LHC Vad händer? Christophe Clément. Elementarpartikelfysik Stockholms universitet. Fysikdagarna i Karlstad,

Transkript

1 LHC Vad händer? Christophe Clément Elementarpartikelfysik Stockholms universitet Fysikdagarna i Karlstad,

2 Periodiska systemet 1869 Standardmodellen 1995 Kvarkar Minsta beståndsdelar 1932 Leptoner 2

3 Färdigställa standardmodellen Varför har partiklarna massa? Kräver en ny partikel "Higgs-partikeln" Vad standardmodellen inte kan förklara Gravitation och kvantmekanik passar inte ihop Vad består mörk materia av? Nya fenomen vid hög energi? Varför 3 familjer av elementära partiklar?... Vi förstår endast ca 5% av universums innehåll! Kan vi tillverka mörkmateriepartiklar i labbet? 3

4 Large Hadron Collider (LHC) vid CERN Kolliderar protoner med 7 TeV 14 TeV i energi tillgänglig vid kollisionerna 27 km omkrets LHC- B CMS Eller hur kan man producera Higgs-partikeln och mörk materia i labbet..? ATLAS ALICE 4

5 Universums utveckling Vad är "14 TeV energi"? Big Bang LHC energi Första ljuset Nutiden Universum blir genomskinlig 2.7 K kosmisk bakgrundstrålning 5

6 Universums utveckling Vad är "14 TeV energi"? Big Bang LHC energi Första ljuset Nutiden Reproducera dessa förhållanden i labbet mha LHC Hög energi = liten skala 6

7 Universums utveckling Vad är "14 TeV energi"? Big Bang LHC energi Första ljuset Nutiden En enda kraft? Sträng teori? 7

8 Några Ord om Enheter _ Partikelfysik använder s.k. naturliga enheter h=c=1 Energi, massa och temperatur mäts i elektron Volt (ev) Längd och tid är i ev -1 1 ev = kinetisk energi hos en elektron som accelereras med 1 Volt potentialskillnad. 1 GeV = 10 9 ev ~ samma energi som viloenergin (E=mc 2 = mycket) för en proton som väger GeV ~ 1 GeV. 1 TeV = 1000 GeV Toppkvarken väger ca. 172 GeV, dvs. lika tungt som ca 172 protoner 7 TeV protoner betyder att deras kinetisk energi är 7000 ggr viloenergin hos en proton eller 40 ggr massan hos en toppkvark 8

9 27 km omkrets 1732 dipoler (8.3T) och quadrupole magneter, 15m långa m.m. 9

10 Läget med LHC Acceleratorn September 2008: första strålarna, inga kollisioner, problem med LHC November 2009: första kollisioner vid 900 GeV December 2009: kollisioner vid 2.36 TeV (världsrekord) April 2010: kollisioner vid 7 TeV ( TeV) ny världsrekord Oktober 2010: Geneve står kvar. Insamlat 13pb -1 av data ( pp collisions) Sedan april är målet att öka Luminositen = ett mått på hur många p-p kollisioner man åstadkommer per sekund Ökad luminositet fortare att nå Antalet kollisioner = K x Integrerad luminositet statistiken som behövs för att studera sällsynta fenomen. 6 månader LHC data redan slår Fermilabs Tevatron (10 år datatagning) i många avseenden 10

11 11

12 Christophe Clement Fysikdagarna I Karldstad

13 13

14 14

15 15

16 ATLAS och CMS Ska kunna detektera och studera ett brett spektrum av nya fenomen. LHCb specialiserad för studie av B-fysik och CP brott (asymetri mellan materia och anti-materia) ALICE specialiserad för att studera Kvark-Gluon-Plasma Detektorernas huvuduppgift: Identifiera olika typer av partiklar Elektroner, fotoner, myoner, tau-leptoner, pioner, andra starkväxelverkande partiklar (p, n, hadroner ), b-hadroner Mäta deras 4-vektorer Göra detta med 40 miljoner kollisioner i sekunden 16

17 ATLAS Experimentet 17

18 Standardmodellen Materiepartiklar (fermioner) = kvarkar, leptoner, neutriner Kraftförmeddlare (bosoner) = foton, gluon, W och Z bosoner Fermioner och bosoner har olika egenskaper Hundratals instabila hadroner 18

