Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata a CERN ben Horváth Dezső horvath@rmki.kfki.hu. RMKI, Budapest és ATOMKI, Debrecen 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.1
50 éves a CERN! Tűzijáték látványterve a CERN alapításának 50. évfordulója alkalmából Genf hivatalos ünnepén 2004. augusztus 1. Szimulált Higgs-esemény az LHC-n 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.2
Szimmetriák Részecskefizikában még fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether tétel: Globális szimmetria megmaradási törvény Eltolás térben impulzus Eltolás időben energia Forgatás impulzusmomentum Tükrözés paritás Elektromágneses mérték töltés 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.3
Kölcsönhatások Származtatásuk lokális mértékinvarianciából de az nem ad tömeget és divergál Standard Modell: Szabad Dirac fermionhoz lokális U(1) SU(2) szimmetria elektrogyenge SU(3) szimmetria erős kölcsönhatás + Higgs tér spontán szimmetriasértéssel tömegek, integrálhatóság, konzisztencia Részecskefizika legfontosabb feladata a szimmetriák vizsgálata 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.4
CPT invariancia Töltéstükrözés: Tértükrözés: Időtükrözés: C p(r,t)> = p(r, t)> P p(r, t)> = p( r, t)> T p(r, t)> = p(r, t)> Erős és elektromágneses kölcsönhatás tartja a paritást és a CP t, gyenge sérti mindkettőt Alapvető fizikai törvény: CPT p(r, t)> = p( r, t)> = p(r,t)> antirészecske részecske amely térben és időben visszafelé megy. Legpontosabb CPT teszt: [m(k 0 ) m(k 0 )]/m(average) < 10 18 (mezon szektor) 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.5
A CERN gyorsítói 1996 ig 2007 től? 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.6
A CERN antiproton lassítója (AD) a CPT invariancia ellenőrzésére épült Három CPT kísérlet az AD-nál: ATRAP: q(p)/m(p) q(p)/m(p) H(2S 1S) H(2S 1S) ATHENA: H(2S 1S) H(2S 1S) ASACUSA: q(p) 2 m(p) q(p) 2 m(p) µ l (p) µ l (p) Vörös: működik, zöld: tervben ASACUSA: Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons Tokió, CERN, Budapest, Debrecen 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.7
Az antiproton tömege és töltése Protoné jól ismert: m(p)/m(e) = 1836.15267261(85) q(e) = 1.602176462(63) C Pontosság: 5 10 10 és 4 10 8 Relatív mérés: proton antiproton Ciklotron frekvencia csapdában q/m TRAP (LEAR) ATRAP (AD) Harvard, Jülich, München, Szöul Atomi átmenetek: E n m red c 2 (Zα) 2 /(2n 2 ) m q 2 PS-205 (LEAR) ASACUSA (AD) 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.8
Metastabil antiproton atomok Anyagban (gáz, folyadék, szilárd) τ(hadron) 1 ps kivéve X He: K, π : τ 0 ; p: 3 4 µs Lézerspektroszkópia antiprotonos héliumatomokon N. Morita et al, Phys. Rev. Lett. 72 (1994) 1180 1183. 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.9
m(p),q(p) mérése Principal quantum number p _ 4 He + 372.6 470.7 34 672.8 597.3 726.1 35 40 39 38 37 36 + phe LEAR δm M p p 2 1.5 [10 6 ] Q p / M p n=31 264.7 296.1 32 364.4 33 463.9 525.5 33 593.4 723.9 34 35 38 37 36 p _ 3 He + 1 2 1.5 1 0.5 allowed region 0.5 0.5 1 1.5 2 0.5 1 phe AD + δq Q p p [10 6 ] metastable states 32 short-lived states 287.4 n=31 l = 30 31 32 33 34 35 Orbital quantum number Felső határ CPT sértésre: 10 ppb (10 8 ) M. Hori, J. Eades, R. S. Hayano, T. Ishikawa, W. Pirkl, E. Widmann, H. Yamaguchi, H. A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 123401. 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.10 2 1.5
