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EL MISTERIOSO BOSÓN DE HIGGS
Carlos Ávila
Departamento de Física,
Universidad de Los Andes1Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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CONTENIDO DE LA CHARLA
1. QUE ES EL BOSÓN DE HIGGS?
2. COMO SE BUSCA EL BOSÓN DE HIGGS?
3. QUE SE HA ENCONTRADO HASTA AHORA?
Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012 2
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Queremos estudiar las componentes mas pequeñas de la materia.
Queremos investigar los aspectos mas profundos y fundamentales de la materia.
Toda la materia esta hecha de los mismos constituyentes:
FISICA EXPERIMENTAL DE PARTICULAS
Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
fundamentales de la materia.
Queremos investigar la naturaleza del universo inmediatamente después de su origen.
3
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CONSTRUYENDO EL UNIVERSO
electrones Átomo de Helio
protones neutrones
Si multiplicamos por billones y billones y billones y billones…
4Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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Tabla Periodica Helio Neon
Todos los átomos están hechos de electrones, protones y neutrones
Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
u
du u
d d
Protón Neutron Electron
Gluons mantienen juntos a los quarks. 5
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Campo de Campo de HiggsHiggs
6Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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7Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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8Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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1. CERN: Colisionador LEP (e- e+) 1989 – 2000 2. Fermilab: Colisionador Tevatrón (p+ p-) 1991 -1996, 2001 – 20113. CERN: Colisionador LHC (p+ p+) desde 2010 …
EL BOSÓN DE HIGGS SE HA BUSCADO DESDE HACE MAS DE 20 AÑOS:
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HERRAMIENTAS NECESARIAS:
1. ACELERADOR DE PARTÍCULAS: LEP, TEVATRON, LHC
2. DETECTOR : DELPHI, L3, OPAL, ALEPH,D0, CDF, ATLAS, CMS
COMO SE BUSCA EL HIGGS?
3. ALTA CAPACIDAD DE COMPUTO: COMPUTACIÓN GRID
4. SOFTWARE ESPECIALIZADO: SIMULACIÓN Y ANALISIS DE DATOS
LHC CMS CERN-GRID10Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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• Protones giran en circulo de27 km Longitud a v=99.9999%c• 1600 Magnetos superconductores enfriados a 1.9 °K• Corriente en bobinas superconductoras = 13000 Amps• 96 toneladas de He Liquido• 20 millones de colisiones por segundo. 11Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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12Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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ENERGÍA Y LUMINOSIDAD: CLAVES PARA BUSCAR PROCESOS POCO PROBABLES.
Sección eficaz σ ���� Probabilidad de producción de partículas.
σ incrementa con energía de Colisión.
σσσσbbar
σσσσTOT
Por cada 10 mil millones de colisiones
Alta estadística es indispensable para buscar el
NHiggs =σHiggs L
σσ σσ(n
b)
ECM (TeV)
σσσσW
σσσσZ
σσσσttbar
σσσσHIGGS(MH=150 GeV)
LHC
de colisiones se produce
1 Higgs.
para buscar el Higgs
TEVATRON
Incremento en ECM en factor de
4 ���� Incremento en σσσσ en factor de 50
13Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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LUMINOSIDAD N =σ L ; [L]= cm-2seg-1
N= # particulas/seg
Estadística acumulada=∫Ldt=Luminosidad integrada
TEVATRON LCH
LUMINOSIDADCMS
2011: Lint.=5.5 fb-1
TEVATRONEXP. D0
LCHEXP. CMS Esperada
2012:Lint.>25 fb-1
14Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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El EXPERIMENTO CMS
15Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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DETECTOR CMS (Compact Muon Solenoid)
16Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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CMSDetector de siliciopara trayectorias
Calorímetroelectromagnético
Calorímetrohadrónico
Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
SolenoideSuperconductor
Núcleo de hierropara campo magnéticode retorno (exterior)
Cámarasde muones 17
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18Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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19Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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20Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012Peso:14000 toneladas; Longitud=28.7 m; Diámetro: 15m21
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Uniandes en CERNUniandes en CERN
CamiloCarrillo
AlbertoOcampo
22Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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Registro de diversas partículasen CMS
Coloquio ACAC, Noviembre 6 201223
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Es posible gracias a la alta granularidad y alto campo magnéticoEs posible gracias a la alta granularidad y alto campo magnético
Descripción Global de eventos (PFLOW)
e,μ,γ, hadrones cargados y neutrales
• Usados en el analisis como una lista de partículas generadas.
