A természet legmélyebb szimmetriái

Átírás

1 A természet legmélyebb szimmetriái Horváth Dezső RMKI, Budapest és ATOMKI, Debrecen Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.1

2 Vázlat Szimmetriák a részecskefizikában A CPT invariancia Anyag és antianyag: kísérletek lassú antiprotonokkal Szuperszimmetria és a Standard Modell Új részecskék keresése: LEP és LHC Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.2

3 Szimmetriák Mélyebb mikroszerkezet nagyobb szerep szimmetriáknak A részecskefizikában még fontosabbak, mint a kémiában vagy a szilárdtestfizikában Térelmélet: Noether tétel Globális szimmetria megmaradó mennyiség Eltolás térben impulzus Eltolás időben energia Forgatás impulzusmomentum Tükrözés paritás Mértékszimmetria töltés (elektromos, fermion ) Fermilab és SLAC ismeretterjesztő folyóirata: symmetry dimensions of particle physics Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.3

4 A Standard Modell elemi részecskéi leptonok fermion-dublettek (S = 1/2) ν e e L ν µ µ L ν τ τ L töltés 0 1 kvarkok u d L c s L t b L +2/3 1/3 Összetett részecskék színtelenek színes kvarkokból hadronok = mezonok (qq) + barionok (qqq) Nukleonok (I = 1 2 ): p = (uud) n = (udd) p = (uud) Pionok (I = 1): π + = (ud) π 0 = (uu - dd)/ 2 π = (ud) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.4

5 Kölcsönhatások Származtatásuk lokális mértékinvarianciából de az nem ad tömeget és divergál Standard Modell: Szabad Dirac fermion + lokális U(1) SU(2) szimmetria elektrogyenge kölcsönhatás (γ, Z, W ± ) + lokális SU(3) szimmetria erős kölcsönhatás (8 gluon) + Higgs tér spontán szimmetriasértéssel tömegek, integrálhatóság (Higgs-bozon) A részecskefizika legfontosabb feladata a szimmetriák vizsgálata Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.5

6 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) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. 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 Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. 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) Tokió Asakusa-negyede Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. 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) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. 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) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. 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) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.11

12 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: antihidrogén fékezőképesség ionizáció 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) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.12

13 Szuperszimmetria (SUSY): motiváció A Standard Modell elméleti problémái: Természetesség (hierarchia): Higgs-bozon tömege a korrekciók miatt négyzetesen divergál, ezt eliminálná, ha a fermionok és bozonok páronként léteznének. Sötét anyag: a Világegyetem tömegének túlnyomó része. Mi lehet, hogy nem észleljük, csak a gravitációs hatását? Gravitáció: nem illik bele a három másik kölcsönhatás (erős, elektromágneses, gyenge) rendszerébe. Kölcsönhatások összetartása: a SM csatolási állandói extrém nagy energián összetartanak, de nem egy pontban találkoznak. Ezeket egy fermion bozon szimmetria megoldaná. Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.13

14 Szuperszimmetria: partner-részecskék Tulajdonság részecske közönséges SUSY R-paritás +1-1 Spin fermion S = 1 2 S = 0 mértékbozon S = 1 S = 1 2 Higgs-bozon S = 0 S = 1 2 graviton S = 2 Kiralitás fermion X L, X R S = 3 2 X 1, X 2 Tömeg fermion M(X L = X R ) M( X 1 ) M( X 2 ) A töltések (elektromos, szín-) azonosak R-paritás: R = ( 1) 2S+3B+L S: spin, B: barionszám, L: leptonszám Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.14

15 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 Antirészecske antipartner X L, X R X 1, X 2 Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.15

