A Higgs-bozon megfigyelése az LHC-nál: műhelytitkok

Átírás

1 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 1/54 A Higgs-bozon megfigyelése az LHC-nál: műhelytitkok Wigner FK szeminárium, 2012 július 17. Horváth Dezső horvath.dezso@wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 2/54 Vázlat Standard Modell és a Higgs-bozon ( : Felfedezésre itélve?) A Nagy Hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet Megvan a Higgs-bozon? Trigger, adatgyűjtés és -minősítés Eseményrekonstrukció, tárolás, feldolgozás Szimuláció, vak analízisek versenye Unblinding Mit mondhatunk és mit nem? Tervek, kilátások

3 A Standard Modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan Kísérletileg messzemenően igazolva Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 3/54

4 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 4/54 A Standard Modell Elemi alkatrészek: kvarkok és leptonok Mértékelmélet: erős és elektrogyenge kölcsönhatás származtatása lokális mértékszimmetriákból, (mérték)bozonok közvetítésével Elektromágneses kölcsönhatás lokális U(1) mértékinvarianciából: ψ (x) = exp{iα(x)}ψ(x) Közvetítő: zérus-tömegű foton, rendben. Erős kölcsönhatás lokális SU(3) mértékinvarianciából, q = (q 1,q 2,q 3 ) kvark három színállapotban: q (x) = exp{i 8 a=1 α a(x)t a }q(x) ahol α a : valós téridő-függvények, T a : generátorok (3*3 mátrixok) 8 zérus-tömegű gluon közvetíti, rendben.

5 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 5/54 Gyenge kölcsönhatás? Gyenge kölcsönhatás lokális SU(2) mértékinvarianciából: ψ (x) = exp{ 1 2 i 3 k=1 α k(x)σ k }ψ(x) α k : valós téridő-függvények; σ k : spinmátrixok közvetíti 3 zérus-tömegű gyenge bozon, rossz! Bozonok, fermionok tömege elrontja az U(1) SU(2) invarianciát De U(1)-nek muszáj maradnia, a foton tömege zérus.

6 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 6/54 A Standard Modell Elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítése és szétválasztása a Higgs-mechanizmus jótékony közreműködésével (Igazából Anderson-Englert-Brout-Higgs- Guralnik-Hagen-Kibble mechanizmus, ) Hozzáadunk vákuumhoz 4-komponensű, szimmetriasértő teret. Elrontott U(1) SU(2)-ből leválasztunk U(1)-et elektromágnesség + zérus-tömegű foton, OK! Higgs-tér 3 szab. foka: nehéz Z, W +, W Megkaptuk a jó gyenge kölcsönhatást 3 nehéz bozonnal. Negyedik szab. fok: nehéz skalár bozon

7 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 7/54 A SM Higgs bozonja A Standard Modell Higgs mechanizmusa: Vákuum + komplex dublett tér (+ 4 szab. fok) spontán szimmetriasértés 3 tömeg (W ±, Z) + Higgs-bozon V min at φ = v 246 GeV = vákuum-beli várható érték Spin nélküli, semleges, nehéz részecske ( 0 v ) Renormálás skalár részecskéje, kvantumszámok nélkül Létezik? SM: muszáj! V V 0 0 v +v φ φ A Higgs-bozonról viccek a nemzetközi sajtóban...

8 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 8/54 Viccek a Higgs-bozonról A bárba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a pultos: Vigyázzon, magát többen is keresik! A templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a pap: You are not welcome here.. Mire ő: But without me how can you have mass? Miért nem kérdezik meg a kristálygömböt, hol a Higgs-bozon? Mert a fizikusok hülyék. A tárgyak tömege NEM a Higgs-mechanizmustól van!

9 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 9/54 A CERN 20 tagországa + Románia, Izrael, Szerbia + Ciprus, Málta, Szlovénia, Töröko.

10 A CERN és környéke Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 10/54

11 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia) Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 11/54

12 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 12/54 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: ?