19 Naturens krafter och kraftförmedlare Typ Starka kärnkraften EM kraften Svaga kärnkraften Gravitationskraften 19

20 Förening av Naturens Krafter Kraftens styrka Energi 20

21 Mörkmateria Redan 1933 kunde man observera astronomiska system som är gravitationellt bunda, men den synliga massan räcker inte för att förklara dem observerade rörelserna. Christophe Clement Fysikdagarna I Karldstad

22 Mörkmateria (2) Galaxernas rotationskurvor tyder på att mycket mer materia finns men inte syns 22

23 Mörkmateria (3) Gravitatonella linser tillåter att beräkna massorna hos galaxklustrar. Den synliga massan ~1% av gravitationella massan. 23

24 Composition of the cosmos 24

25 Fysik Bortom Standardmodellen Varför? Standardmodellen Väldigt nogranna numeriska förutsägelser Förklarar ett väldigt brett spektrum av naturliga fenomen Men Partiklarna är masslösa utan Higgs bosonen Hierarki problemet: varför är partiklarna så lätta jämfört med GUT? >20 fundamentala parametrar (tex 1 för Newtons gravitations teori) Ingen gravitation Matematiska divergenser vid 1 TeV Ingen partikel som kan förklara mörkmateria Varför 3 fermion familjer? Varför finns det betydligt mer materia är antimateria? Icke slutlig teori Väntar på nya fenomen vid LHC energin 25

26 Higgs Mekanismen Krävs för att kunna förklara varför W och Z bosoner har massor. Ett av huvudmålen med LHC. Teorin förutsäger att W och Z bosoner är masslösa om inte Higgs partikeln introduceras. Vi observerar experimentellt att W och Z bosoner är tunga partiklar. Higgs mekanismen räddar standardmodellen, men det återstår att bevisa genom att upptäcka Higgs partikeln. ATLAS och CMS experimenten ska kunna upptäcka eller utesluta Higgs partikel i hela det tillåtna massområdet 26

27 Spontant Symetri Brott Vid temperatur högre än T curie magnetiska domäner pekar åt alla håll. Magnetisering = 0 Samma sak hände med Higgs bosonens vacuum expectation value vid Big Bang H Övergång till det kalla, symetribrytna tillståndet skedde tidigt efter Big Bang H Vid låg temperatur magnetiska domäner pekar åt samma håll. Magnetisering blir 0 Higgs fältet finns överallt även i tom rum och det är växelverkan mellan partiklar och Higgs bosonen som ger upphov till partiklarnas massor. 27

28 Higgs Produktion och Sönderfall Higgs massan (m H ) förutsägs inte av Standardmodellen Olika möjliga sluttillstånd I praktiken letar man efter All möjliga sluttillstånd Kombinera statistiskt resulaten Huvudkanaler: H γγ H WW H ZZ m.m. Andel av sönderfallen Higgs sönderfall som funktion av m H m H 28

29 Higgs Produktion och Sönderfall Sökandet efter Higgs blir svårare pga att man inte vet m H Man måste investigera hela det möjliga mass intervallet H WW 29

30 Higgs vid LHC med data H γγ signalen och bakgrunder 30

31 Partikelsammansättning (Compositeness) Vissa eller alla partiklar som betraktas som elementära dvs punktlika idag, skulle kunna betstå av preoner. Rutherford experiment var det första testet för en atom. Materiafördelning inuti atomen påverkar vinkelfördelning av dem spridna partiklarna. 31

32 Proton sammansättning= Kvarkar Låg rörelsemängd sond kan inte lösa upp kvarkarna proton u u d Hög rörelsemängd sond kan lösa upp kvarkarna om p är stor nog våglängden blir mindre än u d protonen (1 fm=10-15 m) <10-15 m ~ E>0.1 GeV (kinetisk energi >~10% av protonens viloenergi u 32

33 Kvark sammansättning? Vad händer om vi tillverkar λ mindre än ~10-19 m Kvark fortfarande punktlik?????????????? Utsikter för kvarksammansättning med ATLAS Protoner i LHC strålarna: p= TeV ~ ungefär energin hos kvarkar och gluoner i protonen λ på ca ~10-19 m (en storlekordning mindre än tidigare accltorer) Har kvarkarna beståndsdelar då kommer rörelsemängden och rörelsemängdsmoment hos slutprodukterna att påverkas. 15 TeV = m 20 TeV = m 25 TeV = m s=14 TeV L=30 fb -1 33

34 Kvark sammansättning? p p q or g q* g jet q jet slutprodukterna Invarianta massan för två 4-vektorer p 1, p 2 m 2 p1,p2 = (E 1 +E 2 )2 (p 1 +p 2 ) 2 Preliminärt utesluten region med ATLAS 400 < m q < 1290 GeV (~ m) 34

