Egzotikus részecskefizika

Átírás

1 Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. Horváth Dezső MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.1

2 Egzotikus (új?) részecskefizika Az előadás vázlata: Minek egy új fizika és mi benne az új? Szuperszimmetria és keresése Extra dimenziók? Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.2

3 A részecskefizika állatkertje Fermionok: anyagi részecskék Bozonok Kvarkok Leptonok közvetítők A Higgs-bozont kivéve mindet észleltük Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.3

4 A CERN gyorsítórendszere Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.4

5 A CERN és környéke Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.5

6 Az LHC eltérítő-mágnesei 1232 szupravezető mágnes (már mind az alagútban) (L = 15 m, M = 35 t, T = 1.9 K, B = 8.3 T) Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.6

7 Az LHC mágnesei összeszerelve Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.7

8 Az LHC CMS detektora Súly: tonna, több vas, mint Eiffel toronyban > 2600 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 Tanszék 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: LHC Computing Grid RMKI és ELTE RMKI: 250 CPU, 45 TB tároló Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.8

9 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.9

10 Konkrét fizikai célok Higgs-részecskék keresése Trócsányi Zoltán (DE) előadása Hadronzáporok elemzése nehézionfizika Lévai Péter (RMKI) előadása Új fizika (főként szuperszimmetria) keresése Minek az új fizika? Miért nem jó a régi? Hiszen kitűnően leír minden kísérleti eredményt! Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.10

11 A Standard Modell problémái 1 Gravitáció? S = 2 graviton? Aszimmetriák: jobb bal világ antivilág Mesterséges tömegkeltés: Higgs-tér kívülről Rengeteg alapvető részecske: = 13 bozon 3 2 (2+3 2) = 48 fermion 2 (L+R)?? Periódusos rendszer?? Miért éppen 3 részecskecsalád? Eredetileg: Minek a müon?? Töltéskvantálás: Q e = Q p, Q d = Q e /3 Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.11

12 A Standard Modell problémái 2 19 szabad paraméter: sok vagy kevés az Univerzum leírásához? Mengyelejev soknak találná. Univerzum tömegének 20%-a láthatatlan, de gravitáló, a galaxisokban csomósodó hideg sötét anyag Mi lehet?? A SM három kölcsönhatási állandója összetart, de nem találkozik nagy energián. Egyesülő kölcsönhatások? Természetesség: A Higgs-bozon tömege divergál, fermion-bozon szimmetria eltüntetné. Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.12

13 Szuperszimmetria (SUSY) A problémákat mind megoldaná, ha a fermionok és bozonok párban léteznének, spinen kívül azonos tulajdonságokkal (tömeg, töltés) A fermionok SUSY-partnerei Leptonok (S = 1 2 ) skalár leptonok (S = 0) e, µ, τ ẽ, µ, τ ν e, ν µ, ν τ ν e, ν µ, ν τ Kvarkok (S = 1 2 ) skalár kvarkok (S = 0) u, d, c, s, t, b ũ, d, c, s, t, b X L, X R X 1, X 2 Antirészecske antipartner Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.13

14 A bozonok SUSY-partnerei Elemi bozon spin SUSY-partner spin foton: γ 1 fotínó: γ (bínó: B 0 1 ) 2 gyenge bozonok: 1 wínó: W +, W ( W 0 1 ) 2 Z, W +, W 1 1 zínó: Z 2 1 gluonok: g 1,... g gluínó: g 1,... g Higgs-terek 0 higgszínók 2 H 0 1, H0 2, H+ 1, H 2 H 0 1, H 0 2, H + 1, H 2 3 graviton 2 gravitínó 2 Párosítás spontán szimmetriasértés (Higgs-mechanizmus) előtt Azonos számú szabadsági fok: S = 1 bozonoknál 2 helicitás Közös nevük gaugino (mértékínó?) Két Higgs-dublett 5 Higgs-bozon: h, H, A, H +, H Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.14

15 Szuperszimmetria? Minek? A szuperszimmetria nyilvánvalóan sérül: nem látunk ilyen részecskéket, (sokkal nagyobb tömeg?) Mire jó egy sérülő szimmetria? Higgs-mechanizmus: szimmetria-sértő tér tömeg, renormálás Higgs-tér sért egy létező szimmetriát SUSY bevezet egy nemlétezőt Mindez egy racionális, konzisztens elméletért.. a fizika alapvető egyenletei több szimmetriával rendelkeznek, mint az aktuális fizikai világ Frank Wilczek: In search of symmetry lost, Nature 433 (2005) 239 Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.15

16 A mérték-kölcsönhatások egyesítése Standard Modell: Nagy energián közelítő, de nem konvergáló mértékcsatolások SUSY: Tökéletes konvergencia GeV körül Nagy egyesítés energiája (GUE) Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.16