16 A bozonok SUSY-partnerei Elemi bozon spin SUSY-partner spin 1 foton: γ 1 fotinó: γ 2 1 gyenge bozonok: 1 zinó: Z 2 Z, W +, W 1 winó: W +, W gluonok: g 1,... g gluinó: g 1,... g 8 Higgs-terek 0 higgszinók H 0 1, H0 2, H+ 1, H 2 H 0 1, H 0 2, H + 1, H 2 graviton 2 gravitinó Két Higgs-dublett 5 Higgs-bozon: h, H, A, H +, H Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.16

17 Szuperszimmetria? Szuperszimmetria nyilvánvalóan sérül: nincsenek ilyen részecskék, legfeljebb sokkal nagyobb tömeggel Mire jó egy sérülő szimmetria? Higgs-mechanizmus: szimmetriasértő tér tömegek, renormálhatóság A Higgs tér sért egy létező szimmetriát SUSY bevezet egy nem-létezőt Mindez egy racionális, kiszámítható elméletért Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.17

18 Szuperszimmetria: + és elmélet természetessége + világegyetem hideg sötét anyaga (23 %) kölcsönhatások egyesítése gravitáció beépítése DE: SUSY-sértés mechanizmusa?? sokféle modellfelépítés rengeteg új paraméter m 100 GeV alatt nem látjuk Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.18

19 MSSM Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modell Sok egyszerűsítő megszorítás (határfeltétel), > vagy 6 paraméter, pl.: m 1/2 : fermiontömegek a nagy egyesítés energiájánál (GUE GeV) m 0 : bozontömegek (GUE) A 0 : SUSY-sértő hármas (X Y Higgs) csatolási állandók (GUE) tanβ = v 1 /v 2 : felső és alsó Higgs-tér vákuumbeli várható értékének hányadosa m A : az egyik Higgs-bozon tömege µ: Higgszinók keveredési paramétere Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.19

20 SUSY-részecskék észlelése Ha részecskeállapotok keveredhetnek, keverednek Kísérlet tömeg-sajátállapotokat kereshet Charginók: { W +, W, H + 1, H 2 } { χ± 1, χ± 2 } Neutralinók: { γ, Z, H 0 1, H 0 2 } { χ0 1, χ0 2, χ0 3, χ0 4 } Keressünk szuperszimmetrikus partnereket! Tulajdonságaik modell- és paraméterfüggők Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.20

21 SUSY-részecskék keresése R-paritás megmarad Keletkezés párokban, bomlás közönséges és SUSY-részecskékre Legkönnyebb SUSY-részecske (LSP) észlelhetetlen észleléskor hiányzó energia Melyik a legkönnyebb SUSY-részecske? Modellfüggő. MSSM: χ 0 1 ; GMSB: G Keresés a CERN-ben: LEP, ; LHC, 2007 Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.21

22 A CERN gyorsítói LEP 2000 ig LHC 2007 től? Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.22

23 A néhai LEP gyorsító Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.23

24 A néhai LEP gyorsító Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.24

25 Omni Purpose Apparatus for LEP Large Electron Positron collider, Az OPAL magyar résztvevői: diplomamunkás doktorandusz OPAL PhD Csilling Ákos RMKI 2000 γγ Dienes Beatrix ATOMKI 1997 QCD Hajdu Csaba RMKI 1995 Higgs Horváth Dezső RMKI & ATOMKI 1995 Higgs Hudácskó Attila DE 2003 γγ Igó Kemenes Péter Heidelberg Higgs ifj. Krasznahorkay Attila DE γγ Pálinkás József DE & ATOMKI QCD Patay Gergely BME W Pásztor Gabriella RMKI 1995 Higgs Trócsányi Zoltán DE & ATOMKI 1997 QCD Ujvári Balázs DE 2001 γγ Vértesi Róbert DE & RMKI 2002 γγ Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.25

26 θ ϕ! "!! $ # % A néhai OPAL detektor m Ø10 m * ) ( '& ( Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.26

27 Tipikus OPAL-esemény e + e W + W 4 kvark 4 hadronzápor 75 töltött részecske Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.27

