Fizyka LHC na detektorze ATLAS czyli Polowanie na Higgsa, Supersymetrię… a może coś jeszcze??? Najtrudniejszy, najbardziej ambitny i największy projekt w dziedzinie fizyki wysokich energii. Bezwstydnie bazowana na prezentacji Anny Kaczmarskiej, i paru innych osób Paweł Brückman de Renstrom NZ XIV, IFJ PAN Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Gdzie jestesmy i jak wyglada ATLAS Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

LHC (Wielki Zderzacz Hadronów) Jura Jezioro Genewskie 27 km obwodu CMS Warszawa Szwajcaria Protony będą zderzać się ze sobą przy energii w środku masy 14 TeV ~3 000 000 000 razy na sekundę (40 MHz x 20 oddziaływań x 4 punkty przecięcia) LHCb IFJ PAN, Kraków ALICE IFJ PAN, Kraków ATLAS IFJ PAN, Kraków Francja CERN Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

The Large Hadron Collider (LHC) pp collision cm : 14 TeV (x7 Tevatron) 25 ns bunch spacing 1.1 1011 proton/bunch Design lumi: 1034cm-2s-1 (10 nb-1s-1) Physics/year  100 days 100 fb-1 /year; 20 int./x-ing (2009) Low lumi: 1033cm-2s-1 (1 nb-1s-1) 10 fb-1 /year ; 2 int./x-ing (2008) Initial lumi:<1032cm-2s-1 (0.1 nb-1s-1) 7 TeV + 7 TeV Protons Luminosity = 1034cm-2sec-1 Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Długość : ~ 46 m Średnica : ~ 25 m Waga : ~ 7 000 ton System mionowy Kalorymetr EM Solenoid Podpory (Kraków) Detektor Wewnętrzny (IFJ PAN Kraków) Toroid Kalorymetr hadronowy Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Statystyki przypadków Process Events/s Events/year Other machines (total statistics) W e 15 108 104 LEP/107Tev Z ee 1.5 107 107 LEP Oczekiwane liczby przypadków dla ATLAS/CMS dla wybranych procesów fizycznych dla niskiej świetlności (L=1033 cm-2 s-1) 0.8 107 104 Tevatron 105 1012 108 Belle/BaBar 0.001 104 (m=1 TeV) H 0.001 104 (m=0.8 TeV) Wysoka świetlność: statystyki 10 razy większe QCD jets 102 109 107 pT > 200 GeV  LHC jest fabryką B, top, W/Z, Higgsa, SUSY, itd…. Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

