Higgs-cikk, 2012 aug. 17.

ATLAS Collaboration:Observation of a new particle in the search for the Standard

Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC

Phys. Lett. B 716 (2012) 1–29

2931 szerzo, 4 magyar

Tóth József és Pásztor Gabriella (Wigner FK),ifj. Krasznahorkay Attila

(New York U.) ésKövesárki Péter (Bonn U.)


CMS: H → γγ (VBF)

Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához:Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.


H → γγ tömegeloszlása

CMS

ATLAS ⇒


CMS: H → ZZ∗ → e+e−µ+µ−


CMS: H → ZZ∗ → ℓ+ℓ−ℓ+ℓ−


ATLAS: H → ZZ∗ → ℓ+ℓ−ℓ+ℓ−


Ez a SM Higgs-bozonja?

A különbözo bomlási módusok valószínuségea SM elorejelzéseihez képest 126 GeV-es Higgs-bozonra

CMS átlaga, 2012 november: 0.88 ± 0.21

ATLAS átlaga, 2012 november: 1.3 ± 0.3

Közeledünk a SM-hez (sajnos :-)

ATLAS és CMS, 2013. április 15:Nagyon úgy néz ki, hogy a SM Higgs-bozonját találtuk meg.

Minden megfigyelt tulajdonsága arra vall.


Hogyan jutottunk idáig?CMS szándéknyilatkozat: 1992 (475 szerzo)

Technikai tervek (8 többszázoldalas mu): 1995–2005

Detektor jórészt felépítve a felszínen: 2000-2006

Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés:2006-2008

LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd 2009.

2010: 7 TeV, összegyujtött luminozitás 0.04 fb−1

2011: 7 TeV, 5.6 fb−1

2012 április – december: 8 TeV, ∼25 fb−1

LHC fejlodése:

2010 → 2011: 140-szeres luminozitás

2011 → 2012: 7 → 8 TeV, cca. ötszörös luminozitás


CMS-vezérlo, 2012 május 2, 15h 45p

http://cms.web.cern.ch/content/cms-control-room-webcams

DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelo: HDÜgyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar


http://cms.web.cern.ch/content/cms-control-room-webcams

Adatminosítés, eseményrekonstrukcióGlobális, online ellenorzés: Data QualityMonitoring

Offline DQM aldetektoronként.Budapest és Debrecen: Tracker-adatok

minosítése (Wigner FK CMS-állomásán!)

Eseményrekonstrukció Tier-0-ban.

Tárolás Tier-1-ben, analízis Tier-2-ben ésTier-3-ban

(Particle flow: aldetektorok jeleinekösszevarrása).

CERN-i Tier-0⇒ Bolognai Tier-1

⇒ budapesti Tier-2⇒ debreceni Tier-3

A Wigner FK CMS-állomásaHajdu Csaba építette,

átadva 2012 márciusában.60 muszakot teljesítünk vele!


Vak adatelemzés szimulációk alapján

Vak adatelemzés: addig mért adatokhoz nem nyúlunk,amig nem rögzítettük az elemzés módszerét

(eseményválogatás, jel- és háttérszeruség valószínusége).

Több párhuzamos analízis ugyanarra különbözomódszerrel.

Analysis Note-ok (100-200 oldalon), a legjobbat fogadjuk el:Tisztaság, hatásfok, szisztematikus szórás, átláthatóság.

Analysis Note-ok egész CMS elott, konkurrensek vitája.


CMS: 78 p-p ütközés egyszerre!

Sok p-p ütközés lehet ugyanabban az eseményben(csomag-ütközésben).

Rekord: 78 azonosított p-p ütközés. Adatmennyiségetnöveli, de elemzést nehezíti.


Mit mondhatunk és mit nem?

Csak teljes jóváhagyás után beszélhetünk az eredményekrol.

ATLAS kiszivárogtatta a júl. 4-i eredményt Nature-nek, CMS

megerosítette. A két TEVATRON-kísérlet meg egybol látta a

125 GeV-es Higgs-bozont elhanyagolható szignifikanciával

(ugyanazok a fizikusok ,).

Egy ATLAS-os (mi lett vele?) tavaly fel is fedezte a

Higgs-bozont 140 GeV-nél.

Csak jóváhagyott (elfogadott Physics Analysis Summary-ban

levo) ábrákat, adatokat mutathatunk.

Konferencia elott próbaeloadások. Joe Incandela július 4-i

eloadását a CMS 4-órás videokonferencián próbálgatta elozo

délután.


ATLAS és CMS: barátságos versengés

Az amerikai Tevatronnál, amit az egyik kísérlet felfedezett, a másikkésobb gyakran megcáfolta.

ATLAS és CMS megállapodott, hogy ha valamelyik felfedez valamit,a szóvívo elmondja a Foigazgatónak, aki odahívja a másik szóvívotés megkéri, ellenorizze. Erre most nem volt szükség.

CMS és ATLAS megállapodott, hogy nem használja a „Discovery”(felfedezés) szót, csak az „Observation”-t (megfigyelés).

Egy idoben, egymás után mondjuk el az új eredményeket, eloremegállapodott menetrend alapján (utoljára április 16-án:http://cern.ch/webcast).

Azonos folyóirat ugyanazon számában publikáltuk az új részecske(Higgs-bozon) megfigyelését.


Végszó

ATLAS és CMS, kétLHC-energián,

többféle bomlásicsatornában, hasonló

tömeggel ésjelerosséggel lát

Higgs-bozon-szerurészecskét.

Jó lenne, ha nempontosan a SM

Higgs-bozonja volna:új fizika reménye.

De nagyon olyannaknéz ki... John Ellis beszélget Margaret Thatcherrel


Köszönetnyilvánítás

Nemzeti Innovációs Hivatal

Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal †OTKA NK67974, NK81447, K72172, K81614,H07B-74296 és H07C-74153

EU FP6 MC-ToK 509252 és FP7 III 031688

Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia

Megérto együttmuködo partnereink(CERN, ETHZ, HEPHY !)

Köszönöm a figyelmet!


Documents

Mikrovilág és a Higgs-bozon - KFKI · 2013-04-16 · Mikrovilág és a Higgs-bozon Óbudai Egyetem, Székesfehérvár, 2013.04.16 Horváth Dezso˝ [email protected] MTA