• Usados para recosntruir jets, taus, Energía faltante, aislaminentoe identificación de partículas en múltiples colisiones protón-protón. 24
Identificación de partículas: optimizada combinación de todos los subsistemas
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Identificación de quarks y gluones: Jets
Identificación de quarks b: vertice secundario desplazado
25Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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PILEUP
Interacciones simultaneas p-p ~ 20 en promedio 26Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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A pesar de que los eventos(15 Km)
Globo(30 Km)
DVDs apiladoscon1 año de datosdel LHC(~ 20 Km)
FLUJO DE DATOS
Coloquio ACAC, Noviembre 6 201227
A pesar de que los eventosson filtrados:
Rata de acumulación de datos:~15PetaBytes/año
Equivalent e a escribir un DVD cada 2seg.
MonteBlanco(4.8 Km)Suiza
27Colisiones independientes ���� Procesamiento paralelizado
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Colaboración CMS y
Computación Grid del LHC
CERN
28
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ESPECTRO DE MASA DE DIMUONES
(Mc2)2=(E+ + E- )2 – (p+ + p-)2
29Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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TODA LA FíSICA DEL MODELO ESTÁNDAR HA SIDO OBSERVADA Y MEDIDA EN EL CMS
30Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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Decaimientos del
Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)
Quark Top
Bosón Z0
Decaimientos del Bosón de Higgs
Decaimientos del
γ γ
Bosón Z0
Bosón W
Quark bottom
tauón
gama gama
Bosónde Higgs
Fracciones de decaimiento : Branching ratios
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Decaimientos del
Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)
Quark Top
Bosón Z0
Decaimientos del Bosón de Higgs
Decaimientos del
γ γ
Bosón Z0
Bosón W
Quark bottom
tauón
gama gama
Bosónde Higgs
Fracciones de decaimiento : Branching ratios
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Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)
Quark Top
Bosón Z0
Decaimientos del Bosón de Higgs
γ γ
Bosón Z0
Bosón W
Quark bottom
tauón
gama gama
Bosónde Higgs
Fracciones de decaimiento : Branching ratios
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Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)
Quark Top
Bosón Z0
Decaimientos del Bosón de Higgs
γ γ
Bosón Z0
Bosón W
Quark bottom
tauón
gama gama
Bosónde Higgs
Fracciones de decaimiento : Branching ratios
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Masa del bosón de Higgs (GeV/c2)
Quark Top
Bosón Z0
Decaimientos del Bosón de Higgs
γ γ
Bosón Z0
Bosón W
Quark bottom
tauón
gama gama
Bosónde Higgs
Fracciones de decaimiento : Branching ratios
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Decaimientos del Bosón de HiggsFracciones de decaimiento : Branching ratios
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BACKGROUNDS
CANALES DE BUSQUEDA
1. p+p � H �γγ2. p+p � H �ZZ � l+l-l+l-
3. p+p � H �τ+τ−�l+l-
4. p+p � H � WW �lνlν5. p+p � H �bbar
Procesos con mismos estados finales que los producidos por el decaimiento del Higgs.
1. p+p �γγ2. p+p �ZZ � l+l-l+l-
3. p+p �τ+τ−�l+l-
4. p+p � WW �lνlν5. p+p �bbar
Backgrounds hasta 100.000 veces mayores que señal 37Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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COMO SE REDUCEN LOS BACKGROUNDS ?1. Cortes en variables cinemáticas y dinámicas de acuerdo a la topología buscada :
• ET y PT para cada estado final• Suma de energía para todo el evento• Numero de jets, µ, e en el evento• Correlaciones angulares• Energía transversa faltante• Masa Invariante• Etiquetamiento de quarks b• Correlaciones de variables• Correlaciones de variables
2. Definición de discriminadores en análisis multivariados
ET1, pT1, θ1, φ1
ETi, pTi, θi, φi
Cat
0
Cat
3
Cat
4
t 1
38Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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Candidato
H �γγ
39Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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H ���� γ γ γ γ γγγγ
40
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μ+(Z1) pT : 43 GeV
e-(Z2) pT : 10 GeV8 TeV DATA
Candidato
H �ZZ
41
μ-(Z1) pT : 24 GeV
e+(Z2) pT : 21 GeV
4-lepton Mass : 126.9 GeV
41
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42Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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COMPARACIÓN DE TODOS LOS CANALES CON M.E.
43Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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CONCLUSIÓN
El experimento CMS ha observadoun nuevo bosón con una masa de
125.3 ± 0.6 GeV
44
125.3 ± 0.6 GeVCon una significancia de
5.0 σσσσProbabilidad de 99.99994% de obtener una señal por encima del background.
Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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45Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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Uniandes en CERNUniandes en CERN
46Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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47Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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48Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012
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Firma Convenio CERN-COLCIENCIAS
Nov. 1 2012
Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012 49
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50Coloquio ACAC, Noviembre 6 2012