Higgs-bozon: a keresés húszéves kalandja

Átírás

1 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 1 Higgs-bozon: a keresés húszéves kalandja Atomki nyílt nap, 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 Atomki, Debrecen, p. 2 Vázlat A részecskefizika Standard Modellje és a Higgs-bozon A 2013-as fizikai Nobel-díj A Nagy Hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) Megvan a Higgs-bozon! Tényleg ő az? Hogyan tovább?

3 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 3 A mikrovilág vizsgálata: nagy energia Tárgy méret, m energia 1 ev = kinetikus energia, amelyet 1 V átszelésekor szerez egy elektron 1 kev = 10 3 ev 1 MeV = 10 6 ev; 1 GeV = 10 9 ev 1 TeV = ev kicsi baktérium λ(fény) ev atom kev atommag GeV elektron TeV Nagyobb energia kisebb távolság mélyebb szerkezet

4 A Standard Modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan Kísérletileg messzemenően igazolva Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 4

5 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 5 A Standard Modell Elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítése és szétválasztása a BEH-mechanizmus jótékony közreműködésével (Igazából Anderson-Brout-Englert-Higgs- Guralnik-Hagen-Kibble mechanizmus, ) Vákuumhoz 4-komponensű, szimmetriasértő mező. Elrontott kombinált mértékszimmetriából leválasztunk jó elektromágnesest zérus tömegű foton, OK! Maradék: gyenge kölcsönhatás. Higgs-mező 3 szab. foka Z, W +, W tömege Megkaptuk a jó gyenge kölcsönhatást 3 nehéz bozonnal. Negyedik szab. fok: nehéz skalár bozon A tárgyak tömege NEM a Higgs-mechanizmustól van, csaknem tiszta energia!

6 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 6 A SM Higgs bozonja A Standard Modell Higgs (BEH) mechanizmusa: Spontán szimmetriasértés! Higgs-bozon: furcsa részecske, minden kvantumszáma zérus Létezik? SM: muszáj! A nagyközönség érdeklődése: viccek!

7 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 7 Viccek a Higgs-bozonról, előtte A 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 a pap: Magát nem szívesen látjuk itt.. Mire ő: Pedig nélkülem itt soha nem lesz tömeg! Angolul: But without me how can you have mass? (Mass: súlyos tömeg, embertömeg, mise)

8 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 8 Viccek a Higgs-bozonról, utána A bárba besétál egy Higgs-bozon. Csapos: Mi van? mire ő: Én!! A Higgs-bozon felfedezése rossz viccek ősrobbanásához vezetett. A Higgs-bozon felfedezését a fizikusok tömegesen ünnepelték. A Higgs-mező szabályozása valóban lehetővé tenné a tömegpusztító fegyvereket. Nem tudom, mi a csuda az, de klassz, hogy felfedezték! Gondosan ellenőrizni kell. A múltkor is azt hittem, Higgs-bozont találtam az ágyam alatt, de csak egy üveggolyó volt. Összeveszett a top-kvark a Higgs-bozonnal. A kvark elrohant, mert a bozon csak a súlyát emlegette, semmi mást nem mondott magáról. Jó, hogy megvagy, Isten-részecske. Én csak egy átlagember vagyok, aki nem ért téged.

9 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 9 Magyarázatok, analógiák Mozgás közegben Vízben futás, híresség fékeződése emberek között. Megmagyarázza a különböző tömegeket, de nem a Higgs-mezőben való mozgás hozza létre a részecske tömegét. Elektromos mező Töltött részecskére hat, semlegesre nem. A Higgs-mező a legtöbb részecskével kölcsönhatásba lép, tömeget adva nekik, a fotonnal és a gluonokkal viszont nem, azoknak zérus marad a tömege. Szivárvány Vákuumban mindenféle fénynek azonos a sebessége, közegben viszont felbomlik: a kölcsönhatás (szóródás) miatt a hosszabb hullámhosszú kevésbé szóródik, gyorsabban halad. Különböző részecskékre a Higgs-mező különbözőképpen hat, ezért különböző a tömegük.

10 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 10 A történet: Spontán szimmetriasértés Mechanizmus: Anderson javasolja 1963-ban Kidolgozzák és publikálják: F. Englert és R. Brout: P. Higgs: G.S. Guralnik, C.R. Hagen és T.W.B. Kibble: Skalár bozon: Peter Higgs, Bozon megfigyelve: ATLAS és CMS, 2012 Nobel-díj: F. Englert és P. Higgs, 2013 Az elnevezés (vitatéma) Igazságos: Higgs-bozon, BEH-mechanizmus Igazságtalan: Higgs-mechanizmus, -potenciál, -tér

11 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 11 Hol van a Higgs-bozon? Igazából 1972-ben kezdődött az életem, mint bozon Peter Higgs: My Life as a Boson: The Story of The Higgs, Int. J. Mod. Phys. A 17 Suppl. (2002)

12 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 12 A CERN 20 tagországa +Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Horvátország, Töröko., Brazília, Oroszo.

