Bozon Higgsa oraz SUSY

neutrino.fuw.edu.pl

Bozon Higgsa oraz SUSY

Bozon Higgsa

oraz SUSY

Bozon Higgsa

Poszukiwania bozonu Higgsa w LEP i Tevatronie

- otrzymane ograniczenia na masę H

LHC - odkrycie bozonu Higgsa

Supersymetria (SUSY)

D. Kiełczewska, wykład 9


Masy cząstek – cząstki Higgsa

PROBLEM:

Teoria przewiduje zerowe masy dla bozonów cechowania. Nie jest to

problem dla QED i QCD bo foton i gluon mają zerowe masy, ale jest

to poważny problem dla bozonów: W i Z.

Możliwe rozwiązanie problemu:

wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cząstek Higgsa

o spinie=0. Stowarzyszone z cząstką pole Higgsa nadaje innym

cząstkom masy przez oddziaływanie z nimi.

D. Kiełczewska, wykład 9


Sukcesy unifikacji elektro-slabej

Mając bardzo precyzyjne pomiary masy W i Z można było

wyznaczyć masę kwarka t przed jego wykryciem z pomiaru

przekroju czynnego na:

oraz uwzględniając poprawki wyższych rzędów:

Ale okazuje się,

że potrzebna

jest jeszcze

jakaś cząstka,

żeby uzyskać

zgodność z

danymi: H 0

m t

= 171,2 ± 2,1 GeV

z bezpośrednich pomiarów

D. Kiełczewska, wykład 7 3


Masy cząstek – cząstki Higgsa

Możliwe rozwiązanie problemu:

wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cząstek Higgsa

o spinie=0. Stowarzyszone z cząstką pole Higgsa nadaje innym

cząstkom masy przez oddziaływanie z nimi.

Stałe

sprzężenia:

D. Kiełczewska, wykład 9


Mechanizm Higgsa

Wyobraźmy sobie salę bankietową równomiernie wypełnioną ludźmi

(pole Higgsa):

D. Kiełczewska, wykład 9


Mechanizm Higgsa

Pojawia się sławny naukowiec (bozon cechowania, np. W) przyciągając

uwagę zebranych

D. Kiełczewska, wykład 9


Mechanizm Higgsa

Ludzie cisnący się wokół naukowca utrudniają mu poruszanie się

(nadają mu masę)

D. Kiełczewska, wykład 9


Mechanizm Higgsa

Ludzie na bankiecie mogą też spontanicznie tworzyć zgęszczenia

(bozon Higgsa)

D. Kiełczewska, wykład 9


Mechanizm Higgsa c.d.

Mechanizm Higgsa: cząstki Higgsa H o spinie 0 wypełniają próżnię.

Gdy jakaś cząstka napotyka na H zmienia swoją skrętność

np. LHRH. W ten sposób cząstki stają się masowe. Im częściej

oddziałują z H, tym większa masa.

Np. fotony są bezmasowe, bo

nie oddziałują z bozonem H.

bezmasowe neutrina

D. Kiełczewska, wykład 9

neutrina masowe


Poszukiwania bozonu Higgsa

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 1 / 1


Poszukiwania Higgsa w LEP

e + e − → H + Z 0 → bb + X

D. Kiełczewska, wykład 9


Poszukiwania Higgsa w LEP

e + e − → H + Z 0

Sygnał ???

Tylko ~2

H → bb (2 quark jets)

LEP wyłączono, żeby dalsze

poszukiwania robić w LHC.

PDG 2006

D. Kiełczewska, wykład 9


Ograniczenia na masę Higgsa (SM)

Wiele wielkości fizycznych

mierzonych precyzyjnie w LEP wg.

teorii zależy od procesów

wyższych rzędów z wirtualną

wymianą m.in. bozonu Higgsa.

H

Z / W

Z / W

Porównując pomiary z obliczeniami

metodą np.

uzyskujemy informacje o masie Higgsa.

Łączna analiza wielu pomiarów daje

konsystentne wyniki:

D. Kiełczewska, wykład 9


Poszukiwanie cząstki Higgsa

w Tevatronie (Fermilab)

Tevatron:

p +

p

1 TeV + 1 TeV

Przekrój czynny na produkcję Higgsa

silnie maleje z masą H:

(obliczony wg Modelu Standardowego)

Rozpady

Higgsa:

D. Kiełczewska, wykład 9


Poszukiwanie Higgsa w Tevatronie

Problem: jeśli masa H jest 114 GeV

c.l.=95%


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Diagramy dla produkcji Higgsa w LHC

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 1 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Przekroje czynne na produkcję bozonu Higgsa.

