hogyan is állunk a higgs-bozonnal?horvath/talks/2013/elft_higgs... · 2013-05-24 · hogyan is...

Hogyan is állunk a Higgs-bozonnal?ELFT közgyulés, ELTE, 2013.05.25.

Horváth [email protected]

MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet,

Budapest

és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

Horváth Dezso: Higgs-bozon ELFT közgyulés, ELTE, 2013.05.25. – p. 1

Vázlat

Részecskék és kölcsönhatások

A Standard Modell és a Higgs-bozon

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

A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet

Hogyan is állunk a Higgs-bozonnal?

Utunk idáig

Tervek, kilátások


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


A Standard Modell állatkertje

A Higgs-részecskén kívül mind régen megvanKísérletileg messzemenoen igazolva


A Standard ModellElektromágneses és gyenge kölcsönhatás

egyesítése és szétválasztásaa Higgs-mechanizmus jótékony közremuködésével

(Igazából Anderson-Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble (BEH-) mechanizmus, 1963-64)

Vákuumhoz 4-komponensu, szimmetriasérto mezo.

Elrontott kombinált mértékszimmetriából leválasztunk jóelektromágnesest ⇒ zérus-tömegu foton, OK!

Maradék: gyenge kölcsönhatás.

Higgs-mezo 3 szab. foka ⇒ Z, W+, W− tömegeMegkaptuk a jó gyenge kölcsönhatást 3 nehéz bozonnal.

Negyedik szab. fok: nehéz skalár bozon

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


A SM Higgs–bozonjaA Standard Modell Higgs–mechanizmusa:

Szimmetriasértés!

Higgs-bozon: furcsa részecske, minden kvantumszámazérus

Létezik? SM: muszáj!


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

csapos: Vigyázzon, magát sokan keresik!

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 templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki apap: Magát nem 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)


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 tömegesenünnepeltek.

Nem tudom, mi a csuda az, de klassz, hogy felfedezték!

Ellenorizni kell. A múltkor is azt hittem, Higgs-bozonttaláltam az ágyam alatt, de csak egy üveggolyó volt.

Jó, hogy megvagy, Isten-részecske. Én csak egyátlagember vagyok, aki nem ért téged.


Magyarázatok, analógiákMozgás közegben

Vízben futás, híresség fékezodése emberek között. Megmagyarázza akülönbözo tömegeket, de nem a Higgs-mezoben való mozgás hozza létre

a részecske tömegét.

Elektromos mezo

Töltött részecskére hat, semlegesre nem. A Higgs-mezo a gyengebozonokkal és a gyenge izospinnel rendelkezo részecskékkel

(fermionokkal) kölcsönhatásba lép, a fotonnal és a gluonokkal nem,azoknak zérus marad a tömege.

Szivárvány

Vákuumban mindenféle fénynek azonos a sebessége, közegben viszontfelbomlik: a kölcsönhatás (szóródás) miatt a hosszabb hullámhosszú

kevésbé szóródik, gyorsabban halad. Különbözo részecskékre aHiggs-mezo különbözoképpen hat, ezért különbözo a tömegük.


A SM Higgs-bozonjaA SM megadja a keletkezési és bomlási valószínuségeit.

Minden tömegfüggo, pl. fermion-párra bomlásé

Γ(H→f f) =Ncg

2m2

f

32πm2

W

β3mH

Nc színek száma (leptonok: 1; kvarkok: 3)g2 ∼ 0.425 SU(2) csatolási állandó

β2 = 1 − 4m2

f

m2

H

fermion-sebesség.

Tömeget a SM nem jósol, csak limitál:30 GeV < mH < 500 GeV (unitaritás)

Ha a SM perturbatív EGUT = 1016 GeV-ig:(GUT: Grand Unification Theory)130 GeV < mH < 190 GeV


A Standard Modell 40-éves diadalútjaMeasurement Fit |Omeas−Ofit|/σmeas

0 1 2 3

0 1 2 3

∆αhad(mZ)∆α(5) 0.02750 ± 0.00033 0.02759

mZ [GeV]mZ [GeV] 91.1875 ± 0.0021 91.1874

ΓZ [GeV]ΓZ [GeV] 2.4952 ± 0.0023 2.4959

σhad [nb]σ0 41.540 ± 0.037 41.478

RlRl 20.767 ± 0.025 20.742

AfbA0,l 0.01714 ± 0.00095 0.01645

Al(Pτ)Al(Pτ) 0.1465 ± 0.0032 0.1481

RbRb 0.21629 ± 0.00066 0.21579

RcRc 0.1721 ± 0.0030 0.1723

AfbA0,b 0.0992 ± 0.0016 0.1038

AfbA0,c 0.0707 ± 0.0035 0.0742

AbAb 0.923 ± 0.020 0.935

AcAc 0.670 ± 0.027 0.668

Al(SLD)Al(SLD) 0.1513 ± 0.0021 0.1481

sin2θeffsin2θlept(Qfb) 0.2324 ± 0.0012 0.2314

mW [GeV]mW [GeV] 80.385 ± 0.015 80.377

ΓW [GeV]ΓW [GeV] 2.085 ± 0.042 2.092

mt [GeV]mt [GeV] 173.20 ± 0.90 173.26

March 2012

2012 tavaszavalamennyi kísérlet

sokszáz eredményébol

(de foként LEP-bol)

