Αναζήτηση σωματιδίου Higgs στο LHC Παπαδοπούλου Μαρία Καθηγήτρια: Παπαδοπούλου Θεοδώρα

Ξεκινώντας από το καθιερωμένο Πρότυπο Τρέχουσα θεωρία στοιχειωδών σωματιδίων Περιλαμβάνει: Σωματίδια φορείς των δυνάμεων 6 κουάρκ, 6 λεπτόνια Τρεις βασικές δυνάμεις Περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωματιδίων

Αδυναμίες στο καθιερωμένο πρότυπο Δε μπορεί να προβλέψει τη μάζα ενός σωματιδίου Δεν περιλαμβάνει τα φαινόμενα βαρυτικών αλληλεπιδράσεων Γιατί το σωματίδιο W έχει μεγάλη μάζα ενώ το φωτόνιο δεν έχει εφόσον και τα δυο είναι σωματίδια φορείς δύναμης;

Λύση στο πρόβλημα Εισάγεται ο μηχανισμός Higgs ο οποίος περιγράφει πώς τα θεμελιώδη σωματίδια αποκτούν μάζα Ονομάστηκε έτσι από τον Peter Higgs του πανεπιστημίου του Εδιμβούργου που πρώτος είχε την ιδέα το 1964. Με το μηχανισμό Higgs ασχολήθηκαν οι Englert και Brout και παράλληλα και ανεξάρτητα οι Guralnik, Hagen και Kibble

Εισαγωγή σωματιδίου Higgs Ηλεκτρασθενής ενοποίηση  4 άμαζα μποζόνια W1, W2,W3,B Καθώς μεταβαίνουμε από τις ψηλές στις χαμηλές ενέργειες σπάει η ηλεκτρασθενής συμμετρία Συνδυασμοί των μποζονίων δίνουν τα W+, W-, Zo, γ εκ των οποίων τα W+,W-,Zo αποκτούν μάζα Το φωτόνιο παραμένει άμαζο διότι η συμμετρία της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης δε σπάει περαιτέρω Μετά το σπάσιμο της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας εμφανίζεται το σωματίδιο Higgs SU(2) x U(1)y U(1)em

Πεδίο Higgs Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία πεδίου (QFT) σε κατάσταση κενού τα πεδία έχουν μέση τιμή ίση με το μηδέν Το πεδίο Higgs είναι βαθμωτό και βρίσκεται παντού στο χώρο σαν υπόβαθρο Η κατάσταση κενού του πεδίου Higgs είναι διάφορη του μηδενός  Σπάσιμο συμμετρίας

Μηχανισμός Higgs Το κενό δεν είναι στην πραγματικότητα κενό αλλά καλύπτεται από το πεδίο Higgs Τα στοιχειώδη σωματίδια καθώς ταξιδεύουν μέσα στο ‘κενό’ συγκρούονται με τα σωματίδια Higgs Το πεδίο Higgs παραμορφώνεται τοπικά, συμπεριφέρεται σαν μελάσα και επιβραδύνει τα σωματίδια προσδίδοντας τους μάζα Όσο πιο ισχυρή είναι η αλληλεπίδραση τόσο πιο βαρύ θα είναι το σωματίδιο.

Σωματίδιο Higgs Είναι μποζόνιο με σπιν=0 και άγνωστη μάζα Το μέγεθος σύζευξης του Higgs με το πεδίο του δεν είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο του top κουάρκ. Επομένως δε μπορεί να είναι πολύ βαρύτερο από το top κουάρκ (174,3±5,1GeV)

Πρόβλημα της Ιεραρχίας Το σωματίδιο Higgs αλληλεπιδρά και με δυνητικά σωματίδια προκειμένου να αποκτήσει μάζα Αυθαίρετα τα δυνητικά σωματίδια μπορούν να έχουν μεγάλες ενέργειες. Επομένως και το Higgs μπορεί αυθαίρετα να αποκτήσει μεγάλη μάζα (της τάξης του 1 TeV και πάνω) Αντίφαση με την απαίτηση ότι το Higgs δε μπορεί να είναι πολύ βαρύτερο από το top κουάρκ Απαιτούνται υπερβολικά μεγάλες κβαντικές διορθώσεις στη μάζα του Higgs

Υπερσυμμετρία ως λύση του προβλήματος Κάθε σωματίδιο του καθιερωμένου Προτύπου έχει το υπερσυμμετρικό του με αντίθετη στατιστική σπιν Μποζόνιο Φερμιόνιο Οι διορθώσεις που δίνουν τα σωματίδια και τα υπερσυμμετρικά τους είναι μεγάλες, ίσες και με αντίθετο πρόσημο, συνεπώς απαλείφονται Λύση στο πρόβλημα της Ιεραρχίας

Από τη θεωρία στο πείραμα Ο μηχανισμός Higgs αν και είναι σημαντικό κομμάτι του Κ.Π. δεν έχει ελεγχθεί πειραματικά σε ικανοποιητικό βαθμό ώστε να εδραιωθεί ως ισχύουσα θεωρία. Απαιτούνται πειράματα υψηλών ενεργειών που θα σπάσουν το μέχρι τώρα πειραματικό φράγμα ενέργειας. Οι ελπίδες μας εναποτίθενται στο LHC!

