Cząstka Higgsa własności, odkrycie i badania oddziaływań

Prof. dr hab. Elżbieta Richter-Wąs Instytut Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej

2

Odkrycia cząstek elementarnych a Nagrody Nobla

1957 – C. N. Yang, T. Lee 1965 – S. I. Tomonaga, J. Schwinger, R.P Feynman 1969 – M. Gell-Mann 1976 – B. Richter, S. Ting 1979 – S.L. Glashow, A. Salam, S. Weinberg 1980 – J. Cronin, V. Fitch 1984 – C. Rubbia, S. van der Meer 1988 – L. M. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger 1990 – J. Friedman, J. Kendall, R. Taylor 1992 - G. Charpak 1995 – M. Perl, F. Reines 1999 - G. tHooft, M. J. Veltman 2004 - D. J. Gross, H. D. Politzer, F. Wilczek 2008 – Y. Nambu, M. Kobayashi, T. Masakawa 2013 – F. Englert, P. Higgs 2015 – A. B. McDonald, T. Kajita

M. Gell-Mann

Teoria Eksperyment

3

8 październik 2013 Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznaje Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki

„ za sformułowanie mechanizmu który wyjaśnia źródło masy cząstek elementarnych i który został potwierdzony poprzez odkrycie przewidywanej przez ten mechanizm cząstki elementarnej (eksperymenty ATLAS i CMS na LHC)”.

W dniu 4 lipca 2012, eksperymenty ATLAS i CMS na akceleratorze LHC w laboratorium CERN ogłosiły odkrycie nowej cząstki zgodnej z przewidywaniami tzw. mechanizmu Higgsa.

Model Standardowy cząstek elementarnych

4

Pra

wa

me

chan

iki k

wan

tow

ej

Cząstki oddziaływania

Cząstki materii (< 10 -16 cm)

Od

działyw

anie

słabe

Od

działyw

anie

ele

ktro-m

agne

tyczne

Od

działyw

anie

silne

Cząstka Higgsa. Jest innym typem cząstki nie jest ani cząstką materii ani cząstką oddziaływania.

Spektrum mas cząstek elementarnych

5

Masa elektronu jest 25 tysięcy razy mniejsza, ale gdyby była równa zero atom nie mógłby istnieć.

Gdyby masa cząstki W była mniejsza to czas reakcji termojądrowych byłby krótszy i zachodziłby przy niższej temperaturze.

Mas

a (g

iga-

ele

ktro

n-v

olt

) 103

Przy innych wartościach masy cząstek elementarnych Wszechświat byłby zupełnie inny lub by nie istniał.

10-3

m = 0 Tarcza Słońca

Symetria Złamana symetria Masa

6

Hermann Weyl

(1918 /1929)

Symetria układu fizycznego wymusza prawa oddziaływania

Symetria układu fizycznego wymusza prawa zachowania

E. Noether (1918)

H. Weyl (1918, 1929)

Spontanicznie złamana symetria („ukryta symetria”) w układzie kwantowym może wygenerować masę.

J. Goldstone (1961), Y. Nambu (1960)

Symetria dyskretna w sztuce

Gdy kuleczka spadnie to symetria układu zostanie „spontanicznie złamana” i układ znajdzie się w stanie stabilnym.

(*) Krata dekoracyjna wzornictwa chińskiego

(*)

Próżnia Pojęcie pola Mechanizm Higgsa

7

Linie sił pola magnetycznego Wprowadził pojęcie pola dla opisu oddziaływania magnetycznego. Pole magnetyczne ma źródła.

Mechanizm Higgsa (1964): Próżnia kwantowa wypełniona jest „polem Higgsa”. To pole nie ma ani źródeł ani struktury przestrzennej. Po spontanicznym złamaniu symetrii pole przestaje być „obojętne” i oddziaływanie cząstek z polem Higgsa nadaje im masę . Mechanizm przewiduje że istnieje masowa cząstka skalarna tzw. „cząstka Higgsa”, która jest kwantową fluktuacją tego pola.

Michael Faraday (1845)

Próżnia w klasycznym rozumieniu to jest „przestrzeń pusta”, stan o „zerowej energii”. Próżnia w mechanice kwantowej jest „pełna życia”. Następuje tam ciągła kreacja i anihilacja cząstek elementarnych. Obowiązują prawa symetrii oddziaływań. Stan podstawowy próżni może nie mieć zerowej energii.

„It doesn’t matter how beautiful your theory is, it doesn’t matter how smart you are. If it doesn’t agree with experiments, it’s wrong.”

R. Feynman

(To nie ma znaczenia jak piękna jest twoja teoria, nie ma znaczenia jaki jesteś inteligentny. Jeżeli nie zgadza się z eksperymentem to ta teoria jest nieprawdziwa.)

