A csapból is Higgs-bozon folyik

Átírás

1 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 1/50 A csapból is Higgs-bozon folyik Trefort SzKI, Budapest, 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 Trefort SzKI, Budapest, p. 2/50 Vázlat Részecskék és kölcsönhatások Standard Modell és a Higgs-bozon A Nagy Hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) A Compact Muon Solenoid (CMS) kísérlet Megvan a Higgs-bozon? Mit mondhatunk és mit nem? Tervek, kilátások Apropó: Peter Ware Higgs angol (skót) fizikus ma 83 éves

3 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 3/50 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: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 4/50 Kvantumfizika: valószínűségi leírás Einstein: Isten nem dob kockát! De mégis... 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 matematika minden adatot szépen visszaad!

5 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 5/50 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: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 6/50 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: djm/higgsa.html

7 A Standard Modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan Kísérletileg messzemenően igazolva Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 7/50

8 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 8/50 A SM Higgs bozonja A Standard Modell Higgs mechanizmusa: Szimmetriasértés! Higgs-bozon: kvantumszámok nélküli, furcsa részecske Létezik? SM: muszáj!

9 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 9/50 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 tárgyak tömege NEM a Higgs-mechanizmustól van, csaknem tiszta energia!

10 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 10/50 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. 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) Nem értem, 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.

11 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 11/50 A CERN 20 tagországa + Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo.

12 A CERN és környéke Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 12/50

13 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 13/50 A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott kutató diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia)

14 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 14/50 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: LHC: ?

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 Trefort SzKI, Budapest, p. 15/50

16 Az LHC már készen Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 16/50

17 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 17/50 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 Trefort SzKI, Budapest, p. 18/50 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

19 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 19/50 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

20 Munka 160 müonkamrán Béni Noémi és Szillási Zoltán (Debrecen) Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 20/50

21 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 21/50 HF: kvarcszálak acélban Minden CERN-es magyar fűzte Szálkalibráció kész darabon

22 A CMS mágnese Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 22/50

23 A CMS belső része Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 23/50

24 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 24/50 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 települ!

25 A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 25/50

26 CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 26/50

27 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 27/ 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??

28 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 28/ 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. Vajon tényleg a Higgs-bozont látjuk? Az adatelemzés kihegyezve a SM Higgs-bozonra... De még be kell bizonyítanunk, hogy tényleg az, pl. H XY... valószínűségei SM szerintiek Csak egy Higgs-bozon van (nincs több, semleges vagy töltött)

29 Melbourne, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.) Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 29/50

30 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 30/50 Melbourne, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)

31 Melbourne, 2012 július 4. Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 31/50

32 CERN, 2012 július 4. Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 32/50

33 Higgs-bozon, 2012 aug. 17. Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 33/50

34 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 34/50 CMS: Higgs-cikk, 2012 aug. 17 CMS Collaboration: Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC Phys. Lett. B 716 (2012) a közben (20 év építés!) eltávozott résztvevőknek dedikálva 15 oldal cikk, utána 17 oldalon 2899 szerző, 19+3 magyar: Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest: Bencze György, Hajdu Csaba, Hidas Pál, Horváth Dezső 1, Siklér Ferenc, Veszprémi Viktor, Vesztergombi György 2, Zalán Péter ATOMKI, Debrecen: Béni Noémi, Czellár Sándor, Fenyvesi András, Molnár József, Pálinkás József, Szillási Zoltán Debreceni Egyetem: Karancsi János, Raics Péter, Trócsányi Zoltán, Ujvári Balázs, Zilizi Gyula Más színekben: Gutay László (Purdue), Banicz Károly (FNAL) és Veres Gábor 2 (CERN)

35 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 35/50 ATLAS: Higgs-cikk, 2012 aug. 17. ATLAS Collaboration: Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC Phys. Lett. B 716 (2012) szerző, 4 magyar Tóth József és Pásztor Gabriella (Wigner FK), ifj. Krasznahorkay Attila (New York U.) és Kövesárki Péter (Bonn U.)

36 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 36/50 CMS: H γγ (VBF) Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.

37 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 37/50 H γγ tömegeloszlása CMS ATLAS

38 CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 38/50

39 CMS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 39/50

40 ATLAS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 40/50

41 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 41/50 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.

42 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 42/50 Hogyan jutottunk idáig? CMS szándéknyilatkozat: 1992 (475 szerző) Technikai tervek (8 többszázoldalas 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

43 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 Trefort SzKI, Budapest, p. 43/50

44 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 44/50 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.

45 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 45/50 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.

46 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 46/50 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.

47 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 47/50 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, ellenőrizze. 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 (utoljára április 16-án: Azonos folyóirat ugyanazon számában publikáltuk az új részecske (Higgs-bozon) megfigyelését.

48 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 48/50 Végszó ATLAS és CMS, két LHC-energián, többféle bomlási csatornában, hasonló tömeggel és jelerősséggel lát Higgs-bozon-szerű részecskét. Jó lenne, ha nem pontosan a SM Higgs-bozonja volna: új fizika reménye. De nagyon olyannak néz ki... John Ellis beszélget Margaret Thatcherrel

49 Horváth Dezső: Higgs-bozon Trefort SzKI, Budapest, p. 49/50 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!