The Large Hadron Collider To LHC είναι κυκλικός αδρονικός επιταχυντής σωματιδίων που θα διερευνήσει την ύλη βαθύτερα όσο ποτέ Είναι το πιο φιλόδοξο επιστημονικό εγχείρημα μέχρι τώρα Τα αποτελέσματα των πειραμάτων ίσως αλλάξουν τη θεμελιώδη γνώση που έχουμε για το σύμπαν Όχι μόνο περιμένουμε να δούμε το Higgs αλλά είναι πιθανό να ανακαλύψουμε νέα σωματίδια που απαιτούνται για τη λύση του προβλήματος της Ιεραρχίας

Τα χαρακτηριστικά του LHC Κυκλικό τούνελ περιφέρειας 27Km και διαμέτρου 3.8m 1232 υπεραγώγιμοι δίπολοι μαγνήτες παράγουν μαγνητικό πεδίο 8.36 T 858 τετραπολικοί μαγνήτες Κρυογονικό σύστημα επιτυγχάνει θερμοκρασία 1.9Κ Καλώδια σε υπεραγώγιμη φάση μεταφέρουν ρεύμα 11700A Λαμπρότητα L=

Χαρακτηριστικά του LHC Σύγκρουση πρωτονίου-πρωτονίου καθώς και βαρέων ιόντων όπως Μολύβδου με ενέργεια σύγκρουσης 1150 TeV Ενέργεια κάθε δέσμης πρωτονίων 7 TeV Τα πρωτόνια παράγονται από μόρια Η2 Η ταχύτητα των πρωτονίων φτάνει το 99.9999% της ταχύτητας του φωτός Μέσα σε 10 ώρες 2835 πακέτα πρωτονίων θα κάνουν 400 εκατομμύρια περιστροφές

Πορεία Πρωτονίων Πηγή  Γραμμικοί Επιταχυντές LINACS E~50Mev  Κυκλικός Επιταχυντής PSB E~1GeV  Σύγχροτρον PS E~25GeV SPS E~450GEV  LHC 7 TeV

Πειράματα στο LHC ATLAS Γενικού σκοπού CMS Γενικού σκοπού ALICE Βαρέα ιόντα LHCb b quark Οι ανιχνευτές ATLAS και CMS μπορούν να ελέγξουν μέχρι και 600 εκατομμύρια γεγονότα σύγκρουσης το δευτερόλεπτο!

Το Higgs στο LHC Μηχανισμοί παραγωγής από τις συγκρούσεις p-p

Το Higgs στο LHC Οι ενεργές διατομές μειώνονται με την αύξηση της μάζας του Higgs Επικρατέστερη διαδικασία για όλο το εύρος μαζών είναι η άμεση παραγωγή

Κανάλια αναζήτησης στο LHC

100< <150 GeV Στο εύρος μαζών 105-145 GeV και για ολοκληρωμένη λαμπρότητα 100 fb-1 το Higgs μπορεί να παρατηρηθεί με υπογραφή πάνω από 5σ χρησιμοποιώντας μόνο το κανάλι αυτό Η ανακατασκευή της μάζας των φωτονίων γίνεται χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του Η/Μ καλορίμετρου και του Εσωτερικού Ανιχνευτή Σήμα: δύο ηλεκτρομαγνητικοί θύσανοι

Άμεση παραγωγή Αποδοτικότητα αναγνώρισης φωτονίων 80% Μέγιστο(Ενεργός διατομή * Λόγος Διακλάδωσης)=46.4 fb για =150 GeV Αποδοχή σήματος αυξάνεται με τη μάζα 80GeV29% 150GeV58% Υπόβαθρο: Πολύ επικίνδυνο για Μεγάλη ενεργός διατομή Συνεισφορά στο σήμα <10%