Teorię należy potwierdzić eksperymentem

8

R. Feynman

Nie było dobrego pomysłu jak odkryć „pole Higgsa”. Przez wiele lat również odkrycie cząstki Higgsa wydawało się poza zasięgiem możliwości technologicznych eksperymentów.

9

W jaki sposób badamy cząstki elementarne, a w jaki strukturę wszechświata?

Wirus

Promień Ziemi

cm

Odległość Ziemia-Słońce

Promień Galaktyki

Wszechświat

Wielki Wybuch

LHC

Duże odległości zdarzenia odległe w czasie

Małe odległości bardzo duże energie

LHC: Super mikroskop który sztucznie wytwarza warunki panujące 10-12s po Wielkim Wybuchu

Europejskie labolatorium CERN

10

Założone w 1954 roku, to największe na świecie laboratorium w dziedzinie badań oddziaływań cząstek. Celem są badania podstawowe.

22 krajów członkowskich (Polska od 1992) 40 krajów stowarzyszonych 2 300 zatrudnionych osób + 10 000 naukowców

ATLAS Collaboration

38 państw

Od samego początku w przygotowaniu akceleratora i eksperymentów LHC uczestniczyły zespoły z Polski: IFJ-PAN, AGH, Politechnika Krakowska, Uniw. Warszawski, IBJ-Świerk

Projekt LHC (Wielki Zderzacz Hadronów) to ponad 30-letnie przedsięwzięcie wymagające wizji, talentów, pasji, determinacji i zmierzenia się z wyzwaniami technologicznymi.

Mont Blanc

Jezioro Genewskie CERN

11

LHC (Wielki Zderzacz Hadronów)

27 km długości 100m pod ziemią

Mont Blanc

Jezioro Genewskie

27 km długości 100m pod ziemią

ATLAS

CMS

LHC

• Składniki protonu

Zderzenia wiązek proton-proton

12

Paczka protonów

Składniki protonu

Proton

Produkty zderzeń

Takie zdarzenie pojawia się raz na 10 bilio-nów zderzeń

Protonów/pęczek

pęczków/wiązkę

Energia wiązki

Każdy proton porusza się z prędkością bliską prędkości światła i niesie kinetyczną energię muchy w locie, okrąża pierścień akceleratora 1100 razy na sekundę. Rozmiar poprzeczny wiązki: 16mm (4 razy mniejszy niż grubość ludzkiego włosa). Każda z wiązek niesie energię pociągu TGV o dł. 200 m i jadącego z prędkością 155km/godz (360M Jula).

Proton-Proton 2835 paczek/wiązkę Protonów/paczka 1.7 1011

Energia wiązki 3.5, 4.0, 6.5 TeV

E = m c2

Detektor ATLAS: 42m długości, 22 m średnicy; 3000 km kabli wyprowadzających sygnał; ponad 108 kanałów odczytu elektroniki; precyzja ustawienia elementów rzędu mikronów

Detektor ATLAS i zespół badawczy

13

Zespół badawczy: Ponad 3000 fizyków, inżynierów i techników, w tym ponad 1200 doktorantów; 182 instytucji z 39 krajów; Zespoły polskie (obecnie): IFJ-PAN, AGH i Instytut Fizyki UJ, Politechnika Krakowska

Detektor ATLAS

14

ATLAS

Analiza zarejestrowanych zderzeń: W ciągu 6-ciu lat każdy eksperyment zarejestrował na dyskach ponad 10 miliardów interesujących zderzeń = 40 Petabyte danych. Gdyby zapisać je na płytkach CD to powstałby stos o wysokości 40 km.

Jak wygląda cząstka Higgsa ?

15

W danych zebranych w latach 201-2012 około 450 zarejestrowanych rozpadów cząstek Higgsa

Prawdopodobieństwo < 10-13 że jest to statystyczna fluktuacja tła. Analizowane są rozkłady wielowymiarowe.

16

Cząstka Higgsa w zderzeniach pp w LHC

Bogata sygnatura eksperymentalna dla mH ~ 125 GeV; mierzona w różnych procesach oddziaływania i różnych stanach końcowych.

Prawdopodobienstwo rozpadu Procesy produkcji

49 pb 3.8 pb

2.2 pb 0.51 pb

Ponieważ cząstka Higgsa nie jest ani cząstka materii (fermionem) ani cząstka oddziaływania (bozonem o spinie 1) tak bardzo interesujące jest sprawdzenie jej własności. Czy są takie jakich wymaga Model Standardowy?