Dominuje mechanizm fuzji gluonowej.

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 2 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Badane kanały H → γγ, H → ZZ , H → WW , H → ττ, H → bb

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 3 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

H → γγ - rzadki kanał rozpadu, ale najlepszy dla małych (w LHC)

mas. Dominujacy ˛ kanał rozpadu dla m H < 2M W to H 0 → b + b, ale

bardzo duże tło.

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 4 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

H → ZZ ∗ → 4l złoty

kanał rozpadu,

najłatwiejsza

identyfikacja (4l = 4e

lub 2e2µ lub 4µ)

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 5 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Dane dla energii w środku masy układu p-p: 7 TeV i 8TeV

Rok 2012 - znaczaca ˛ nadwyżka przypadków w okolicy masy

125 GeV ⇒ czastka ˛ Higgs-like

Rok 2013 - produkowana czastka ˛ o spinie 0 ⇒ czastka ˛ Higgs

2013-2014 - przerwa techniczna

2015 - podwyższenie energii wiazek ˛ (energia w środku masy

13 TeV)

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 6 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Detektor ATLAS

Kandydat na

oddziaływanie

H → ZZ ∗ → 4e

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 7 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Detektor

ATLAS

Kandydat na

oddziaływanie

H →

ZZ ∗ → 4µ

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 8 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Detektor CMS

Kandydat na

oddziaływanie

H → ZZ ∗ → 2µ2e

(miony to czerwone

linie, elektrony -

zielone linie i

ostrosłupy)

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 9 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Detektor CMS

Kandydat na

oddziaływanie

H → 2γ (fotony to

żółte przerywane

linie i zielone

ostrosłupy)

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 10 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Rozkłady masy niezmienniczej czterech leptonów

CMS

-1

s = 7 TeV, L = 5.1 fb

-1

s = 8 TeV, L = 5.3 fb

Events / 3 GeV

16

14

12

10

8

Data

Z+X

Zγ*, ZZ

m H =125 GeV

Events / 3 GeV

6 K D > 0.5

5

4

3

2

1

0

120 140 160

m 4l

(GeV)

6

4

2

0

80 100 120 140 160 180

m 4l

(GeV)

Wyniki eksp. CMS

Wyniki eksp. ATLAS

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 11 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Rozkłady masy niezmienniczej dwóch fotonów

S/(S+B) Weighted Events / 1.5 GeV

1500

1000

500

0

CMS

-1

-1

s = 7 TeV, L = 5.1 fb s = 8 TeV, L = 5.3 fb

Data

S+B Fit

B Fit Component

±1σ

±2 σ

Events / 1.5 GeV

1500

1000

Unweighted

120 130

m γγ (GeV)

110 120 130 140 150

(GeV)

m γγ

Wyniki eksp. ATLAS

Wyniki eksp. CMS

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 12 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Zestawienie dla wszystkich badanych kanałow rozpadu.

Wyniki eksp. CMS

CMS

-1

s = 7 TeV, L = 5.1 fb

-1

s = 8 TeV, L = 5.3 fb

= 125.5 GeV

m H

H → γγ

H → ZZ

H → WW

H → ττ

Test zgodności z

przewidywaniami

Modelu

Standardowego.

H → bb

-1 0 1 2 3

Best fit σ/σ SM

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 13 / 14


Odkrycie bozonu Higgsa w LHC (2012/2013)

Czy odkryta czastka ˛ jest bozonem o spinie 0 ?

Czy jest Higgsem przewidzianym przez Model Standardowy ?

W modelach supersymetrycznych też przewidywane sa bozony

Higgsa (więcej niż jeden)

K.Grzelak (IFD UW)

Elementy Fizyki Czastek ˛ Elementarnych 14 / 14


Supersymetria (SUSY)

Podstawowa symetria:

każdy fermion ma supersymetrycznego partnera bozonowego

każdy bozon ma supersymetrycznego partnera fermionowego

• Symetria zakłada te same masy, ładunki i te same sprzężenia

dla supersymetrycznych partnerów.

