Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 1/45 Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012. okt. 5. Horváth Dezső horvath.dezso@wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atommagkutató Intézet, Debrecen
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 2/45 Vázlat Részecskék és kölcsönhatások Standard Modell és a Higgs-bozon (2012.05.09: Felfedezésre itélve?) 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
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 3/45 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!
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 4/45 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!
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 5/45 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 = 10 12 ev kicsi baktérium 10 3 10 5 λ(fény) 10 7 1 ev atom 10 10 1 kev atommag 10 14 1 GeV elektron 10 18 1 TeV Nagyobb energia kisebb távolság mélyebb szerkezet
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 6/45 Spontán szimmetriasértés tömeg Szabad fermion Higgsbozon David J. Miller és CERN: http://www.hep.ucl.ac.uk/ djm/higgsa.html
A Standard Modell állatkertje A Higgs-részecskén kívül mind régen megvan Kísérletileg messzemenően igazolva Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 7/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 8/45 A SM Higgs bozonja A Standard Modell Higgs mechanizmusa: Szimmetriasértés! Higgs-bozon: kvantumszámok nélküli, furcsa részecske Létezik? SM: muszáj!
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 9/45 Viccek a Higgs-bozonról A bárba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a pultos: Vigyázzon, magát többen is keresik! 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? Miért nem kérdezik meg a kristálygömböt, hol a Higgs-bozon? Mert a fizikusok hülyék.
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 10/45 A CERN 20 tagországa + Románia, Izrael, Szerbia, Ciprus, Szlovénia, Töröko., Brazília, Oroszo.
A CERN és környéke Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 11/45
A CERN kutatói (felhasználói) 2800 alkalmazott + 10500 kutató + 440 diák (Olasz > német > amerikai > orosz > francia) Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 12/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 13/45 A CERN gyorsítói: múlt és jelen LEP: 1989 2000 LHC: 2009 2025?
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: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 14/45
Az LHC már készen Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 15/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 16/45 CMS (Compact Muon Solenoid) Compact Muon Solenoid: 14000 tonnás digitális kamera 20 M kép/s, 1000 GB/s adat Tárolás: max. 400 kép/s intelligens adatszűrés!!
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 17/45 Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Súly: 14000 tonna, kétszer annyi vas, mint Eiffel toronyban > 3000 résztvevő a világ 35 országából 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: 2006. nov. 11. Adatkezelés: Worldwide LHC Computing Grid Wigner FK RMI: BUDAPEST WLCG-állomás
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 18/45 A CMS-együttműködés, 2012 41 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
A CMS mágnese Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 19/45
A CMS belső része Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 20/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 21/45 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: készülőben 2013 jan.: LHC Tier-0 egy része Wigner FK-ba települ!
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 22/45 Az LHC remekül működik! http://op-webtools.web.cern.ch/op-webtools/vistar/vistars.php?usr=lhc1 p-p hozam, 2010: 0,04 fb 1, 2011: 5.6 fb 1, 2012.09.30: 15 fb 1
A CMS elektromágneses kalorimétere a H γγ észlelésére optimalizálva CMS ECAL: 75,848 PbWO 4 egykristály szcintillátor Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 23/45
CMS-esemény: H γγ jelölt Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 24/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 25/45 012 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, 2012.05.09: Már 3σ többlet, 2012-ben felfedezésre itélve??
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 26/45 2012 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. S H = 0: H ZZ és H WW bomlástermékek szögeloszlása H XY... valószínűségei SM szerintiek Csak egy Higgs-bozon van (nincs több, semleges vagy töltött)
CERN, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: Higgs-vadászat @ CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.) Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 27/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 28/45 CERN, 2012 július 4. Pásztor Gabriella: Higgs-vadászat @ CERN (Fizikai Szemle, 2012 okt.)
CERN, 2012 július 4. Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 29/45
CERN, 2012 július 4. Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 30/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 31/45 CMS: H γγ (VBF) Vertex a γγ invariáns tömeg meghatározásához: Vektorbozon-fúziós események két hadronzápora.
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 32/45 CMS: H γγ tömegeloszlása CMS Collaboration: 2899 szerző, 21 magyar arxiv:1207.7235; Phys. Lett. B 17 Aug. 2012
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 33/45 ATLAS: H γγ tömegeloszlása ATLAS Collaboration: 2931 szerző, 4 magyar arxiv:1207.7214 Phys. Lett. B 17 Aug. 2012
CMS: H ZZ e + e µ + µ Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 34/45
CMS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 35/45
ATLAS: H ZZ l + l l + l Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 36/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 37/45 Hogyan jutottunk idáig? CMS Szándéknyilatkozat benyújtva: 1992 (475 szerző, 4 magyar) CMS technikai javaslat (289 o.) benyújtva: 1995, elfogadva: 1996 Technikai tervek (a legnagyobbak): Mágnes, 1997 (292 o.) Nyomkövető rendszer, 1998 (539 o.) Trigger, 2000 (630 o.) Adatgyűjtés, 2002 (521 o.) Számítástechnika, 2005 (166 o.) Fizika 1, 2006 (521 o.) Fizika kiegészítés: Nehézion-fizika, 2007 (169 o.) Fizika 2: J.Phys.G G34 (2007) 995-1579
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 38/45 A CMS működése Detektor jórészt felépítve a felszínen: 2000-2006 Leeresztés darabokban, összerakás, befejezés: 2006-2008 LHC elindul: 2008 (katasztrófa, javítás), majd 2009. 2010: 7 TeV, összegyűjtött luminozitás 0.04 fb 1 2011: 7 TeV, 5.6 fb 1 2012 április szeptember: 8 TeV, 18 fb 1 LHC fejlődése: 2010 2011: 140-szeres luminozitás 2011 2012: 7 8 TeV, cca. ötszörös luminozitás
CMS-vezérlő, 2012 május 2, 15h 45p http://cms.web.cern.ch/content/cms-control-room-webcams DCS-koordinátor: Szillási Zoltán, ATOMKI; DQM-felügyelő: HD Ügyelet: Spanyol, holland, orosz, kínai, francia, magyar Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 39/45
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 40/45 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
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 41/45 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 (100-200 oldalon), a legjobbat fogadjuk el: Tisztaság, hatásfok, szisztematikus szórás, átláthatóság. Analysis Note-ok egész CMS előtt, konkurrensek vitája.
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 42/45 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.
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 43/45 Felfedezés? A Tevatronnál amit az egyik kísérlet (ált. CDF) felfedezett, a másik (D0) általában később 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).
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 44/45 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. John Ellis beszélget Margaret Thatcherrel
Horváth Dezső: Tényleg felfedeztük a Higgs-bozont? Trefort Gimnázium, 2012.10.05. p. 45/45 Köszönetnyilvánítás Nemzeti Innovációs Hivatal Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal OTKA NK67974, NK81447, K72172, K81614, H07B-74296 és H07C-74153 EU FP6 MC-ToK 509252 és FP7 III 031688 Magyar és Osztrák Tudományos Akadémia Megértő együttműködő partnereink (CERN, ETHZ, HEPHY!) Köszönöm a figyelmet!