17

Badanie własności cząstki Higgsa

Cząstka Higgsa oddziałuje bardzo słabo z innymi cząstkami. Być może jest tez oknem do poznania nowych obiektów które oddziaływają tylko z nią. Tzw. „Higgs portal”.

Czy może przyczynić się do wytłumaczenia struktury i źródła materii obserwowanej w kosmosie. Tego nie wiemy, ale dlatego jest tak fascynujące sprawdzenie eksperymentalne wszystkich jej własności.

Masa = 125.09 ± 0.24 GeV

Stan kwantowy JPC = 0+

Oddziaływuje z cząstkami elementarnymi

Siła oddziaływania (sprzężenia) z cząstkami elementarnymi jest proporcjonalna do ich masy.

18

Badanie własności cząstki Higgsa (2011-2012)

Masa (GeV) Si

ła o

dd

ział

ywan

ia z

czą

stką

Hig

gsa

Wyniki pomiarów zgodne z przewidywaniami mechanizmu Higgsa!

Obserwacja czy cząstka Higgsa oddziałuje sama ze sobą tak jak to przewiduje mechanizm Higgsa będzie to możliwe dopiero na podstawie danych zebranych w latach 2020-2025

Obecnie trwa tzw. Run 2 akceleratora LHC przy energii zderzeń wiązek pp 13 TeV

Zarówno akcelerator jak i detektory działają lepiej niż oczekiwano. Zebrane będzie 4-5 razy więcej danych niż w latach 2011-2012

Analizy danych 2015-2016 pozwoliły na pomiary sprzężeń cząstki Higgsa do bozonów z precyzja < 20% oraz bezpośrednią obserwacje sprzężeń do fermionów.

19

Badanie własności cząstki Higgsa (2015-2018)

Wyniki pomiarów zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego mechanizmu Higgsa !!!

20

Badanie Modelu Standardowego

Nie tylko coraz lepiej poznajemy Model Standardowy. Precyzja pomiarów zaczyna być porównywalna z precyzja obliczeń teoretycznych!

Publikacje

730 prac wysłanych do czasopism

2010 2018

48% - precyzyjne pomiary własności Modelu Standardowego 43% - poszukiwanie Nowej Fizyki 7% - możliwości detekcyjne

21

Badanie Modelu Standardowego: bozony W i Z

Ogromna ilość zebranych przypadków bozonów W i Z (prawie 109 W i 108 Z) pozwoli na precyzyjny pomiar

DmW ~ 5 MeV i Dsin2qW ~ 10 . 10-5

Ogromna ilość zebranych przypadków bozonów W i Z (prawie 109 W i 108 Z) pozwoli na precyzyjny pomiar

DmW ~ 5 MeV i Dsin2qW ~ 10 . 10-5

22

Badanie Modelu Standardowego: bozony W i Z

• Zebranie 4 x więcej danych do roku 2023 oraz 40x więcej do roku 2037

• Drugi etap (znacznie większe natężenie wiązki) wymaga dużych zmian detektorów co obecnie jest w trakcie realizacji.

23

Program LHC (HL-LHC) na lata 2018-2035

Techniki akceleratorowe -> 17 000 akceleratorów na świecie pracuje dla zastosowań w medycynie

Fizyka czastek w naszym życiu codziennym?

24

Terapia hadronowa

Obrazowanie cyfrowe -> diagnostyka medyczna np. PET (Emisyjna Pozytonowa Tomografia)

Wymiana informacji przez strony WWW

CERN, 1993

Techniki analizy ogromnej ilości danych w rozproszonych systemach komputerowych

T. Berners-Lee

Na przykład: Epidemiologia

Genetyka Symulacja klimatu

Tyle jeszcze pytań przed nami … Dlaczego jest asymetria między materią i antymaterią we Wszechświecie? Czy potrafimy zrozumieć co to jest ciemna materia i ciemna energia które stanowią 95% Wszechświata … Czy wartość próżniowa pola Higgsa ma związek ze stałą kosmologiczną równań Einsteina …? Czy na samym początku nastąpiła fluktuacja pola skalarnego która zapoczątkowała ewolucje Wszechświata ?

LHC bada ten zakres energii, około 10-12 s

COBE, WMAP, PLANCK

Fluctuation of a scalar field?

W roku 2015 eksperymenty LIGO i VIRGO ogłosiły obserwacja fal grawitacyjnych. Kolejne fundamentalne odkrycie którego mieliśmy szanse doświadczyć. W roku 2017 została przyznana nagroda Nobla dla R. Weiss, B. Barnish i K. Thorne.

SPARES

26

Projekt przyszłego zderzacza kołowego w CERN

27

Aravis

Poszukiwanie Nowej Fizyki

28

Poszukiwanie Supersymmetrii

29