Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata a CERN ben

Átírás

1 Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata a CERN ben Horváth Dezső horvath@rmki.kfki.hu. RMKI, Budapest és ATOMKI, Debrecen 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.1

2 50 éves a CERN! Tűzijáték látványterve a CERN alapításának 50. évfordulója alkalmából Genf hivatalos ünnepén augusztus 1. Szimulált Higgs-esemény az LHC-n 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.2

3 Szimmetriák Részecskefizikában még fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether tétel: Globális szimmetria megmaradási törvény Eltolás térben impulzus Eltolás időben energia Forgatás impulzusmomentum Tükrözés paritás Elektromágneses mérték töltés 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.3

4 Kölcsönhatások Származtatásuk lokális mértékinvarianciából de az nem ad tömeget és divergál Standard Modell: Szabad Dirac fermionhoz lokális U(1) SU(2) szimmetria elektrogyenge SU(3) szimmetria erős kölcsönhatás + Higgs tér spontán szimmetriasértéssel tömegek, integrálhatóság, konzisztencia Részecskefizika legfontosabb feladata a szimmetriák vizsgálata 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.4

5 CPT invariancia Töltéstükrözés: Tértükrözés: Időtükrözés: C p(r,t)> = p(r, t)> P p(r, t)> = p( r, t)> T p(r, t)> = p(r, t)> Erős és elektromágneses kölcsönhatás tartja a paritást és a CP t, gyenge sérti mindkettőt Alapvető fizikai törvény: CPT p(r, t)> = p( r, t)> = p(r,t)> antirészecske részecske amely térben és időben visszafelé megy. Legpontosabb CPT teszt: [m(k 0 ) m(k 0 )]/m(average) < (mezon szektor) 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.5

6 A CERN gyorsítói 1996 ig 2007 től? 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.6

7 A CERN antiproton lassítója (AD) a CPT invariancia ellenőrzésére épült Három CPT kísérlet az AD-nál: ATRAP: q(p)/m(p) q(p)/m(p) H(2S 1S) H(2S 1S) ATHENA: H(2S 1S) H(2S 1S) ASACUSA: q(p) 2 m(p) q(p) 2 m(p) µ l (p) µ l (p) Vörös: működik, zöld: tervben ASACUSA: Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons Tokió, CERN, Budapest, Debrecen 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.7

8 Az antiproton tömege és töltése Protoné jól ismert: m(p)/m(e) = (85) q(e) = (63) C Pontosság: és Relatív mérés: proton antiproton Ciklotron frekvencia csapdában q/m TRAP (LEAR) ATRAP (AD) Harvard, Jülich, München, Szöul Atomi átmenetek: E n m red c 2 (Zα) 2 /(2n 2 ) m q 2 PS-205 (LEAR) ASACUSA (AD) 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.8

9 Metastabil antiproton atomok Anyagban (gáz, folyadék, szilárd) τ(hadron) 1 ps kivéve X He: K, π : τ 0 ; p: 3 4 µs Lézerspektroszkópia antiprotonos héliumatomokon N. Morita et al, Phys. Rev. Lett. 72 (1994) éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.9

10 m(p),q(p) mérése Principal quantum number p _ 4 He phe LEAR δm M p p [10 6 ] Q p / M p n= p _ 3 He allowed region phe AD + δq Q p p [10 6 ] metastable states 32 short-lived states n=31 l = Orbital quantum number Felső határ CPT sértésre: 10 ppb (10 8 ) M. Hori, J. Eades, R. S. Hayano, T. Ishikawa, W. Pirkl, E. Widmann, H. Yamaguchi, H. A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 91 (2003) éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p

11 ;1 8 <= 2 ; * - - ) - - ( - - ' - - # - - " -! NQ P N WM T XY N WM T T H H F H H E H H D I H H H H? H H > H A phe + atom finomszerkezete F =L 1/2 Sűrűségfüggés (T = 6 K) f (n,l ) ν HF F =L 1/2 J + =L ν SHF J =L 1,#& "#%$ &#+ "#%$ *#& "#%$ ν 0 / / : 9 / / 8/7 6 / &#) "#%$ F + =L +1/2 (n,l) ν HF ν HF + (#& "#%$ '#& "#%$ f + ν HF J ++ = L+1 F + =L+1/2 ν SHF + J + =L Nívóséma, frekvenciaspektrum C >?@ CB C >?A@ ν + B CB >?A@ ν HF ν HF BCG >?A@ L K M NO J K V U K K TKS R K FCB >?A@ 1.10 BCE >?A@ R ++ /R ++ off ν MW (GHz) DCB >?A@ Elmélet kísérlet p p CPT OK E. Widmann, R.S. Hayano, T. Ishikawa, J. Sakaguchi, H. Yamaguchi, J. Eades, M. Hori, H.A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 89 (2002) éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.11

12 Antiproton csatornázása ütközésekben A metastabil állapot kioltási hatáskeresztmetszetének hőmérsékletfüggése ( ) H 2, D 2 -vel történő ütközésekben: σ q = σ 0 exp E b kt + σ t Arrhenius függés + csatornahatás. σ t függ energiaküszöb magasságától és szélességétől H izotóptól és kvantumállapottól. (37,34) T (K) (38,37) T (K) (10 σ q -16 cm 2 ) cm 2 ) 1 (10 σ q H 2 D 2 H 2 D /T (1/K) /T (1/K) B. Juhász, J. Eades, R. S. Hayano, M. Hori, D. Horváth, T. Ishikawa, H. A. Torii, E. Widmann, H. Yamaguchi, T. Yamazaki: Chem. Phys. Lett., 379 (2003) 91; Juhász Bertalan: PhD dolgozat, Debrecen, éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.12

