Mikrovilág és a Higgs-bozon

Átírás

1 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 1/58 Mikrovilág és a Higgs-bozon BME Wigner Jenő Szakkollégium, Horváth Dezső horvath.dezso@wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen

2 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 2/58 Vázlat Részecskék és kölcsönhatások A standard modell és a Higgs-bozon (MTA, : Felfedezésre itélve?) A Nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet Megvan a Higgs-bozon? Igen! Mit mondhatunk és mit nem? Tervek, kilátások

3 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 3/58 Előszó A (részecske)fizika egzakt tudomány: A fizika univerzális nyelve a matematika, pontos matematikai formalizmuson alapszik. Egy elmélet érvényes, ha kiszámítható, és eredménye egyezik a kísérlettel. Az igazi fogalmak mérhető mennyiségek, a szavak csak mankók. Szavak mögött pontos matematika és kísérleti tapasztalat Alapkérdés: milyen pontossággal adja vissza az elméleti számítás a mérések eredményét? Számítás nélkül nincs fizika, csak spekuláció... de a fizika kísérleti tudomány!

4 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 4/58 Kvantumfizika: valószínűségi leírás Einstein: Isten nem dob kockát! De mégis igaz... Minden kísérleti tény igazolja, pedig nem szemléletes Egyetlen pontszerű elektron egy fésű minden résén egyszerre átmegy A csillagból jövő fénysugár gömbfelületen terjed, mégis egészében a távcsőben végzi. Az atomi elektron gömbfelületi pályáján nem mozoghat, mert sugározna, csak egyszerre minden pontjában ott van bizonyos valószínűséggel. Nem tudjuk, egyetlen bomlékony részecske mikor fog elbomlani, csak azt, hogy adott időn belül mekkora valószínűséggel bomlik. A matematikai leírás minden adatot szépen visszaad!

5 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 5/58 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

6 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 6/58 A standard modell Kölcsönhatások mértékszimmetriákból zérus tömegek 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. BEH-mező 3 szab. foka Z, W +, W tömege Gyenge kölcsönhatás 3 nehéz bozonnal + fermiontömegek Negyedik szab. fok: nehéz skalár bozon A tárgyak tömege NEM a BEH-mechanizmustól van, a nukleonok tömege csaknem tiszta energia!

7 A standard modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan Kísérletileg messzemenően igazolva Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 7/58

8 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 8/58 A SM Higgs bozonja A standard modell Higgs (BEH) mechanizmusa: Spontán szimmetriasértés! Higgs-bozon: kvantumszámok nélküli (mindene 0), furcsa részecske Létezik? SM: muszáj, kell egy skalár bozon!

9 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 9/58 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)

10 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 10/58 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.

11 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 11/58 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: djm/higgsa.html

12 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 12/58 Magyarázatok, analógiák Mozgás közegben Vízben futás, híresség fékeződése emberek között. Megmagyarázza a különböző tömegeket, de nem a BEH-mezőben való mozgás hozza létre a részecske tömegét. Elektromos mező Töltött részecskére hat, semlegesre nem. A BEH-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 BEH-mező különbözőképpen hat, ezért különböző a tömegük.

13 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 13/58 Spontán szimmetriasértés: a történet 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, -mező

14 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 14/58 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)

15 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 15/58 A CERN 21 tagországa Izrael 2013 Románia 2015 Szerbia, Ciprus, Ukrajna, Pakisztán tagjelöltek Brazília, Szlovénia, Töröko. tárgyalnak

16 A CERN és környéke Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 16/58

17 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 17/58 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia)

18 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 18/58 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: ?

19 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: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 19/58

20 Az LHC már készen Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 20/58

21 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 21/58 CMS (Compact Muon Solenoid) Compact Muon Solenoid: tonnás digitális kamera 2012: 20 M kép/s, 1000 GB/s adat (2015: 40 MHz) Tárolás: max. 400 kép/s intelligens adatszűrés!!

22 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 22/58 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 helyzetmeghatározó 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

23 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 23/58 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

24 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 24/58

25 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 25/58 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

26 A CMS mágnese Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 26/58

27 A CMS belső része Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 27/58

28 A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 28/58

29 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 29/58 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!

30 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 30/58 A WLCG BUDAPEST állomása 1. helyezés megbízhatóság és rendelkezésre állás szerint a CMS 53 Tier-2 állomása között folyamán fizikus fejleszti és tartja üzemben: 1 főállású és egy doktorandusz

31 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 31/58 Higgs-bozon keltése az LHC-nál g q H g gluon-fúzió q q _ q W,Z _ q H vektorbozonfúzió

32 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 32/ március A 2011-es CMS-adatokból: 114 < M H < 127 GeV (at 95% CL) (egymással versengő folyamatok!) Legjobban azonosítható: H γγ A Higgs-bozon bomlása Eseménytöbblet: 2...3σ 125 GeV-nél

33 A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 33/58

34 Higgs-keresés az LHC-nál: megvan! Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 34/58

35 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 35/58

36 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 36/ 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??

37 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 37/ 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

38 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 38/58 Melbourne, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)

39 Melbourne, 2012 július 4. Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 39/58

40 CERN, 2012 július 4. Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 40/58

41 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 41/58 Higgs-bozon, 2012 aug. 17. ATLAS: 2931 szerző, 4 magyar (75% tanítványom) CMS: 2899 szerző, 21 magyar

42 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 42/58 CMS: H γγ (VBF) Bomlási pont a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.