13 A CERN és környéke Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 13

14 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 14 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia)

15 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 Atomki, Debrecen, p. 15

16 Az LHC már készen Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 16

17 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 17 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!!

18 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 18 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban 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

19 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 19

20 A CMS mágnese Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 20

21 A CMS belső része Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 21

22 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 22 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

23 A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 23

24 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 24 Worldwide LHC Computing Grid A CMS-kísérlet fő WLCG-állomásai Wigner FK Tier-2: 500 CPU, 255 TB, CMS és ALICE VO ATOMKI Tier-3: csatlakozás 2013-ban 2013: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települt!

25 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 25 A CMS-együttműködés, 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

26 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 26 Higgs-bozon keltése az LHC-nál g q H g gluon-fúzió q q _ q W,Z _ q H vektorbozonfúzió

27 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 27 A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor

28 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p május: ATLAS és CMS lát valamit? Mindenki lát (utólag még az amerikai TEVATRON is) egy kevés többletet a Standard Modell Higgs-bozon nélküli jóslata fölött, de sehol sem igazán jelentős A mért adatnak kísérleti bizonytalansága van (σ). Forrása: észlelések száma és minősége, szimulációk egyezése kísérlettel, felhasznált korábbi adatok bizonytalansága. Megállapodás: felfedeztünk valami újat, ha az ismert háttérből az a kísérleti bizonytalanság ötszörösével (5σ) kiemelkedik MTA, : Már 3σ többlet, 2012-ben felfedezésre itélve??

29 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p 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 részecskét a SM Higgs-bozonjának megfelelő tulajdonságokkal. François Englert és Peter Higgs első találkozása

30 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 30 Melbourne, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)

31 Melbourne, 2012 július 4. Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 31

32 CERN, 2012 július 4. Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 32

33 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 33 Higgs-bozon, 2012 aug. 17. ATLAS: 2931 szerző, 4 magyar (75% tanítványom) CMS: 2899 szerző, 21 magyar

34 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 34

35 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 35 CMS: H γγ (VBF) Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.

36 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 36 H γγ tömegspektrum, 2012 aug. CMS ATLAS

37 CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 37

38 CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 38

39 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 39 Tömeg bomlási valószínűség < M H >= ± 0.3(stat) ± 0.3(syst) CMS-PAS-HIG : Combination

40 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 40 Ez a SM Higgs-bozonja? Az új részecske Higgs-bozon. A Standard Modellé? Minden adata közeli a Standard Modellhez (CMS-PAS-HIG : 2013 március)

41 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 41 Hogyan állunk 2013 végén? Ez egy Higgs-bozon, és nagy valószínűséggel a Standard Modellé: skalár bozon, S = 0 + Tömege, bomlási módusokra { } átlagolva: +0.5 ATLAS: ± 0.2(stat) (sziszt) GeV/c CMS: ± 0.3(stat) ± 0.3(sziszt) GeV/c 2 Az észlelt keletkezési valószínűség a különböző bomlási módusok összegeként, a SM előrejelzéseihez 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 :-)

42 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 42 Fizikai Nobel-díj, 2013 A fizikai Nobel-díjat François Englert and Peter W. Higgs kapta azon mechanizmus elméleti felfedezéséért, amely hozzájárul ahhoz, hogy megértsük a szubatomi részecskék tömegének eredetét, és amelyet mostanában megerősített a megjósolt alapvető részecske felfedezésével a CERN Nagy hadron-ütköztetőjénél az ATLAS és CMS kísérlet. Rolf-Dieter Heuer, a CERN főigazgatója, bejelenti a Nobel-díjat az ATLAS és CMS közös irodaépületében.

43 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 43 Mit jelent M H = 126 GeV? Konferencia Madridban: Why M H = 126 GeV?: Rengeteg a spekuláció! Az elmélet stabilitási határán van. Instabil, ha nem-fizikai Higgs-mező jelenik meg nagyobb energiákon. Ha stabil, Planck-energiáig (10 18 GeV) jó. Nagyon pontosan meg kell határozni a tömegét. Valaki viccelődik velünk??? Antropikus elv újabb jele???

44 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 Atomki, Debrecen, p. 44

45 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 45 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. De egyelőre nagyon annak látszik és hozott egy Nobel-díjat!

46 Horváth Dezső: Higgs-bozon Atomki, Debrecen, p. 46 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, HEPHY!) Köszönöm a figyelmet!