A tak serio, czego się macie dzisiaj spodziewać Nie systematycznego wykładu przeglądowego... Nie wykładu z którego macie zapamiętać szczegóły... Pare słów o samym LHC, Program fizyczny ATLAS’a (w zarysie), Przykłady możliwych analiz. Uwaga! Będzie to jedynie subiektywny wybór tematów! Z góry przepraszam za straszną mieszanine slajdów po polsku i angielsku  Przeszkadzanie w postaci pytań mile widziane! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Fizyka ATLASa Odkrycia (???): - Bozon Higgsa - Supersymetria Bardziej ”egzotyczne” opcje MS, czyli to co już znamy, a chcielibyśmy zmierzyć dokładniej: PDF’s (struktura protonu) Pomiary precyzyjne (W/Z, top) Fizyka B (CP, spektroskopia, etc) Ciężkie jony (osobny temat) Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Bozon Higgsa Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Bozon Higgsa f H ~ mf MS : mechanizm Higgsa nadaje masę cząstkom (Łamanie Symetrii Elektrosłabej) poprzez sprzeżenie z polem Higgsa. Konsekwencja: skalarny bozon jako ekscytacja tego pola Jakkolwiek: jeszcze go nie znaleziono (jedyny brakujący kawałek MS) masa nie przewidziana w modelu (poza tym, że < 1 TeV) ale produkcja i rozpady Higgsa versus mH przewidziane obecny limit : mH > 114.4 GeV (LEP) - >  1.7  excess from LEP for mH ~ 115 GeV Tevatron może pójść ciut dalej (zależnie od L)  potrzeba maszyny by odkryć/wykluczyć Higgsa od  120 GeV do 1 TeV M< 1TeV ponieważ powyzej teoria zachowyje się zle. Im silniejsze jest sprzezenie tym wieksza jest masa cząstki. sprzezenia bozonow do wszystkich elementarnych czastek sa ustalone,przy danej masie higgsa kanaly rozpadu i rates sa ustalone.ale masa higgsa nie jest przewidziana i musi być ustalona z eksperymentu. Indirect limits from fit of SM to: -LEP1/SLD precise measurements at s = mZ -mW measurement LEP2/Tevatron -mtop measurement at Tevatron Best fit of SM to data (minimum 2) found for mH= 81+52-33 GeV mH < 193 GeV 95% C.L. LHC Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Pole Higgs’a i jego oddziaływania Cząstki nabierają mase Bozon Higgs’a jako wzbudzenie pola Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Mechanizm Higgs’a (Nambu) Lagrangian posiada symetrię, stan podstawowy (próżnia) - nie Masy bozonow: Masy fermionów (Yukava): Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Produkcja Higgsa na LHC gg fusion WW/ZZ fusion associated WH, ZH associated -fuzja gg dominuje dla wszystkich mas Higgsa dla małych mas inne mechanizmy też mają wpływ Dla dużych mas staje się ważne fuzja WW/ZZ 103 - 105 Higgów/rok na LHC w zależności od masy Przekrój czynny dla pp  H + X Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom Rozpady Higgsa Decay branching ratios (BR) mH < 130 GeV: H  dominuje (ale tło QCD!) mH  130 GeV : H  WW(*), ZZ(*) dominuje ważny rzadki rozpad: H   (prawie bez tła) Dominujące stany końcowe czysto hadronowe (H bb, H WW  4jets, H ZZ  4jets) nie mogą być obserwowane w tle QCD  tylko H , H  ZZ  4, HWW , etc. Dla H->bb tylko W(lepton)H Dla m<150 br(h->bb)=100% ale ten kanal może być widziany ponad tlo jeśli tylko mamy stowarzyszony lepton z W,Z czy twh,zh,tth.co oczywiście dale wplyw br tego rozpadu.br + mniejszy przekruj czynny na produkcje stowarzyszona higgsa Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom H  gg mH  150 GeV H W* g s  BR  50 fb mH  100 GeV Selekcja przypadków z dwoma fotonami z pT ~ 50 GeV Liczymy ich masę niezmienniczą: Na rozkładzie tej masy mγγ  Higgs - pik przy mH mH=120GeV 100 fb-1 The perspectives - The rate is small, but the events are very clean. - The analysis requires an extremely precise electromagnetic calorimeter to separate single gamma’s From pi0->2 gammas. The required pi0 rejection is 10^7. - With one year of nominal luminosity one can achieve a sigma discovery. GH < 10 MeV for mH ~ 100 GeV Bardzo wymagający kanał dla kalorymetru elektromagnetycznego peak width due to detector resolution Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom - tło H  gg produkcja gg : nieredukowalne (tzn. ten sam stan końcowy co sygnał): q g g  60 mgg ~ 100 GeV Ale signał może być wyorębniony z tła przy dobrej rozdzielczości masy -> dobry kalorymetr -> pik bardziej wąski -> łatwiej go zobaczyć nad tłem produkcja g jet + jet jet: jeden/dwa jety udają fotony: redukowalne q g g (s) p0 ~ 108 Potrzeba dobrej separacji γ/jet (w szczególności γ/π0)! ATLAS potrzebuje ~ 1 rok wysokiej świetlności dla 4 σ Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom H  ZZ(*)  4  120  mH < 700 GeV Złoty kanał dla odkrycia Higgsa na LHC – prawie bez tła Selekcja przypadków z 4 leptonami z wysokim pT (t wykluczone): e+e- e+e-, m+m- m+m-, e+e- m+m- e, m H Z(*) Z mZ -Co najmniej jedna para leptonów – masa konsystentna z masą Z Rozkład masy niezmienniczej 4 leptonów -> Higgs jako pik mH < 180 GeV -> jedno Z wirtualne: BR małe, leptony z Z* małe pT (5-10 GeV), tylko jedno cięcie na mZ możliwe mH>180 GeV -> oba Z realne: BR większe, leptony z pT>>10 GeV, możliwe dwa cięcia na mZ Tło: - nieredukowalne : pp  ZZ (*)  4 Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Paweł Brückman de Renstrom H  ZZ(*)  4  120  mH < 700 GeV - Redukowalne:  g b Z  n t , t W b Radzimy sobie z nimi wymagając: - m ~ mZ i leptony są izolowane - leptony pochodzą z wierzchołka pierwotnego (czas życia B: ~ 1.5 ps  leptony z B produkowane  1 mm od wierzchołka pierwotnego) Significance : 3-25 (zależnie od masy) for 30 fb-1 Obserwacja możliwa do mH  700 GeV (potem s (pp  H) maleje) Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Przypadek Higgs->4l może wygladać tak: Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Sygnał po pełnej selekcji H->ZZ*->4l Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Higgs z Modelu Standardowego Oczekiwane significance  1 TeV ATLAS może odkryć Higgsa z MS w całym zakresie masy (S > 5) po  2 lat zbierania danych w większości obszarów możliwy jest więcej niż jeden kanał detector performance (pokrycie, rozdzielczość energii/pędu, identyfikacja cząstek, etc.) jest kluczowa w większości kanałów jeśli Higgs zostanie znaleziony – możliwy pomiar masy z dokładnością do 1‰ dla mH < 600 GeV jeśli nie znaleziony – konieczna nowa teoria wyjaśniająca masy cząstek Gdy skombinujemy pomiary atlasa z cms to nawet dla 1 roku niskiej swietlnosci dla wyzszych mas higgsa mielibysmy > 5 sigma ale! Musimy nauczyc się wczesniej detektora!!! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

Konkluzje – bozon Higgsa Zaczęło się od , ... ...będzie wyglądało tak , i skończy się na... §Particle Data Group, Eur. Phys. J. Cyy, 20xx. Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

!!! Higgs był po raz pierwszy widziany w ATLAS’ie 4 kwietnia 2008 !!! Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009