|Mért–számolt|/szórás

Egyetlen (még statisztikán

belül) eltéro adat

e+e− → Z → bb

elore-hátra aszimmetriája

LEP elektrogyenge munkacsoport:

http://lepewwg.web.cern.ch/


http://lepewwg.web.cern.ch/

Hol van a Higgs-bozon?Kísérletileg 2012-ig behatároltuk.

LEP: MH > 114 GeV

LHC: MH < 127 GeV

SM-fitt: MH = 94

+29

−24

GeV

Az elmélet szerint léteznie kell mert

tömeget teremt és rendbeteszi a

divergenciákat0

1

2

3

4

5

6

10040 200

mH [GeV]

∆χ2

LEPexcluded

LHCexcluded

∆αhad =∆α(5)

0.02750±0.00033

0.02749±0.00010

incl. low Q2 data

Theory uncertaintyMarch 2012 mLimit = 152 GeV

„Igazából 1972-ben kezdodött az életem, mint bozon”

Peter Higgs:

My Life as a Boson: The Story of „The Higgs”,

Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002) 86-88.


A CERN 20 tagországa

+ +Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo.


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: Higgs-bozon ELFT közgyulés, ELTE, 2013.05.25. – p. 19

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 pozicionáló 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


Munka 160 müonkamrán

Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen)Horváth Dezso: Higgs-bozon ELFT közgyulés, ELTE, 2013.05.25. – p. 21

A CMS mágnese


A CMS belso része


HF: kvarcszálak acélban

Minden CERN-es magyar fuzte Szálkalibráció kész darabon


A CMS lezáró sapkája


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 jan.: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települ!Horváth Dezso: Higgs-bozon ELFT közgyulés, ELTE, 2013.05.25. – p. 26

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


Higgs-bozon keltése az LHC-nál

q H

g

g

gluon-fúzió

q_

q_

HW,Z

q q

vektorbozon-fúzió


A Higgs-bozon bomlása

CMS: 2012 március114 < MH < 127 GeV

(95% CL)

Egymással versengofolyamatok

A legjobb csatornaaz LHC-nál: H→γγ

(Kunszt, Trócsányi és Stirling,

1991)


A CMS elektromágneses kaloriméterea H → γγ észlelésére optimalizálva

CMS ECAL: 75,848 PbWO4 egykristály szcintillátorHorváth Dezso: Higgs-bozon ELFT közgyulés, ELTE, 2013.05.25. – p. 30

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.SH = 0+: H → ZZ és H →WWbomlástermékek szögeloszlása

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.)


CERN @ Melbourne, 2012 július 4.


CERN, 2012 július 4.


Higgs-bozon, 2012 aug. 17.


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

experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716 (2012) 30–61.a közben (20 év építés!) elhúnyt résztvevoknek dedikálva

15 oldal cikk, utána 17 oldalon 2899 szerzo, 20+3 magyar:

Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest:Bencze György, Hajdu Csaba, Hidas Pál, Horváth Dezso1, Krajczár Krisztián3,

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)

1: + ATOMKI; 2: + ELTE; 3: + MIT


A CMS-cikk bírálata


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.) és

Kövesárki Péter (Bonn U.)

Hivatkozás bozon-megfigyelési cikkekre(InSpire: 2012 aug. - 2013 május 22.)

CMS: 1140, ATLAS: 1150

Érdemes Phys. Lett. B-ben publikálni: Impakt faktor!


CMS-esemény: H→ γγ jelölt


CMS: H → γγ (VBF)

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


H → γγ tömegspektrum, 2012 aug.

CMS

ATLAS ⇒


CMS: H → ZZ∗ → e+e−µ+µ−


CMS: H → ZZ∗ → ℓ+ℓ−ℓ+ℓ−

CMS-PAS-HIG-13-002, 2013március


ATLAS: H → ZZ∗ → ℓ+ℓ−ℓ+ℓ−

2012 aug.

Animáció:2010-12!


CMS, 2013 március:M ↔ hkm.

