A Higgs-bozon felfedezése: Nobel-díjas kaland

Átírás

1 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 1 A Higgs-bozon felfedezése: Nobel-díjas kaland A KÖMAL díjkiosztó ünnepsége, ELTE, 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 KÖMAL, ELTE, 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? Tervek, kilátások

3 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, 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 KÖMAL, ELTE, p. 4

5 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 5 A Standard Modell Elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítése és szétválasztása a Higgs-mechanizmus jótékony közreműködésével (Igazából Anderson-Englert-Brout-Higgs- Guralnik-Hagen-Kibble (BEH-) 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 KÖMAL, ELTE, p. 6 A SM Higgs bozonja A Standard Modell Higgs (BEH) mechanizmusa: Szimmetriasértés! Higgs-bozon: furcsa részecske, minden kvantumszáma zérus Létezik? SM: muszáj!

7 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, 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 KÖMAL, ELTE, p. 8 Viccek a Higgs-bozonról, utána A bárba besétál egy Higgs-bozon. A csapos megkérdezi: Mi van? mire ő: Én!! A Higgs-bozon felfedezése után a fizikusok tömegesen ünnepeltek. Nem tudom, mi a csuda az, de klassz, hogy felfedezték! Ellenőrizni kell. A múltkor is azt hittem, Higgs-bozont találtam az ágyam alatt, de csak egy üveggolyó volt. Jó, hogy megvagy, Isten-részecske. Én csak egy átlagember vagyok, aki nem ért téged.

9 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, 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 gyenge bozonokkal és a gyenge izospinnel rendelkező részecskékkel (fermionokkal) kölcsönhatásba lép, a fotonnal és a gluonokkal 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 KÖMAL, ELTE, p. 10 Spontán szimmetriasértés A történet: Mechanizmus: Anderson javasolja 1963-ban Kidolgozzák: F. Englert és R. Brout, 1964 P. Higgs, 1964 G.S. Guralnik, C.R. Hagen és T.W.B. Kibble, 1964 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 KÖMAL, ELTE, p. 11 A Standard Modell 40-éves 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 tavasza valamennyi kísérlet sokszáz eredményéből (de főként LEP-ből) Mért számolt /szórás Egyetlen (még statisztikán belül) eltérő adat e + e Z b b előre-hátra aszimmetriája LEP elektrogyenge munkacsoport:

12 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 12 Hol van a Higgs-bozon? Kísérletileg 2012-ig behatároltuk. LEP: M H > 114 GeV LHC: M H < 127 GeV +29 SM-fitt: M H = GeV Az elmélet szerint léteznie kell mert tömeget teremt és rendbeteszi a divergenciákat χ March 2012 LEP excluded Theory uncertainty α (5) had = ± ± incl. low Q 2 data m H [GeV] m Limit = 152 GeV LHC excluded 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)

13 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 13 A CERN 20 tagországa + +Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo.

14 A CERN és környéke Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 14

15 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 15 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia)

16 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 KÖMAL, ELTE, p. 16

17 Az LHC már készen Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 17

18 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 18 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!!

19 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 19 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

20 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 20

21 A CMS mágnese Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 21

22 A CMS belső része Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 22

23 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 23 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

24 A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 24

25 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 25 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: átadva, 2012 nov. 2013: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települt!

26 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 26 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

27 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 27 Higgs-bozon keltése az LHC-nál g q H g gluon-fúzió q q _ q W,Z _ q H vektorbozonfúzió

28 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 28 A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor

29 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, 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??

30 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, 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

31 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 31 Melbourne, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)

32 Melbourne, 2012 július 4. Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 32

33 CERN, 2012 július 4. Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 33

34 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 34 Higgs-bozon, 2012 aug. 17. ATLAS: 2931 szerző, 4 magyar (75% tanítványom) CMS: 2899 szerző, 21 magyar

35 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 35

36 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 36 CMS: H γγ (VBF) Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.

37 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 37 H γγ tömegspektrum, 2012 aug. CMS ATLAS

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

39 CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 39

40 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 40 CMS, 2013 március: M hkm. < M H >= ± 0.3(stat) ± 0.3(syst) CMS-PAS-HIG : Combination

41 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 41 Ez a SM Higgs-bozonja? Az új részecske Higgs-bozon. A Standard Modellé? Minden adata közeli a Standard Modellhez (CMS-PAS-HIG : 2013 március)

42 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 42 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 :-)

43 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 43 Fizikai Nobel-díj, 2013 The Nobel prize was awarded to François Englert and Peter W. Higgs "for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN s Large Hadron Collider." Rolf-Dieter Heuer, a CERN főigazgatója, bejelenti a Nobel-díjat az ATLAS és CMS közös irodaépületében.

44 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 44 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???

45 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 KÖMAL, ELTE, p. 45

46 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 46 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!

47 Horváth Dezső: Higgs-bozon KÖMAL, ELTE, p. 47 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!