Bozon Higgsa oraz SUSY Bozon Higgsa Poszukiwania bozonu Higgsa w LEP i Tevatronie - otrzymane ograniczenia na masę H Plany poszukiwań w LHC Supersymetria (SUSY) Zagadkowe wyniki CDF D. Kiełczewska, wykład 9

Masy cząstek – cząstki Higgsa PROBLEM: Teoria przewiduje zerowe masy dla bozonów cechowania. Nie jest to problem dla QED i QCD bo foton i gluon mają zerowe masy, ale jest to poważny problem dla bozonów: W i Z. Możliwe rozwiązanie problemu: wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cząstek Higgsa o spinie=0. Stowarzyszone z cząstką pole Higgsa nadaje innym cząstkom masy przez oddziaływanie z nimi. D. Kiełczewska, wykład 9

Sukcesy unifikacji elektro-slabej (z wykładu 7) Mając bardzo precyzyjne pomiary masy W i Z można było wyznaczyć masę kwarka t przed jego wykryciem z pomiaru przekroju czynnego na: oraz uwzględniając poprawki wyższych rzędów: Ale okazuje się, że potrzebna jest jeszcze jakaś cząstka, żeby uzyskać zgodność z danymi: D. Kiełczewska, wykład 7 z bezpośrednich pomiarów

Masy cząstek – cząstki Higgsa Możliwe rozwiązanie problemu: wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cząstek Higgsa o spinie=0. Stowarzyszone z cząstką pole Higgsa nadaje innym cząstkom masy przez oddziaływanie z nimi. Stałe sprzężenia: D. Kiełczewska, wykład 9

Wyobraźmy sobie salę bankietową równomiernie wypełnioną ludźmi Mechanizm Higgsa Wyobraźmy sobie salę bankietową równomiernie wypełnioną ludźmi (pole Higgsa): D. Kiełczewska, wykład 9

Pojawia się sławny naukowiec (bozon cechowania, np. W) przyciągając Mechanizm Higgsa Pojawia się sławny naukowiec (bozon cechowania, np. W) przyciągając uwagę zebranych D. Kiełczewska, wykład 9

Ludzie cisnący się wokół naukowca utrudniają mu poruszanie się Mechanizm Higgsa Ludzie cisnący się wokół naukowca utrudniają mu poruszanie się (nadają mu masę) D. Kiełczewska, wykład 9

Mechanizm Higgsa Ludzie na bankiecie mogą też spontanicznie tworzyć zgęszczenia (bozon Higgsa) D. Kiełczewska, wykład 9

Mechanizm Higgsa c.d. Mechanizm Higgsa: cząstki Higgsa H o spinie 0 wypełniają próżnię. Gdy jakaś cząstka napotyka na H zmienia swoją skrętność np. LHRH. W ten sposób cząstki stają się masowe. Im częściej oddziałują z H, tym większa masa. Np. fotony są bezmasowe, bo nie oddziałują z bozonem H. bezmasowe neutrina neutrina masowe D. Kiełczewska, wykład 9

Poszukiwanie cząstek Higgsa Problem: nie zaobserwowano dotąd cząstki Higgsa Wskazówka dla eksperymentów: Najsilniejsze sprzężenia do kwarka t i bozonów W i Z. Trzeba mieć dosyc energii, żeby wyprodukować te cząstki. Dotychczasowe poszukiwania - LEP, Tevatron Najwyższa energia osiągnięta: w LEP: w Tevatronie: D. Kiełczewska, wykład 9

Poszukiwania Higgsa w LEP D. Kiełczewska, wykład 9

Poszukiwania Higgsa w LEP Sygnał ??? Tylko ~2 LEP wyłączono, żeby dalsze poszukiwania robić w LHC. PDG 2006 D. Kiełczewska, wykład 9

Ograniczenia na masę Higgsa (SM) Wiele wielkości fizycznych mierzonych precyzyjnie w LEP wg. teorii zależy od procesów wyższych rzędów z wirtualną wymianą m.in. bozonu Higgsa. Porównując pomiary z obliczeniami metodą np. uzyskujemy informacje o masie Higgsa. Łączna analiza wielu pomiarów daje konsystentne wyniki: D. Kiełczewska, wykład 9

Poszukiwanie cząstki Higgsa w Tevatronie (Fermilab) Przekrój czynny na produkcję Higgsa silnie maleje z masą H: (obliczony wg Modelu Standardowego) Rozpady Higgsa: D. Kiełczewska, wykład 9

Poszukiwanie Higgsa w Tevatronie Problem: jeśli masa H jest <140 GeV to dominuje rozpad: Ale para może powstać w wyniku wielu innych bardziej prawdopodobnych procesów („tło”). Kolejne ploty otrzymane po „cięciach” wybierających pożądane cechy przypadków czyli zmniejszających tło względem sygnału. sygnał x10 (wg. MS) PDG2009: m(H0) >114 GeV c.l.=95% D. Kiełczewska, wykład 9

Produkcja cząstek Higgsa w LHC D. Kiełczewska, wykład 9

Poszukiwanie Higgsa (SM) w LHC Względne prawdop. kanałów rozpadu H D. Kiełczewska, wykład 9

Rozpady cząstek Higgsa 1) Jeśli Dominujący rozpad: Jednak podobne dżety kwarkowe będą produkowane głównie w oddz. silnych i rozpad H zginąłby w tle. Okazuje się, że łatwiej szukać rozpadów: D. Kiełczewska, wykład 9