17 Szuperszimmetria: + és + elmélet természetessége Unverzum hideg, sötét anyaga (23 %): legkönnyebb SUSY-részecske kölcsönhatások egyesítése gravitáció is beilleszthető DE: SUSY-sértés mechanizmusa?? Sok különböző SUSY-modell Rengeteg új paraméter m 100 GeV alatt nem látunk SUSY-részecskét Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.17

18 SUSY-részecskék keresése SUSY-részecskék párban keletkeznek, közönséges és más SUSY-részecskére bomlanak Sötét anyag: legkönnyebb SUSY-részecske Végállomás (jel): Fermionsorozat hiányzó energiával Együttműködés elméleti kollégákkal: kiválasztott jellemző pontok ellenőrzése Adott modell és paraméterek számszerű előrejelzés a SUSY-tulajdonságokra és a reakciók valószínűségeire kísérletileg ellenőrizhető az LHC-nál! Luc Pape and Daniel Treille: Supersymmetry facing experiment: much ado (already) about nothing (yet) Reports on Progress in Physics 69 (2006) Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.18

19 SUSY-keresés Párban keletkezhet, csak másik SUSY-ra bomolhat A legkönnyebb (LSP) stabil, semleges, észlelhetetlen Tipikus SUSY-bomlások (LSP = χ 0 1 ): Jele: hiányzó energia skvark: q q+ g; q+ χ 0 1 slepton: l l+ χ 0 1 gluínó: g q+q+ χ 0 1 ; g+ χ 0 1 wínó: W e+ν e + χ 0 1 Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.19

20 Extra dimenziók? Kompakt (kicsi) extra dimenziókat elmélet általában megenged Mi van, ha viszonylag nagyok (TeV nagyságrendűek)? Milyen részecskék mozoghatnak benne? Arra: m 2 0 = E2 p 2 1 p2 2 p2 3 p2 4 p vagy a mi 3D téridőnkben mérve: m 2 E 2 p 2 1 p2 2 p2 3 = m2 0 +p2 4 + p Bizonyos modellekben az extra impulzus megmarad és az lehet a sötét anyag. Erre is készül CMS-ellenőrzés Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.20

21 Ütközőnyaláb hozama: luminozitás L = f n N 1N 2 A f : körfrekvencia; n: csomagok száma N 1,N 2 részecske/csomag; A: nyalábok átfedése σ hkm-ű reakció gyakorisága ε hatásfoknál R = εσl Integrális luminozitás: (fb 1 ) Gyorsító ütközési időszak R Ldt energia (fb 1 ) Tevatron 2 TeV ,5 LHC 14 TeV első pár nap 0,1 LHC 14 TeV első pár hónap 1 LHC 14 TeV első év (kis int.) 10 Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.21

22 Az LHC működésének első időszaka 1. Értsük meg a detektort: működés, trigger, kalibráció 2. Mennyire hiteles a szimulációnk? Leírja a SM folyamatait és a detektort? Egyezik a mért eloszlásokkal? 3. Keresd, amit vársz, vedd észre, amit nem vársz. Látunk eltérést (többletet) valamilyen eloszlásban a háttérszimulációhoz képest? Új fizika vagy hibás háttérbecslés? 4. Új fizika! Keresünk levágást valamilyen tömegeloszlásban. 5. Ha tényleg új fizika: SUSY vagy valami más? Melyik modell? Milyen paraméterekkel? Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.22

23 LHC: a Jó, a Rossz és a Csúf Jó Hatalmas felfedezési potenciál: nagy energia, sokféle ütközés, óriási luminozitás. Rossz Rettenetes SM háttér, az érdekesebb dolgok előfordulási gyakorisága Csúf Az érdekes folyamat mellett eseményenként még p-p ütközés, hatalmas kombinatorikus háttér. Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.23

24 SUSY elérési pontok µ ± µ ± eseményekkel A müondetektor jelentősége óriási! Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.24

25 Amit mi csinálunk Csináljuk: Stop-keresés LM1-ben Tervezzük: Töltött Higgs-bozon keresése gluon-fúzióban Extra-dimenziós jelenségek keresése Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.25

26 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA T042864, T és NK67974 EU FP6 MC-ToK és III Megértő együttműködő partnereink Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.26

27 A Standard Modell paraméterei 19 szabad paraméter: túl sok?? 3 csatolás: α, Θ W, Λ QCD 2 Higgs: M H, λ 9 fermion-tömeg: 3 M l, 6 M q CKM-mátrix 4 paramétere: Θ 1, Θ 2, Θ 3, δ QCD-vákuum: Θ M ν > 0 +7 paraméter Horváth Dezső: Egzotikus részecskefizika CMS-miniszimpózium, Debrecen, nov. 7. p.27