25 4 2 ;1 8 <= 2 ;1 8 8 - - * - - ) - - ( - - ' - - # - - " -! NQ P N WM T XY N WM T T H H F H H E H H D I H H H H? H H > H A phe + atom finomszerkezete F =L 1/2 Sűrűségfüggés (T = 6 K) f (n,l ) ν HF F =L 1/2 J + =L ν SHF J =L 1,#& "#%$ &#+ "#%$ *#& "#%$ ν 0 / 1 23. / : 9 / / 8/7 6 / &#) "#%$ F + =L +1/2 (n,l) ν HF ν HF + (#& "#%$ '#& "#%$ f + ν HF J ++ = L+1 F + =L+1/2 ν SHF + J + =L Nívóséma, frekvenciaspektrum C >?@ CB C >?A@ ν + B CB >?A@ 1.15 + ν HF ν HF BCG >?A@ L K M NO J K V U K K TKS R K FCB >?A@ 1.10 BCE >?A@ R ++ /R ++ off 1.05 1.00 0.95 12.86 12.88 12.90 12.92 12.94 12.96 ν MW (GHz) DCB >?A@ Elmélet kísérlet p p CPT OK E. Widmann, R.S. Hayano, T. Ishikawa, J. Sakaguchi, H. Yamaguchi, J. Eades, M. Hori, H.A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 243402. 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.11
Antiproton csatornázása ütközésekben A metastabil állapot kioltási hatáskeresztmetszetének hőmérsékletfüggése ( ) H 2, D 2 -vel történő ütközésekben: σ q = σ 0 exp E b kt + σ t Arrhenius függés + csatornahatás. σ t függ energiaküszöb magasságától és szélességétől H izotóptól és kvantumállapottól. (37,34) T (K) 10 300 100 50 30 20 10 (38,37) T (K) 10 300 100 50 30 20 10 5 5-16 (10 σ q -16 cm 2 ) cm 2 ) 1 (10 σ q 1 0.5 0.5 H 2 D 2 H 2 D 2 0.2 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 1/T (1/K) 0.2 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 1/T (1/K) B. Juhász, J. Eades, R. S. Hayano, M. Hori, D. Horváth, T. Ishikawa, H. A. Torii, E. Widmann, H. Yamaguchi, T. Yamazaki: Chem. Phys. Lett., 379 (2003) 91; Juhász Bertalan: PhD dolgozat, Debrecen, 2004 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.12
A jövő: lassú antiproton nyaláb Monoenergetic Ultra Slow Antiproton Source for High precision Investigations 5.8 MeV p AD RFQ 100 kev p RFQ csapda 10 6 p csapdában hűtve (2002) Lassú p kivezetve (2004) Cél: fékezőképesség egyszeres ionizáció magfizikai tanulmányok K. Yoshiki Franzen, N. Kuroda, H. A Torii, M. Hori, Z. Wang, H. Higaki, S. Yoneda, B. Juhász, D. Horváth, A. Mohri, K. Komaki, Y. Yamazaki: Rev. Sci. Instr., 74 (2003) 3305-3311. 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.13
A néhai LEP gyorsító 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.14
A néhai LEP gyorsító 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.15
Omni Purpose Apparatus for LEP Large Electron Positron collider, 1989 2000 300 résztvevő, 407 publikáció, 13743 hivatkozás (SPIRES) Magyar résztvevők: diplomamunkás doktorandusz OPAL PhD Csilling Ákos RMKI 2000 Dienes Beatrix ATOMKI 1997 QCD Hajdu Csaba RMKI 1995 Horváth Dezső RMKI & ATOMKI 1995 Hudácskó Attila DE 2003 γγ Igó Kemenes Péter Heidelberg ifj. Krasznahorkay Attila DE 2003 2004 γγ Pálinkás József DE & ATOMKI 1995 2000 Patay Gergely BME 2004 2005 TGC Pásztor Gabriella RMKI 1995 H ± Trócsányi Zoltán DE & ATOMKI 1997 Ujvári Balázs DE 2001 γγ Vértesi Róbert DE 2002 γγ 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.16
OPAL: Publikációs aktivitás, 2001 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.17
Hadron calorimeters and return yoke Electromagnetic calorimeters Muon detectors Az OPAL detektor 1989 2000 Jet chamber Vertex chamber Microvertex detector y z θ ϕ x Forward detector Presampler Silicon tungsten luminometer Time of flight detector Solenoid and pressure vessel Z chambers 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.18
OPAL e + e W + W 4 kvark 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.19