Poszukiwanie cząstek Higgsa w LHC 2) Jeśli to stosunki rozgałęzień na rozpady na W i Z stają się dostatecznie duże, żeby skorzystać z łatwiejszej separacji od tła leptonów niż hadronów. niewidoczne masa niezmiennicza 4 leptonów ale małe prawd. rozpadu D. Kiełczewska, wykład 9

D. Kiełczewska, wykład 9

Higgs w detektorze CMS Symulacja działania detektora CMS dla zdarzenia: D. Kiełczewska, wykład 9

Poszukiwanie cząstek Higgsa w LHC Powyżej rozważaliśmy tylko cząstkę Higgsa H0 przewidzianą w Modelu Standardowym. Natomiast w modelach supersymetrycznych przewidywanych jest więcej cząstek Higgsa. Stan LHC: od III 2010 zbiera dane przy energiach 2*3.5 TeV D. Kiełczewska, wykład 9

Supersymetria (SUSY) Podstawowa symetria: każdy fermion ma supersymetrycznego partnera bozonowego każdy bozon ma supersymetrycznego partnera fermionowego Symetria zakłada te same masy, ładunki i te same sprzężenia dla supersymetrycznych partnerów. Fakt, że dotychczas nie znaleziono żadnego supersymetrycznego partnera zwykłych czastek świadczy o tym, że symetria jest łamana przy niedostatecznie dużych energiach. Masy cząstek SUSY >100 GeV D. Kiełczewska, wykład 9

Cząstki SUSY cząstki SM R partnerzy SUSY R -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 Spin = 1/2 Spin = 0 1 -1 1 -1 Spin = 1 Spin = 1/2 Spin = 0 higgs Spin = 1/2 higgsino -1 1 s- spin, L- liczba leptonowa, B-liczba barionowa D. Kiełczewska, wykład 9

Po co SUSY? - problem hierarchii Wielkie unifikacje cząstki o wielkich masach nieskończone poprawki radiacyjne Ale poprawki od pętli fermionowych i bozonowych mają przeciwne znaki, czyli symetria SUSY prowadzi do skasowania poprawek Np. masa Higgsa: stop top Pod warunkiem, że D. Kiełczewska, wykład 9

Nowa liczba kwantowa – parzystość R Wszystkie „stare” cząstki mają R=+1 Cząstki SUSY mają R=-1 Iloczyn R jest zachowany Tzn. cząstki SUSY muszą być produkowane tylko parami: Czyli najlżejsza cząstka SUSY (LSP) powinna być stabilna LSP jest kandydatem na cząstkę Ciemnej Materii D. Kiełczewska, wykład 9

Najlżejsza cząstka SUSY - LSP Jeśli LSP jest cząstką Ciemnej Materii to: LSP pozostały z Wielkiego Wybuchu i wypełniają Wszechświat Oddziałują tylko grawitacyjnie, bo inaczej już by zostały zaobserwowane. Są więc neutralne. Nie mogą znikać w oddz. z normalną materią, bo zabrania im zachowanie parzystości R. Kandydaci: grawitino oraz neutralino (mieszanka fotina, zina i higgsina) Bardzo trudne do wykrycia! D. Kiełczewska, wykład 9

Detekcja cząstek SUSY Główna cecha przypadków z udziałem cząstek SUSY to duży niezbilansowany pęd poprzeczny, bo zawsze na końcu muszą powstawać jakieś LSP, które są ciężkie, neutralne i nie rozpadają się. LEP LHC nie znaleziono cząstek SUSY - wyznaczono ograniczenia na ich masy poszukiwania właśnie się rozpoczęły D. Kiełczewska, wykład 9

Grawitino w LHC? Załóżmy, że grawitino jest najlżejszą cząstką SUSY: np. o masie 10 GeV Wtedy cząstka SUSY najlżejsza z pozostałych, np. stau rozpadałby się: z bardzo długim czasem życia, bo sprzężenie grawitacyjne b. małe Czas mógłby być rzędu godzin, lat...... Czyli będzie szukany czyli naładowana cząstka, o dużej masie, wychodząca z wielkich detektorów LHC D. Kiełczewska, wykład 9

Rozpad protonu w SUSY Zachowanie parzystości wymaga tylko zachowania B-L czyli możliwy rozpad z niezachowaniem oddzielnie B i L : Model SU(5) SUSY przewiduje dla tego rozpadu: Podczas gdy doświadczalnie stwierdzono: (gdzie B to stosunek rozgałęzień dla tego rozpadu) model SU(5) SUSY wykluczony Problem rozpadu protonu stał się problemem doświadczalnym - teoretycznie możliwy jest b. szeroki zakres parametrów. D. Kiełczewska, wykład 9

Zagadkowy wynik CDF Badanie di-bozonów WW, WZ0 arXiv:1104.0699 D. Kiełczewska, wykład 9

Zagadkowy wynik CDF a) „excess significant at 3.2 s.d” masa niezmiennicza 2 dżetów masa niezmiennicza 2 dżetów a) „excess significant at 3.2 s.d” b) „the cross section of the observed excess is not compatible with SM WH production with ” nonSM Higgs??? np. arXiv:1104.5209 D. Kiełczewska, wykład 9

Podsumowanie Symetrie cechowania w Modelu Standardowym narzucają przenoszenie oddziaływań przez „bozony cechowania” Ale z obserwacji wiemy, że bozony oddz. słabych mają wbrew symetrii bardzo różne masy Aby nadać im masy zaproponowano mechanizm Higgsa W dotychczasowych eksperymentach nie znaleziono cząstki Higgsa - nadzieja w LHC Teoria SUSY (Supersymetrii) przewiduje wiele nowych cząstek o masach od 100 do 1000 GeV - nadzieja w LHC D. Kiełczewska, wykład 9