13 A jövő: lassú antiproton nyaláb Monoenergetic Ultra Slow Antiproton Source for High precision Investigations 5.8 MeV p AD RFQ 100 kev p RFQ csapda 10 6 p csapdában hűtve (2002) Lassú p kivezetve (2004) Cél: fékezőképesség egyszeres ionizáció magfizikai tanulmányok K. Yoshiki Franzen, N. Kuroda, H. A Torii, M. Hori, Z. Wang, H. Higaki, S. Yoneda, B. Juhász, D. Horváth, A. Mohri, K. Komaki, Y. Yamazaki: Rev. Sci. Instr., 74 (2003) éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.13

14 A néhai LEP gyorsító 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.14

15 A néhai LEP gyorsító 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.15

16 Omni Purpose Apparatus for LEP Large Electron Positron collider, résztvevő, 407 publikáció, hivatkozás (SPIRES) Magyar résztvevők: diplomamunkás doktorandusz OPAL PhD Csilling Ákos RMKI 2000 Dienes Beatrix ATOMKI 1997 QCD Hajdu Csaba RMKI 1995 Horváth Dezső RMKI & ATOMKI 1995 Hudácskó Attila DE 2003 γγ Igó Kemenes Péter Heidelberg ifj. Krasznahorkay Attila DE γγ Pálinkás József DE & ATOMKI Patay Gergely BME TGC Pásztor Gabriella RMKI 1995 H ± Trócsányi Zoltán DE & ATOMKI 1997 Ujvári Balázs DE 2001 γγ Vértesi Róbert DE 2002 γγ 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.16

17 OPAL: Publikációs aktivitás, éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.17

18 Hadron calorimeters and return yoke Electromagnetic calorimeters Muon detectors Az OPAL detektor Jet chamber Vertex chamber Microvertex detector y z θ ϕ x Forward detector Presampler Silicon tungsten luminometer Time of flight detector Solenoid and pressure vessel Z chambers 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.18

19 OPAL e + e W + W 4 kvark 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.19

20 Higgs-bozonok keresése A SM Higgs bozonja spin nélküli, semleges, nehéz részecske, nem találtuk meg 95% határ: GeV < M H < 219 GeV LEP keresés SM fitting SM kiterjesztése: 2 Higgs dublett h 0, A 0, H 0, H ± Semlegeseket nehéz SM Higgs-től megkülönböztetni. határozott különbség: H ± Keresés: e + e H + H 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.20

21 A töltött Higgs bozon keresése Képződés párban: e + e { H + H Bomlás nehéz fermionokra: H + τ + ν τ qq ( cs) Három csatorna három analízis: e + e H + H τ + ν τ τ ν τ τ + ν τ cs+ τ ν τ cs cscs (leptonos) (vegyes) (hadronos) (e + e H + H AW is készül) 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.21

22 e + e H + H qqτν OPAL Preliminary: H + H - qqτν, GeV Likelihoodeloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum a töltött Higgs-bozon két hipotetikus tömegére a félig leptonos csatornában Events / 0.05 Events / Signal*100 M H ± = 60 GeV Likelihood Signal*100 M H ± = 75 GeV Events / 2 GeV Events / 2 GeV OPAL data (166) 4-fermion 2-fermion M ± H = 60 GeV Signal SM bgr = Signal = Charged Higgs mass (GeV) Data = 315 SM bgr = Signal = 23.6 M H ± = 75 GeV (Hajdu Csaba) Likelihood Charged Higgs mass (GeV) 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.22

23 e + e H + H qqqq OPAL Preliminary: H + H - qqqq, GeV Likelihoodeloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum a töltött Higgs-bozon két hipotetikus tömegére a hadron csatornában Events / 0.05 Events / Signal*100 M H ± = 60 GeV Likelihood Events / 2 GeV Events / 2 GeV M H ± = 60 GeV OPAL data (595) 4-fermion 2-fermion Signal (60 GeV) SM bgr = Signal = Reconstructed mass (GeV) M H ± = 75 GeV Data = 1100 SM bgr = Signal = 62.1 (Horváth Dezső) 10 1 Signal*100 M H ± = 75 GeV Likelihood Reconstructed mass (GeV) 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.23

24 e + e H + H : tömeghatár Tömeg elágazási arány területek, ahogyan 95% konfidenciával a keresési csatornák külön-külön és együttesen kizárják a 2HDM modell keretein belül (Pásztor Gabriella). Előzetes OPAL-eredmény: m H ± > 75.5 GeV (95%) Br(τν) τντν qqτν qqqq Combined Expected Charged Higgs mass (GeV) OPAL Physics Note PN509, 2002; D. Horváth: Nucl. Phys. A, 721 (2003) 453c. 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.24

25 Nem találtunk Higgs-bozont a LEP-nél, építsünk LHC-t! 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.25

26 Az LHC CMS detektora 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.26

27 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Teljes súly: tonna, több vas, mint Eiffel toronyban > 2000 résztvevő a világ minden tájáról A világ legnagyobb (szupravezető) szolenoidja: átmérő 8 m, B = 4 Tesla Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektor pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizika Tanszék és ATOMKI Very Forward Calorimeter: RMKI Eseményszűrés: 4000 PC, 500 GBit/sec Adatkezelés: LHC Computing Grid RMKI (BUDAPEST): 100 PC, 7 TB HD 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.27

28 H ZZ eeqq a CMS nél 50 éves a CERN MTA, szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.28