• Fakt, że dotychczas nie znaleziono żadnego supersymetrycznego

partnera zwykłych czastek świadczy o tym, że symetria jest

łamana przy niedostatecznie dużych energiach.

• Masy cząstek SUSY >100 GeV

D. Kiełczewska, wykład 9


Cząstki SUSY

Spin = 1/2 Spin = 0

1

1

-1

-1

Spin = 1

1

Spin = 1/2

-1

Spin = 0

higgs

1

Spin = 1/2

higgsino

-1

D. Kiełczewska, wykład 9

s- spin, L- liczba leptonowa,

B-liczba barionowa


Po co SUSY? - problem hierarchii

Wielkie unifikacje

cząstki o wielkich masach

nieskończone poprawki radiacyjne

Ale poprawki od pętli fermionowych i bozonowych mają przeciwne

znaki, czyli symetria SUSY prowadzi do skasowania poprawek

Np. masa Higgsa:

top

stop

D. Kiełczewska, wykład 9

Pod warunkiem, że


Nowa liczba kwantowa – parzystość R

Wszystkie „stare” cząstki mają R=+1

Cząstki SUSY mają R=-1

Iloczyn R jest zachowany

Tzn. cząstki SUSY muszą być produkowane tylko parami:

Czyli najlżejsza cząstka SUSY (LSP) powinna być stabilna

LSP jest kandydatem na cząstkę Ciemnej Materii

D. Kiełczewska, wykład 9


Najlżejsza cząstka SUSY - LSP

Jeśli LSP jest cząstką Ciemnej Materii to:

LSP pozostały z Wielkiego Wybuchu i wypełniają Wszechświat

Oddziałują tylko grawitacyjnie, bo inaczej już by zostały

zaobserwowane. Są więc neutralne.

Nie mogą znikać w oddz. z normalną materią, bo zabrania im

zachowanie parzystości R.

Kandydaci: grawitino oraz neutralino (mieszanka fotina, zina i

higgsina)

Bardzo trudne do wykrycia!

D. Kiełczewska, wykład 9


Detekcja cząstek SUSY

Główna cecha przypadków z udziałem cząstek SUSY to duży

niezbilansowany pęd poprzeczny, bo zawsze na końcu muszą

powstawać jakieś LSP, które są ciężkie, neutralne i nie rozpadają się.

LEP

LHC

nie znaleziono cząstek SUSY

- wyznaczono ograniczenia

na ich masy

D. Kiełczewska, wykład 9


Grawitino w LHC?

Załóżmy, że grawitino jest najlżejszą cząstką SUSY:

np. o masie 10 GeV

Wtedy cząstka SUSY najlżejsza z pozostałych, np. stau

rozpadałby się:

z bardzo długim czasem życia, bo sprzężenie grawitacyjne b. małe

Czas mógłby być rzędu godzin, lat......

Czyli będzie szukany czyli naładowana cząstka, o dużej masie,

wychodząca z wielkich detektorów LHC

D. Kiełczewska, wykład 9


Rozpad protonu w SUSY

Zachowanie parzystości

wymaga tylko zachowania B-L czyli możliwy rozpad

z niezachowaniem oddzielnie B i L :

Model SU(5) SUSY przewiduje dla tego rozpadu:

Podczas gdy doświadczalnie stwierdzono:

(gdzie B to stosunek rozgałęzień dla tego rozpadu)

model SU(5) SUSY wykluczony

Problem rozpadu protonu stał się problemem doświadczalnym

- teoretycznie możliwy jest b. szeroki zakres parametrów.

D. Kiełczewska, wykład 9


Podsumowanie

Symetrie cechowania w Modelu Standardowym narzucają

przenoszenie oddziaływań przez „bozony cechowania”

Ale z obserwacji wiemy, że bozony oddz. słabych mają wbrew

symetrii bardzo różne masy

Aby nadać im masy zaproponowano mechanizm Higgsa

Po wielu latach poszukiwań, cząstkę Higgsa odkryto w LHC

(2012/2013)

Teoria SUSY (Supersymetrii) przewiduje wiele nowych

cząstek o masach od 100 do 1000 GeV - nadzieja w LHC

D. Kiełczewska, wykład 9

More magazines by this user
Similar magazines