Συσχετισμένη παραγωγή Πολύ μικρή ενεργός διατομή Κινηματικά Κριτήρια: Αποδοχή σήματος για =100 GeV 31% WΗ,ΖΗ 29% ttH Απαιτείται ΔR>0.4 προκειμένου να κατασταλεί το υπόβαθρο από QCD jet Αν τα W,Z,tt διασπαστούν λεπτονικά ο λόγος σήμα/υπόβαθρο γίνεται μεγάλος

Κυρίαρχη διάσπαση όταν Λόγος Διακλάδωσης 90% Το 85% των γεγονότων ανακατασκευάζονται μέσα σ’ ένα εύρος γύρω από την εικονική μάζα του Higgs Υποσχόμενο σε χαμηλή λαμπρότητα όπου το κατώφλι για την ορμή είναι χαμηλότερο( μεγαλύτερη αποδοχή γεγονότων) και το υπόβαθρο όχι ιδιαίτερα επικίνδυνο

WH Κριτήρια επιλογής γεγονότων Απομονωμένο λεπτόνιο με για ηλεκτρόνιο και για μιόνιο Δύο b-jets με Καθώς αυξάνεται η μάζα, το σήμα μειώνεται αλλά μειώνεται επίσης και το υπόβαθρο κατά ένα μεγαλύτερο παράγοντα

Τελική κατάσταση 2W και 4b-jet Κριτήρια Τουλάχιστον 6jets με Ακριβώς 4 b-jets Σε χαμηλή λαμπρότητα και εφόσον γίνει πλήρη ανακατασκευή των διασπάσεων των tt, ο λόγος σήμα/υπόβαθρο κείται μεταξύ 32 και 56%

‘Καθαρή’ υπογραφή στο εύρος Μέγιστο για Κριτήρια αποδοχής σήματος 2 λεπτόνια με 2 επιπλέον λεπτόνια με Υπόβαθρο: Το κανάλι αυτό δίνει σήμα με υπογραφή πάνω από για το εύρος μαζών 125< <180 GeV

Μέσα σε παράθυρο μάζας βρίσκεται το 83 Μέσα σε παράθυρο μάζας βρίσκεται το 83.3% των γεγονότων για χαμηλή λαμπρότητα και το 84.7% για υψηλή Αποδοτικότητα ταυτοποίησης και ανακατασκευής των 4 ηλεκτρονίων φτάνει το 69%

Αποτελεί τα μισά περίπου γεγονότα από τη διάσπαση Μέσα σε παράθυρο μάζας βρίσκεται το 85.4% των γεγονότων για χαμηλή λαμπρότητα και το 85.3% για υψηλή Αποδοτικότητα αναπαράστασης 90% ανά λεπτόνιο

Η ανακατασκευή των μιονίων επιτελείται και στο μιονικό και στον εσωτερικό ανιχνευτή Η αποδοχή σήματος για παράθυρο μάζας γύρω από τη μάζα του Higgs φτάνει το 83% Αποδοτικότητα αναπαράστασης 83.7%

Το Higgs στο ATLAS

Το Higgs στο CMS

Παράρτημα Luminosity(Λαμπρότητα): ποσότητα μέτρησης της έντασης της δέσμης. Εξαρτάται από τον αριθμό των σωματιδίων σε κάθε πακέτο, τον αριθμό των πακέτων, τη συχνότητα περιστροφών γύρω από το δακτυλίδι και τη διατομή της δέσμης. Μεγαλύτερη Luminosity σημαίνει περισσότερες συγκρούσεις το δευτερόλεπτο και επομένως περισσότερα γεγονότα προς μελέτη : Εγκάρσια ορμή ΔR : απόσταση μεταξύ κάθε φωτονίου και κάθε ανακατασκευασμένου συμπλέγματος πιδάκων BR : Λόγος Διακλάδωσης (Branching ratio) The end

Βιβλιογραφία Θεωρία Ομάδων Μέρος Β Ι. Δ. Βεργάδου Εκδόσεις Συμεών Θεωρία Ομάδων Μέρος Β Ι. Δ. Βεργάδου Εκδόσεις Συμεών Gauge theory of elementary particle physics Ta-Pei Cheng and Ling-Fong Li Oxford Science Publications Physics World, November 2002 Introducing the Little Higgs ATLAS Detector and Physics Performance Technical Design Report Volume II Σημειώσεις ‘Ανιχνευτικές και Επιταχυντικές διατάξεις’ Θεοδώρα Δ. Παπαδοπούλου Κεντρική σελίδα του CERN: http://public.web.cern.ch http://atlas.ch/ http://lhc.web.cern.ch/lhc/ http://public.web.cern.ch/public/Content/Chapters/AskAnExpert/AskAnExpert-en.html http://www.physics4u.gr/