Fizyka LHC na detektorze ATLAS

Prezentacja na temat: "Fizyka LHC na detektorze ATLAS"— Zapis prezentacji:

1 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

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

3 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 ~ 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

4 The Large Hadron Collider (LHC)
pp collision cm : 14 TeV (x7 Tevatron) 25 ns bunch spacing proton/bunch Design lumi: cm-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

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

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

7 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

8 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

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

10 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 > 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= GeV mH < 193 GeV 95% C.L. LHC Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

11 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

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

13 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 Higgów/rok na LHC w zależności od masy Przekrój czynny dla pp  H + X Paweł Brückman de Renstrom 15 października 2009

14 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

15 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

16 Paweł Brückman de Renstrom
- tło H  gg produkcja gg : nieredukowalne (tzn. ten sam stan końcowy co sygnał): q g g  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

17 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

18 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 : (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

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

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

21 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

22 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

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