13 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 13/54 A Standard Modell diadalútja Measurement Fit O meas O fit /σ meas α (5) had (m Z ) ± m Z [GeV] ± Γ Z [GeV] ± σ 0 had [nb] ± R l ± A 0,l fb ± A l (P τ ) ± R b ± R c ± A 0,b fb ± A 0,c fb ± A b ± A c ± A l (SLD) ± sin 2 θ lept eff (Q fb ) ± m W [GeV] ± Γ W [GeV] ± m t [GeV] ± March , tavasz valamennyi kísérlet sokszáz eredményéből (de főként LEP-ből) Mért számolt /szórás Egyetlen enyhén eltérő adat e + e Z b b előre-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport:

14 Az LHC eltérítő-mágnesei Az 1232 szupravezető mágnes egy része (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T) Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 14/54

15 Az LHC már készen Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 15/54

16 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 16/54 CMS (Compact Muon Solenoid) Compact Muon Solenoid: tonnás digitális kamera 20 M kép/s, 1000 GB/s adat Tárolás: max. 400 kép/s intelligens adatszűrés!!

17 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 17/54 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban > 3000 résztvevő a világ 35 országából A világ legnagyobb (szupravezető) szolenoidja: belső átmérője 6 m, mágneses tere 4 Tesla Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektorok pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizikai Int. és ATOMKI Előreszórt részecskék észlelése: (Hadron Forward calorimeter, HF) Készült USA-RU-TR-HU együttműködésben: RMKI, Budapest Az első leeresztett CMS-detektorrész: nov. 11. Adatkezelés: Worldwide LHC Computing Grid Wigner FK RMI: BUDAPEST WLCG-állomás

18 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 18/54 A CMS-együttműködés 41 ország 179 intézménye 3275 fizikus (közülük 1535 diák) 790 mérnök és technikus Résztvevők intézmény országa szerint: USA: 1149, Olaszo.: 439, Németo.: 298, Oroszo.: 234 Útlevél szerint: USA: 707, olasz: 554, német: 315, orosz: 305 Magyar intézményből: 40, magyar útlevéllel: 44

19 A CMS mágnese Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 19/54

20 A CMS belső része Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 20/54

21 Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Wigner FK Tier-2: 500 CPU, 255 TB, CMS és ALICE VO 2013 jan.: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települ! Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 21/54

22 Az LHC remekül működik! p-p hozam 2011-ben 5.6 fb 1, ig 6.3 fb 1 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 22/54

23 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 23/54 Higgs-bozon keltése az LHC-nál g q H g q q _ q W,Z _ q H gluonfúzió vektorbozonfúzió

24 CMS, 2012 március 7 A Higgs-bozon tömege 114 és 127 GeV között várható Összes végállapot kombinációja: +2.6σ 125 GeV-nél A legjobb csatorna: H γγ (Kunszt, Trócsányi és Stirling, 1991) Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 24/54

25 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 25/ GeV < M H < 127 GeV (95% CL) (ahol a legtöbb egymással versengő folyamat van)

26 A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 26/54

27 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 27/54

28 CMS PAS HIG , 2012 március 7 Új H γγ analízis: +3σ 124 GeV-nél Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 28/54

29 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 29/54 ATLAS, 2012 március-április 2,5 σ többlet 126 GeV-nél! ATLAS Coll., Phys.Lett. B710 (2012) (5 o. cikk intézet 3049 szerzője 11 o.-on) Új H γγ analízis: +2,8σ (126,5 GeV) Phys. Rev. Lett. 108 (2012) ( o.)

30 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 30/54 A Higgs-bozon keresése, 2012 május A Higgs-bozon (95% konfindenciaszinten) megengedett tömege kísérletenként (CERN Courier, 2012/3, p. 5) Kísérlet H-tömeg többlet csúcshely LEP > 114,4 GeV σ GeV CMS ,5 2,8 125 ATLAS 122, ,5 126 Tevatron <150 2, χ March 2012 LEP excluded Theory uncertainty α had = α (5) ± ± incl. low Q 2 data m H [GeV] m Limit = 152 GeV LHC excluded Mindenki lát egy kevés többletet, de sehol sem szignikáns 2012-ben felfedezésre itélve?

31 Rettenetes pile-up: Z µµ + 25 p-p vertex (ATLAS) Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 31/54 LHC, p-p ütközések, 2012 E = 8 (4 + 4) TeV, t = 50 ns, L = cm 2 s : leállás. 2014: TeV, 25 ns Higgs megfigyelése (+5σ) 8 TeV-nél Ldt 11.5 fb 1 után várható, idén 15 fb 1 remélhető.