Higgs-bozonok keresése A SM Higgs bozonja spin nélküli, semleges, nehéz részecske, nem találtuk meg 95% határ: 114.4 GeV < M H < 219 GeV LEP keresés SM fitting SM kiterjesztése: 2 Higgs dublett h 0, A 0, H 0, H ± Semlegeseket nehéz SM Higgs-től megkülönböztetni. határozott különbség: H ± Keresés: e + e H + H 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.20
A töltött Higgs bozon keresése Képződés párban: e + e { H + H Bomlás nehéz fermionokra: H + τ + ν τ qq ( cs) Három csatorna három analízis: e + e H + H τ + ν τ τ ν τ τ + ν τ cs+ τ ν τ cs cscs (leptonos) (vegyes) (hadronos) (e + e H + H AW is készül) 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.21
e + e H + H qqτν OPAL Preliminary: H + H - qqτν, 189-209 GeV Likelihoodeloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum a töltött Higgs-bozon két hipotetikus tömegére a félig leptonos csatornában Events / 0.05 Events / 0.05 10 3 10 2 10 1 10 3 10 2 Signal*100 M H ± = 60 GeV 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Likelihood Signal*100 M H ± = 75 GeV Events / 2 GeV Events / 2 GeV 40 35 30 25 20 15 10 5 0 70 60 50 40 OPAL data (166) 4-fermion 2-fermion M ± H = 60 GeV Signal SM bgr = 163.1 Signal = 59.8 60 80 100 Charged Higgs mass (GeV) Data = 315 SM bgr = 315.0 Signal = 23.6 M H ± = 75 GeV (Hajdu Csaba) 10 30 20 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Likelihood 10 0 60 80 100 Charged Higgs mass (GeV) 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.22
e + e H + H qqqq OPAL Preliminary: H + H - qqqq, 189-209 GeV Likelihoodeloszlás és LH-vágás utáni tömegspektrum a töltött Higgs-bozon két hipotetikus tömegére a hadron csatornában Events / 0.05 Events / 0.05 10 3 10 2 10 1 10 2 Signal*100 M H ± = 60 GeV 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Likelihood Events / 2 GeV Events / 2 GeV 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 140 120 100 80 M H ± = 60 GeV OPAL data (595) 4-fermion 2-fermion Signal (60 GeV) SM bgr = 587.0 Signal = 124.6 60 80 100 Reconstructed mass (GeV) M H ± = 75 GeV Data = 1100 SM bgr = 1117.8 Signal = 62.1 (Horváth Dezső) 10 1 Signal*100 M H ± = 75 GeV 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Likelihood 60 40 20 0 60 80 100 Reconstructed mass (GeV) 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.23
e + e H + H : tömeghatár Tömeg elágazási arány területek, ahogyan 95% konfidenciával a keresési csatornák külön-külön és együttesen kizárják a 2HDM modell keretein belül (Pásztor Gabriella). Előzetes OPAL-eredmény: m H ± > 75.5 GeV (95%) Br(τν) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 τντν qqτν qqqq Combined Expected 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Charged Higgs mass (GeV) OPAL Physics Note PN509, 2002; D. Horváth: Nucl. Phys. A, 721 (2003) 453c. 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.24
Nem találtunk Higgs-bozont a LEP-nél, építsünk LHC-t! 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.25
Az LHC CMS detektora 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.26
Az LHC CMS detektora (Compact Muon Solenoid) Teljes súly: 12500 tonna, több vas, mint Eiffel toronyban > 2000 résztvevő a világ minden tájáról A világ legnagyobb (szupravezető) szolenoidja: átmérő 8 m, B = 4 Tesla Detektorépítésben magyar részvétel: Müondetektor pozicionáló rendszere: DE Kisérleti Fizika Tanszék és ATOMKI Very Forward Calorimeter: RMKI Eseményszűrés: 4000 PC, 500 GBit/sec Adatkezelés: LHC Computing Grid RMKI (BUDAPEST): 100 PC, 7 TB HD 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.27
H ZZ eeqq a CMS nél 50 éves a CERN MTA, 2004. szept. 22. Horváth Dezső Alapvető szimmetriák kísérleti vizsgálata p.28