43 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 43/58 H γγ tömegeloszlása CMS ATLAS

44 CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 44/58

45 CMS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 45/58

46 ATLAS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 46/58

47 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 47/58 Ez a SM Higgs-bozonja? A különböző bomlási módusok valószínűsége a SM előrejelzéseihez képest 126 GeV-es Higgs-bozonra CMS átlaga, 2012 november: 0.88 ± 0.21 ATLAS átlaga, 2012 november: 1.3 ± 0.3 Közeledünk a SM-hez (sajnos :-) ATLAS és CMS, április 15: Nagyon úgy néz ki, hogy a SM Higgs-bozonját találtuk meg. Minden megfigyelt tulajdonsága arra vall.

48 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 48/58 Hogyan jutottunk idáig? CMS szándéknyilatkozat: 1992 (475 szerző) Technikai tervek (8 többszáz oldalas mű): Detektor jórészt felépítve a felszínen: Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés: LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd : 7 TeV, összegyűjtött luminozitás 0.04 fb : 7 TeV, 5.6 fb április december: 8 TeV, 25 fb 1 LHC fejlődése: : 140-szeres luminozitás : 7 8 TeV, cca. ötszörös luminozitás

49 CMS-vezérlő, 2012 május 2, 15h 45p DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelő: HD Ügyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 49/58

50 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 50/58 Adatminősítés, eseményrekonstrukció Globális, online ellenőrzés: Data Quality Monitoring Offline DQM aldetektoronként. Budapest és Debrecen: Tracker-adatok minősítése (Wigner FK CMS-állomásán!) Eseményrekonstrukció Tier-0-ban. Tárolás Tier-1-ben, analízis Tier-2-ben és Tier-3-ban (Particle flow: aldetektorok jeleinek összevarrása). CERN-i Tier-0 Bolognai Tier-1 budapesti Tier-2 debreceni Tier-3 A Wigner FK CMS-állomása Hajdu Csaba építette, átadva 2012 márciusában. 60 műszak!

51 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 51/58 Vak adatelemzés szimulációk alapján Vak adatelemzés: addig mért adatokhoz nem nyúlunk, amig nem rögzítettük az elemzés módszerét (eseményválogatás, jel- és háttérszerűség valószínűsége). Több párhuzamos analízis ugyanarra különböző módszerrel. Analysis Note-ok ( oldalon), a legjobbat fogadjuk el: Tisztaság, hatásfok, szisztematikus szórás, átláthatóság. Analysis Note-ok egész CMS előtt, konkurrensek vitája.

52 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 52/58 CMS: 78 p-p ütközés egyszerre! Sok p-p ütközés lehet ugyanabban az eseményben (csomag-ütközésben). Rekord: 78 azonosított p-p ütközés. Adatmennyiséget növeli, de elemzést nehezíti.

53 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 53/58 Mit mondhatunk és mit nem? Csak teljes jóváhagyás után beszélhetünk az eredményekről. ATLAS kiszivárogtatta a júl. 4-i eredményt Nature-nek, CMS megerősítette. A két TEVATRON-kísérlet meg egyből látta a 125 GeV-es Higgs-bozont elhanyagolható szignifikanciával (ugyanazok a fizikusok ). Egy ATLAS-os (mi lett vele?) tavaly fel is fedezte a Higgs-bozont 140 GeV-nél. Csak jóváhagyott (elfogadott Physics Analysis Summary-ban levő) ábrákat, adatokat mutathatunk. Konferencia előtt próbaelőadások. Joe Incandela július 4-i előadását a CMS 4-órás videokonferencián próbálgatta előző délután.

54 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 54/58 ATLAS és CMS: barátságos versengés Az amerikai Tevatronnál, amit az egyik kísérlet felfedezett, a másik később gyakran megcáfolta. ATLAS és CMS megállapodott, hogy ha valamelyik felfedez valamit, a szóvívő elmondja a főigazgatónak, aki odahívja a másik szóvívőt és megkéri, ellenőrizzék. Erre most nem volt szükség. CMS és ATLAS megállapodott, hogy nem használja a Discovery (felfedezés) szót, csak az Observation -t (megfigyelés). Egy időben, egymás után mondjuk el az új eredményeket, előre megállapodott menetrend alapján. Azonos folyóirat ugyanazon számában publikáltuk az új részecske (Higgs-bozon) megfigyelését.

55 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 55/58 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.

56 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 56/58 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!

57 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 57/58 Konklúzió helyett "Van egy elmélet, miszerint, ha egyszer kiderülne, hogy mi is valójában az Univerzum, és mit keres itt egyáltalán, akkor azon nyomban megszűnne létezni, és valami más, még bizarrabb, még megmagyarázhatatlanabb dolog foglalná el a helyét" "Van egy másik elmélet, amely szerint ez már be is következett" Douglas Adams: Vendéglő a világ végén (Nagy Sándor fordítása)

58 Horváth Dezső: Mikrovilág és Higgs-bozon BME, p. 58/58 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Innovációs Hivatal Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, NK81447, K72172, K81614, K103917, K109703, H07B és H07C EU FP6 MC-ToK és FP7 III Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia Megértő együttműködő partnereink (CERN, ETHZ, HEPHY!) Köszönöm a figyelmet!