35 The calibrated jet pt values reconstructed are 455 and 392 GeV, giving a dijet invariant mass of 800 GeV. 35

36 Exempel på Invariant Massa: Z bosonen ATLAS och CMS har återupptäckt Z och W bosoner Viktiga signaler för kalibrering av detektorerna Antalet Z och W bosoner förutsägs av standard modellen Det kan användas för att testa standardmodellen q _ q 36

37 Z Produktion Tvärsnitt Tvärsnitt ~ sannolikhet att producera en Z boson i en p-p kollision Vi kan jämföra det observerade sannolikeheten att producera Z bosoner med Standardmodellens förutsägelse. Detta prövar vår förståelse av Quantum Chromo Dynamics Protonens innehåll 37

38 38

39 Supersymetri Starta fråm Standard modellen Materiepartiklar (fermioner) = kvarkar, leptoner, neutriner Kraftförmeddlare (bosoner) = foton, gluon, W och Z bosoner Olika egenskaper hos fermioner och bosoner Supersymetri = ny symetri i Naturen mellan fermioner och bosoner 39

40 Supersymetri Starta fråm Standard modellen Lägg till 1 Susy partner per SM partikel 40

41 Motivering för Supersymetri Lättaste SUSY partikeln är stabil och utgör en utmärk kandidat för mörkmateria (oladdad, tung, svagväxelverkan) Förklarar hierarki problemet Föreningen av naturens krafter Asymetri mellan materia och anti-materia Förre Ursprunglig mat+antimat Nu 41

42 Supersymetri Experimentellt p ~ q q ~ q χ~ 0 2 l ~ l R l χ~ 0 1 p ~ g ~ q Mörkmateriekandidat! Långa sönderfallskedjor med många partiklar. Den lättaste SUSY partikeln lämnar detektor spårlöst saknad energi! Kollisioner med SUSY ser ut som rörelsemängden inte bevaras E T miss = Vektor summa av alla rörelsemängder Borde vara noll, inom den experimentella upplösningen. Både SUSY och neutriner kan leda till höga värden av E T miss 42

43 43

44 Supersymetri och Saknade Energi Saknad energi används för att leta efter supersymetri i LHC ATLAS och CMS data Saknad Energi E T miss 44

45 Supersymetri Effektiv Massa används för att leta efter supersymetri och för en grov uppskattning av SUSY partiklarnas massor. M eff = Skalar summa av alla rörelsemängder uppmäta i planet vinkelrätt med strålriktningen På sikt, med hela LHC dataset kommer man kunna excludera eller hitta SUSY i hela det relevanta massområdet Effektiv Massa 45

46 Framåtblick Be ready for slhc New ID + address radiation/rate in LAr end-cap if needed Int. Luminosity Consolidation + new external beam pipes Phase L int ~ 1 fb -1 - Be ready for ultimate Luminosity - Insert new pixel b-layer (IBL) - Upgrade various systems for a better and sharper LVL1 trigger Phase -1 L int ~ fb -1 LHC-HL L int ~ 300 fb -1 L p < L p ~ L p ~ year L int / year = fb -1 Shutdown requirements : Phase-0 : 15 months (defined by the LHC consolidation) : 2012 to spring 2013 Phase-1 : 12 months (time necessary to install the new pixel b-layer) : entire 2016 Phase-2 : 18 months to install and debug the new ID detector : months technical stop at Xmas Could run to 2030 and provide 3000 fb-1 46

47 Slutsatser och Framåtblick LHC acceleratorn och experimenten är i full gång med att ta data ATLAS och CMS presenterade ca. 35 nya fysikmätningar var för sig vid sommarkonferenserna Först publikationerna har kommit ut Efter bara 6 månader data-tagning produceras resultat som är starkare än Tevatron acceleratorn efter 10 år data-tagning Nya resultat inom QCD, Electroweak, SUSY, Compositeness, ED, redan i pipeline som ska publiceras Den fulla dataset tagen över mer än 10 år, behövs för att nå den fulla potentiallen Vi ser framemot nya fenomen om den allra minsta mikrokospiska världen 47

48 48

49 Big bang Particle Physics pushes the limit of knowledge towards shorter times t=0 t~10 µs t~1 ms 49

50 Universums totalla innehåll The most precise observation today (WMAP) 50

51 Universum när den var år gammal 51