< MH >= 125.7 ± 0.3(stat) ± 0.3(syst)CMS-PAS-HIG-13-005: Combination


CMS, 2013 március: perdület – paritás

A CMS-adatai SX = 0-t és + paritást támogatjákCMS-PAS-HIG-13-005: Combination


Ez a SM Higgs-bozonja?

Az új részecske Higgs-bozon. A Standard Modellé?

Minden adata közeli a Standard Modellhez(CMS-PAS-HIG-13-005: 2013 március)


Hogyan állunk 2013 májusában?

Ez egy Higgs-bozon, és nagy valószínuséggel a StandardModellé: skalár bozon, S = 0+

Tömege, bomlási módusokra átlagolva:

ATLAS: 125.5 ± 0.2(stat)

{

+0.5

−0.6

}

(sziszt) GeV/c2

CMS: 125.7 ± 0.3(stat) ± 0.3(sziszt) GeV/c2

Az észlelt keletkezési valószínuség a különbözo bomlásimódusok összegeként, a SM elorejelzéseihez képest

(126 GeV-es Higgs-bozonra)CMS: 0.80 ± 0.14

ATLAS: 1.43 ± 0.16(stat) ± 0.14(sziszt)

Közeledünk a SM-hez (sajnos :-)


Mit jelent MH = 126 GeV?Rengeteg spekuláció!

Példa: S. Alekhin et al., The top quark and Higgs boson masses and thestability of the electroweak vacuum, arXiv:1207.0980, 2012

A stabilitási határon. Instabil, ha nem-fizikai Higgs-mezo jelenik megnagyobb energiákon. Ha stabil, Planck-energiáig (1018 GeV) jó.


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

Végszó

ATLAS és CMS, kétLHC-energián,

többféle bomlásicsatornában, hasonló

tömeggel ésjelerosséggel lát

Higgs-bozon-szerurészecskét.

Tanulmányozni fogjuk.

Jó lenne, ha nempontosan a SM

Higgs-bozonja volna:új fizika reménye.

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!


Tartalék diák


Ütközonyaláb hozama: luminozitásL = fnN1N2

A

f : körfrekvencia; n: csomagok számaN1, N2 részecske/csomag; A:

nyalábok átfedése

σ hkm-u reakció gyakorisága ǫ

hatásfoknál R = ǫσL

Integrális luminozitás: (fb−1)

Gyorsító ütközési idoszak∫

Ldt

energia (fb−1)

Tevatron 2 TeV 2001-2011 8,7

LHC 7 TeV 2010 0,04

LHC 7 TeV 2011 5,6

LHC 8 TeV 2012 23,3


ATLAS, 2012 dec. 14: 2 Higgs-bozon???

Mγγ = 126.6 ± 0.3 ± 0.7 M4ℓ = 123.5 ± 0.8 ± 0.3

< MH >= 125.2 ± 0.3(stat) ± 0.6(syst) GeV

ATLAS-CONF-2012-170


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: 78 p-p vertex!

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

Rekord: 78 azonosított vertex (2012: átlag 21).Adatmennyiséget növeli, 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, 2012 dec. 14: 2 Higgs-bozon???

M4ℓ = 123.5 ± 0.8 ± 0.3 Mγγ = 126.6 ± 0.3 ± 0.7

< MH >= 125.2 ± 0.3(stat) ± 0.6(syst) GeVHorváth Dezso: Higgs-bozon ELFT közgyulés, ELTE, 2013.05.25. – p. 61

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 (→ CERN@Wigner)⇒ Bolognai Tier-1

⇒ budapesti Tier-2⇒ debreceni Tier-3

A Wigner FK CMS-állomásaHajdu Csaba építette,

átadva 2012 márciusában.60 muszakot teljesítünk vele!

Az ATOMKI-ban ismegépítjük


Vak adatelemzés szimulációk alapján

Vak adatelemzés: addig mért adatokhoz nem nyúlunk, amignem rögzítettük az elemzés módszerét (eseményválogatás,

jel- és háttérszeruség valószínusége, hatásfokok).

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.

Mindig lehet javítani az analízisen, határidoket rögzítünk,konferenciákra idozítve.


Felfedezés?

A Tevatronnál amit az egyik kísérlet (ált. CDF) felfedezett, a

másik (D0) általában késobb megcáfolta.

ATLAS és CMS megállapodott, hogy ha valamelyik felfedez

valamit, a szóvívo elmondja a Foigazgatónak, aki odahívja a

másik szóvívot és megkéri, ellenorizze. Erre most nem volt

szükség.

CMS és ATLAS megállapodott, hogy júliusban nem használja

a „Discovery” (felfedezés) szót, csak az „Observation”-t

(megfigyelés).


hogyan is állunk a higgs-bozonnal?horvath/talks/2013/elft_higgs... · 2013-05-24 · hogyan is...

Documents