32 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 32/ 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 GeV tömegnél statisztikusan jelentősen (kísérletenként 5σ szignifikanciával) lát egy új H bozont a SM Higgs-bozonjának megfelelő tulajdonságokkal. CMS: M H = 125.3±0.6 GeV, ATLAS: M H = GeV H γγ S H = 0 vagy 2 (2 valószínűtlen ) Az adatelemzés kihegyezve a SM Higgs-bozonra... De még be kell bizonyítanunk, hogy tényleg az, pl. S H = 0: H ZZ és H WW bomlástermékek szögeloszlása H XY... valószínűségei SM szerintiek Csak egy Higgs-bozon van (nincs több semleges vagy töltött)

33 John Ellis: H WW Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 33/54

34 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 34/54 CMS: H γγ (VBF) Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.

35 CMS: H γγ tömegeloszlása Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 35/54

36 ATLAS: H γγ tömegeloszlása Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 36/54

37 CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 37/54

38 CMS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 38/54

39 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 39/54 CMS: p eloszlások (7 és 8 TeV) Annak valószínűsége, hogy a mért háttér véletlen fluktuációja a SM Higgs-bozonjának megfelelő többletet adjon. γγ és ZZ: 5.0σ γγ, ZZ és WW: 5.1σ Mind együtt: 4.9σ ATLAS pontosan ugyanezt kapta: γγ és ZZ: 5.0σ A többi csatornát nem analizálták. CMS konzervatív, ragaszkodott a teljes vizsgálathoz

40 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 40/54 CMS és ATLAS: tömeg és jelerősség (többféle módon meghatározva, konzisztensen) CMS M H = ± 0.6 GeV H γγ: σ/σ(sm) = 1.56 ± 0.43 H mind: σ/σ(sm) = 0.80 ± 0.22 ATLAS M H = GeV H γγ: σ/σ(sm) = 1.9 ± 0.5 H ZZ 4l: σ/σ(sm) = 1.26 ± 0.14 H mind: σ/σ(sm) = 1.3 ± 0.4

41 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 41/54 Hogyan jutottunk idáig? CMS Letter of Intent benyújtva: 1992 (475 szerző, 4 magyar) Proposal elfogadva: 1996 Technical Design Reports (a legnagyobbak): Magnet, 1997 (200 o.) Tracker, 1998 (539 o.) Trigger, 2000 (630 o.) Data Acquisition, 2002 (521 o.) Computing, 2005 (166 o.) Physics 1, 2006 (521 o.) Physics Addendum: QCD and Heavy Ion, 2007 (169 o.) Physics 2: J.Phys.G G34 (2007)

42 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 42/54 A CMS működése Detektor jórészt felépítve a felszínen: Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés: LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd : 7 TeV, összegyűjtött luminozitás 0.04 fb : 7 TeV, 5.6 fb április június: 8 TeV, 6.3 fb 1 LHC fejlődése: : 140-szeres luminozitás : 7 8 TeV, cca. ötszörös luminozitás

43 CMS-vezérlő, 2012 május 2, 15h 45p DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelő: HD Ügyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 43/54

44 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 44/54 CMS eseményei: mért és szimulált CMS-eseményválogatás (trigger) 2012-ben: 32% Higgs, 23% SUSY, 16% egzotika, 29% SM-fizika Keresések számára SM-fizika háttérnek kell, nagyon fontos Mindenféle jelet és hátteret szimulálni. Először partonszinten (kvarkok és gluonok), fragmentáció (hadronok, észlelhető részecskék), átengedni detektorszimuláción. Szimuláció eredménye az észleléssel ekvivalens eseményhalmaz. Ezen cca. 370 CMS-fizikus dolgozik (levelezőlista)

45 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 45/54 Adatminősítés, eseményrekonstrukció Globális, online ellenőrzés: Data Quality Monitoring Offline DQM aldetektoronként. Budapest és Debrecen: Tracker-adatok minősítése (Wigner FK CMS-állomásán!) Eseményrekonstrukció Tier-0-ban. Tárolás Tier-1-ben, analízis Tier-2-ben és Tier-3-ban (Particle flow: aldetektorok jeleinek összevarrása). Bolognai Tier-1 budapesti Tier-2 debreceni Tier-3