28 SUSY-részecskék keresése a LEP-nél Nagyon bonyolult: nehéz megkülönböztetni SM-reakcióktól. Példa: skalár lepton e + e l + l Bomlás pl. l ± χ 0 1 l± modellfüggő valószínűséggel Keresünk e + e l + l + hiányzó energia reakciót Fő háttér: e + e W + W l + νl ν LEP-eredmény (ALEPH + DELPHI + L3 + OPAL): Nem látunk szuperszimmetrikus részecskét m GeV alatt (kinematikai határ) Statisztikus analízis kizárási régiók többdimenziós paramétertérben Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.28

29 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 Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.29

30 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 : Manchester) (vegyes : Hajdu Csaba) (hadronos : HD) Előzetes OPAL-összesítés (Pásztor Gabriella): m H ± > 75.5 GeV (95%) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.30

31 Az LHC CMS detektora Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.31

32 Az LHC CMS detektora Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.32

33 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) 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 Eseménytárolás: 10 PB/év adat, 10 PB/év MC Adatkezelés: LHC Computing Grid RMKI (BUDAPEST): 100 PC, 7 TB HD Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.33

34 Keresés a CMS nél Proton-proton-ütközésből (uud + uud) sok hadron LHC: regisztrált eseményben p-p kölcsönhatás Tiszta jel: nyalábra merőleges lepton vagy zápor, Nagyobb tömegű részecskét könnyebb azonosítani. Higgs-tömeg m H < 120 GeV m H < 150 GeV m H < 2m Z 2m Z < m H < 700 GeV m H > 350 GeV kedvező reakció pp HW b blν H γγ H WW l + νl ν H ZZ l + l l + l H W + W l + νl ν H ZZ l + l q q H tt W + b W b Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.34

35 H ZZ eeqq a CMS nél Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.35

36 H γγ a CMS nél A CMS elektromágneses kaloriméterét erre optimalizálták Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.36

37 SUSY-keresés a CMS nél Jel: SUSY-pár részecskéi fermion + könnyebb SUSY... fermionok + LSP Fermionsorozat hiányzó transzverzális energiával g b b χ 0 2 b b l + l b b χ 0 1 l+ l bb Tömegmérés: M inv (l + l ) maximális értéke M( χ 0 2 ) M( χ0 1 ) Mérés valamennyi modell valamennyi paraméterértékére?? Együttműködés elméleti kollégákkal: kiválasztott jellemző pontok ellenőrzése Adott modell és paraméterek számszerű előrejelzés a SUSY-tulajdonságokra és a reakciók valószínűségeire kísérletileg ellenőrizhető! Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.37

38 Összegzés Az LHC 2007-ben indul, de csak kis intenzitással Felfedezések 2008-tól remélhetők A 14 TeV ütközési energia mindenre elegendő: Higgs-bozon(ok), SUSY-részecskék Precíz mérésekhez e + e ütköztető kell: International Linear Collider (ILC) LHC tervezése LEP építése előtt elindult ILC tervein már dolgoznak, csak pénz nincs még rá ITER európaisága baljós, ILC-ben meg kell tudnunk állapodni Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.38

39 Köszönetnyilvánítás ASACUSA együttműködés OPAL együttműködés CMS együttműködés Tokiói Egyetem OTKA T033079, T és T TéT JAP-4/00 EU FP6 MC-ToK és IST Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.39

40 Köszönöm a figyelmet Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.40

41 SUSY-modellek Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.41

42 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) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.42

43 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) Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.43

44 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. Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.44

45 A SM diadalmenete a LEP-nél Summer 2004 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] ± Összes kísérlet többszáz mért adatából Kilógó mennyiség változik Most: e + e Z b b előre-hátra asszimmetriája Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.45

46 Nem találtunk új részecskét a LEP-nél, építsünk LHC-t! Horváth Dezső: A természet legmélyebb szimmetriái Ortvay-kollokvium, dec. 16. p.46