Tényleg megvan a Higgs-bozon?

Átírás

1 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 1 Tényleg megvan a Higgs-bozon? CSFK CSI, 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 CSKI, 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? Hogyan tovább?

3 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, 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 CSKI, p. 4

5 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 5 A standard modell 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. 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 CSKI, p. 6 A SM Higgs bozonja A standard modell Higgs (BEH) mechanizmusa: Spontán szimmetriasértés! Higgs-bozon: furcsa részecske, minden kvantumszáma zérus Létezik? SM: muszáj! A nagyközönség érdeklődése: viccek!

7 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, 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 CSKI, p. 8 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.

9 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, 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 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 Higgs-mező különbözőképpen hat, ezért különböző a tömegük.

10 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 10 A történet: Spontán szimmetriasértés 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, -tér

11 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 11 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)

12 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 12 A CERN 20 tagországa +Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Horvátország, Töröko., Brazília, Oroszo.

13 A CERN és környéke Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 13

14 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 14 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia)

15 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 CSKI, p. 15

16 Az LHC már készen Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 16

17 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 17 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!!

18 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 18 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

19 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 19

20 A CMS mágnese Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 20

21 A CMS belső része Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 21

22 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 22 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

23 A CMS lezáró sapkája Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 23

24 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 24 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!

25 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 25 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

26 Higgs-keresés az LHC-nál: megvan! Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 26

27 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, 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 CSKI, p 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

29 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 29 A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor

30 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, 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??

31 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, 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

32 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 32 Melbourne, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)

33 Melbourne, 2012 július 4. Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 33

34 CERN, 2012 július 4. Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 34

35 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 35 Higgs-bozon, 2012 aug. 17. ATLAS: 2931 szerző, 4 magyar (75% tanítványom) CMS: 2899 szerző, 21 magyar

36 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 36

37 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 37 CMS: H γγ (VBF) Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.

38 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 38 H γγ tömegspektrum, 2012 aug. CMS ATLAS

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

40 CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 40

41 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 41 Tömeg bomlási valószínűség < M H >= ± 0.3(stat) ± 0.3(syst) CMS-PAS-HIG : Combination

42 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 42 Ez a SM Higgs-bozonja? Az új részecske Higgs-bozon. A standard modellé? Minden adata közeli a standard modellhez (CMS-PAS-HIG : 2013 március)

43 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 43 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 :-)

44 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 44 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.

45 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 45 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???

46 CMS-vezérlő, 2012 május 2, 15h 45p DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelő: HD Ügyelet: 1-1 spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 46

47 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 47 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!

48 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 48 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)

49 Horváth Dezső: Higgs-bozon CSKI, p. 49 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!