46 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 46/54 Vak adatelemzés szimulációk alapján Vak adatelemzés: addig mért adatokhoz nem nyúlunk, amig nem rögzítettük az elemzés módszerét (eseményválogatás, jel- és háttérszerűség valószínűsége). Több párhuzamos analízis ugyanarra különböző módszerrel. Analysis Note-ok ( oldalon), a legjobbat fogadjuk el: Tisztaság, hatásfok, szisztematikus szórás, átláthatóság. Analysis Note-ok egész CMS előtt, konkurrensek vitája.

47 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 47/54 Vak adatelemzés, 2. menet Physics Analysis Summary (PAS) majdnem cikk, újra vita. Témánként legjobb PAS megy ki összesítésre. Előre kitűzött határidő, most pl. melbourne-i nagyenergiás világkongresszushoz igazodva. Rögzítjük az összes analízist és felnyitjuk őket az adatoknak (unblinding) a kritikus tartományban. A nem-kritikus tartományban nézhetők az adatok, hiszen van analízis, amely a hátteret az adatokból becsüli. SM Higgs unblinding: , M = 126 GeV körül, a korábban nem-kizárt tartományban.

48 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 48/54 Konkrét példa: H γγ Munkacsoportok vitafórumok: Mindegyik magyar szerepel legalább egy munkacsoportban, többet vezetünk vagy vezettünk is. Higgs-elemzések: Vitafórumok: Physics, Higgs Review of analysis HIG

49 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 49/54 Mit mondhatunk és mit nem? Csak teljes jóváhagyás után beszélhetünk az eredményekről. ATLAS kiszivárogtatta a júl. 4-i eredményt Nature-nek, CMS megerősítette. A két TEVATRON-kísérlet meg egyből 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 levő) ábrákat, adatokat mutathatunk. Konferencia előtt próbaelőadások. Joe Incandela július 4-i előadását a CMS 4-órás videokonferencián próbálgatta előző délután.

50 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 50/54 Felfedezés? A Tevatronnál amit az egyik kísérlet (ált. CDF) felfedezett, a másik (D0) általában később megcáfolta. ATLAS és CMS megállapodott, hogy ha valamelyik felfedez valamit, a szóvívő elmondja a Főigazgatónak, aki odahívja a másik szóvívőt és megkéri, ellenőrizze. Erre most nem volt szükség. CMS megszavazta, hogy a teljes analízis eredményét kell mutatnia, és nem használhatja a Discovery szót, csak az Observation -t. Fabiola Gianotti (ATLAS) is csak megfigyelt, nem fedezett fel.

51 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 51/54 Magyarok a CMS-eredményben Magyar CMS-csoport (WFK, ATOMKI, DE, ELTE) Építés, üzemeltetés: HF és müondetektor, biztonság, Tier-2, adatminősítés Pixel-detektor: H l + l l + l, H (VBF) jet-jei vertex-azonosítása, luminozitás mérése Müondetektor: H l + l l + l Tracker-összeigazítás: H l + l l + l, H (VBF) QCD-folyamatok: Legfontosabb háttér, jet-meghatározás

52 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 52/54 Magyarok az ATLAS-eredményben Magyar ATLAS-csoport (WFK) Építés, üzemeltetés: Elektromágneses kaloriméter szoftvere Elektromágneses kaloriméter: H γγ Elektronrekonstrukció trackerben: H l + l l + l

53 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 53/54 Végszó ATLAS és CMS, két LHC-energián, többféle bomlási csatornában, hasonló tömeggel és jelerősséggel lát Higgs-bozon-szerű részecskét. Tanulmányozni fogjuk. Jó lenne, ha nem pontosan a SM Higgs-bozonja volna: új fizika reménye. John Ellis beszélget Margaret Thatcherrel

54 Horváth Dezső: Higgs-bozon az LHC-nál Wigner FK, p. 54/54 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Innovációs Hivatal Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, NK81447, K72172, K81614, H07B és H07C EU FP6 MC-ToK és FP7 III Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia Megértő együttműködő partnereink (CERN, ETHZ!) Köszönöm a figyelmet!