Higgspartikeln. och materiens minsta beståndsdelar. Johan Rathsman Teoretisk Partikelfysik Lunds Universitet. NMT-dagar i Lund

Transkript

1 och materiens minsta beståndsdelar Teoretisk Partikelfysik Lunds Universitet NMT-dagar i Lund

2 Översikt 1 och krafter 2 ska partiklar och krafter 3 på jakt efter nya partiklar 4

3 och krafter

4 materiens minsta byggstenar All materia består av kvarkar och elektroner

5 håller materian samman

6 Elementarpartikelfysikens standardmodell Beskriver materien och de elektromagnetiska, starka och svaga krafterna i detalj (men inte gravitation)

7 den sista pusselbiten

8 Uppta ckten sommaren 2012 publicerades omga ende i en ledande tidskrift

9 Klar signal från pp H γγ weights / 2 GeV Σ Σ weights - Bkg ATLAS -1 s=7 TeV, Ldt=4.8fb -1 s=8 TeV, Ldt=5.9fb Data S/B Weighted Sig+Bkg Fit Bkg (4th order polynomial) H γγ (m =126.5 GeV) H m γγ [GeV]

10 Observation av vid LHC kandidathändelse för pp H ZZ µ + µ µ + µ

11 koppling till andra partiklar kopplingen proportionell mot massan

12 Var det allt?

13 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa

14 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat

15 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 125 GeV/c 2 (jfr m proton = GeV/c 2 = kg)

16 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 125 GeV/c 2 (jfr m proton = GeV/c 2 = kg) 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner?

17 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 125 GeV/c 2 (jfr m proton = GeV/c 2 = kg) 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner? 4 Varför har protonen och elektronen lika stor laddning?

18 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 125 GeV/c 2 (jfr m proton = GeV/c 2 = kg) 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner? 4 Varför har protonen och elektronen lika stor laddning? 5 Varför bara materia och ingen antimateria?

19 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 125 GeV/c 2 (jfr m proton = GeV/c 2 = kg) 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner? 4 Varför har protonen och elektronen lika stor laddning? 5 Varför bara materia och ingen antimateria? 6 Varifrån kommer den mörka materien?

20 Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < GeV/c 2 m e = GeV/c 2 m t = 172 GeV/c 2 m W = 80.2 GeV/c 2 m Higgs = 125 GeV/c 2 (jfr m proton = GeV/c 2 = kg) 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner? 4 Varför har protonen och elektronen lika stor laddning? 5 Varför bara materia och ingen antimateria? 6 Varifrån kommer den mörka materien? 7 Varför är så lätt?

21 Problem med Varfo r a r mycket la ttare a n Planckmassan? (den skala da r gravitationen a r lika stark som o vriga krafter) Kvantmekaniska bera kningar i standardmodellen fo rutsa ger mhiggs mplanck GeV/c2

22 Partiklar och krafter s massa Antipartiklar ska partiklar och krafter

23 ska partiklar och krafter Partiklar och krafter s massa Antipartiklar varje partikel har en supersymmetrisk partner

24 s massa med supersymmetri Om supersymmetrin är exakt förvinner alla kvantmekaniska korrektioner till s massa Partiklar och krafter s massa Antipartiklar + = 0 n förutsa att m Higgs < 140 GeV/c 2 Priset vi får betala är en dubblering av antalet elementarpartiklar ingen supersymmetrisk partikel har hittats (ännu) Samtidigt om den lättaste supersymmetriska partikeln är stabil kan den förklara den mörka materien

25 Antipartiklar Inte första gången en teori förutsäger en dubblering av antalet partiklar Paul Dirac förutsa antipartiklar då han formulerade en relativistisk ekvation för elektroner (Poincaré-symmetri) Partiklar och krafter s massa Antipartiklar

26 CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser på jakt efter nya partiklar

27 Elementarpartikelfysikcentret CERN CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser På landsbygden utanför Genéve finns LHC tunneln: ca 100 m under marken och med omkrets 27 km

28 LHC tunneln CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser Hela ringen är fylld med 1232 supraledande magneter nedkylda med flytande helium till 1.9 grader över absoluta nollpunkten kallare än i yttre rymden

29 LHC magneter CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser Magneterna böjer strålar med protoner så att de kan cirkulera i tunneln en stråle i vardera riktning

30 LHC experimenten CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser Forskare från Lund deltar i två av experimenten: ATLAS studerar och letar efter nya partiklar ALICE försöker återskapa förhållandena några sekunder efter Big Bang

31 CERN med ATLAS-experimentet ovan jord CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser

32 ATLAS toroid magneter CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser ATLAS detektorn är 20 meter hög och 40 meter lång

33 ATLAS detektorn CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gra nser Hela volymen a r fylld av olika detektordelar Mitt i detektorn kolliderar protoner som kommer in fra n varsitt ha ll med procent av ljushastigheten I protonkollisionen kan nya partiklar produceras

34 ATLAS bakgrundsprocesser CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser Men för det mesta kommer bara kvarkar att produceras

35 ATLAS signal för en supersymmetrisk partikel CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser ska skvarkar som produceras sönderfaller till kvarkar vilka syns i detektorn men också den lättaste supersymmetriska partikeln ( χ 0 1 ) som förvinner utan att lämna några spår ger obalans i transversella planet

36 ATLAS gränser på supersymmetriska modeller LHC startade med högre energi (13 TeV) sommaren 2015 men ännu inga signaler på supersymmetri! Exempel: Sökande efter supersymmetriska gluinos i multi-jet händelser CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser p p g g q q W Z q χ ± 1 χ 0 2 χ ± 1 χ 0 2 q Z W χ 0 1 χ ) [GeV] 1 m(χ g- ~ g, ~ g ~ 1.5e e e e e+02 0 ± 0 0 ± 0 qqwz χ ; m( χ )=[m( g)+m( ~ χ )]/2, m( χ )=[m( χ )+m( χ )]/ e e+03 Expected (±1 σ exp ) SUSY Observed (±1 σ ) theory 3.9e+05 2e e e e e e+02 2e e e e ATLAS Multijets + E miss Combined T 1 s=13 TeV, 3.2 fb All limits 95% CL e m( ~ g) [GeV] Numbers give 95% CL upper limits on the production cross-section [fb] Sökandet fortsätter våren 2017

37 Frågor för LHC Varför är så lätt jämfört med Planckmassan? Finns det supersymmetriska partiklar? Består mörk materia av den lättaste supersymmetriska partikeln? Finns det fler krafter eller förenas all krafter vid hög energi i en urkraft? Finns det andra partiklar som ännu ej förutsagts?