Higgsbosonens existens

Transkript

1 Higgsbosonens existens Ludvig Hällman, Hanna Lilja, Martin Lindberg ( ) ( ) ( ) SH maj 2013

2 Innehåll 1 Sammanfattning 2 2 Standardmodellen Kraftförmedlarna Materiepartiklarna Generationer Higgsbosonen Att skapa higgsbosoner Higgsbosonens sönderfall Resultat H W + W H γγ H ZZ Sammanställning av resultat

3 1 Sammanfattning Higgsbosonen är en viktig del av standardmodellen som bland annat beskriver varför vissa partiklar har massa. Eftersom det är en mycket instabil partikel kan den inte detekteras direkt, i stället undersöker man förekomsten av dess sönderfallsprodukter. Med mätresultat från ett flertal olika sönderfallskanaler har man kommit fram till att higgsbosonen existerar och har en massa omkring 125 GeV. 2 Standardmodellen I standardmodellen skiljer man främst på två sorters partiklar, dessa är materiepartiklar och kraftförmedlare (se fig. 1). Materiepartiklarna är de som bygger upp materian medan kraftförmedlarna förmedlar krafterna mellan dem. Figur 1: I standardmodellen skiljer man på materiepartiklar och kraftförmedlande partiklar. 2

4 2.1 Kraftförmedlarna Kraftförmedlarpartiklarna är de partiklar som förmedlar krafterna mellan materiepartiklarna. Kraftförmedlarpartiklarna går under det gemensamma namnet bosoner. I standardmodellen ingår tre av de fyra fundamentala krafterna och tillhörande kraftförmedlarpartikel. Dessa är den starka kraften vars förmedlarpartikel är gluonen (g), den elektromagnetiska kraften vars förmedlarpartikel är fotonen (γ) och den elektrosvaga kraften som förmedlas av vektorbosonerna (W +, W och Z 0 ) (se de röda rutorna i fig. 2). Den fjärde kraften (som inte ingår i standardmodellen) är gravitationen, dess förmedlarpartikel är gravitonen (G) som det för nuvarande inte finns några bevis för att den existerar, men den är ändå accepterad. Medan gluonen och fotonen saknar massa, vilket antyder oändlig räckvidd, så är W ± och Z 0 partiklarna väldigt massiva (se fig. 2). Figur 2: Partiklarna som standardmodellen bygger på. 3

5 2.2 Materiepartiklarna Materiepartiklarna delas upp i leptoner och hadroner. Leptonerna är de lätta partiklarna (namnet kommer från grekiska ordet för lätt). Leptonerna växelverkar genom den ovan nämnda elektrosvaga kraften och de delas in i tre familjer: Familj 1: elektron e och elektron-neutrino ν e Familj 2: myon µ och myon-neutrino ν µ Familj 3: tauon τ och tauon-neutrino ν τ Det enda som egentligen skiljer dessa tre familjer åt är deras massa (se fig. 2) samt att myonen och tauonen är instabila och därför tenderar att sönderfalla, till skillnad från elektronen som är en stabil partikel. Alla dessa sex partiklarn har även så kallade anti-partiklar. Dessa har exakt samma egenskaper förutom att de har motsatt tecken på den elektriska laddningen. Ett exempel är positronen, den positivt laddade elektronen. Figur 3: Baryoner. Leptonerna är så kallade elementarpartiklar, det vill säga de är inte uppbyggda av andra partiklar, vilket däremot hadronerna är. Hadronernas mindre beståndsdelar kallas kvarkar. Beroende på hur en hadron är uppbyggd skiljer man även här på två fall, mesoner och baryoner. Baryoner är uppbyggda av 3 st kvarkar (fig. 3) medan mesoner är uppbyggda av en kvark och en anti-kvark (fig. 4). Exempel på baryoner är protonen och neutronen, exempel på mesoner är pimesonerna: π +, π 0, π. Det finns sex olika kvarkar, dessa är uppkvark (u), nerkvark (d), särkvark (s), charmkvark (c), toppkvark (t) och bottenkvark (b). Dessa delas också in i tre familjer (se se fig. 1). En intressant egenskap med kvarkarna är att deras laddning inte är en heltalsmultipel av elementarladdningen. Deras olika laddningar (som kan ses i fig. 2) Figur 4: Mesoner. är istället ± 1e och ± 2 e där e är 3 3 elementarladdningen. På detta sett får protonen och neutronen sin posi- 4

6 tiva respektive neutrala laddning. Protonen består av två uppkvarkar och en nerkvark (uud) = +1. Neutronen är sammansatt av udd = 0, och för t.ex π (ūd) 2 1 = Mellan kvarkarna verkar den starka kraften. Kvarkarna är de enda av fermionerna som har färgladdning, vilket en partikel måste ha för att växelverka genom den starka kraften. Till skillnad från den elektriska laddningen som har antingen + eller så har färgladdning tre alternativ: röd, grön och blå. Detta medför att antikvarkarna har anti-röd, anti-grön och anti-blå (se fig. 5). Vit färg mostvarar neutral färgladdning. På grund av färgladdningarna kan kvarkar inte existera som fria partiklar, utan endast tillsammans som hadroner. Hadroner är färgne- Figur 5: Färgladdningar. utrala system som alltså inte påverkas av den starka kraften. 2.3 Generationer Standardmodellens partiklar delas också in i 3 generationer (se fig. 2). Varje generation består av två kvarkar och två leptoner. De olika generationerna kan ses som en hierarki efter massa, där den tredje generationens partiklar har högst massa och partiklarna i första generationen lägst. Ett undantag till detta är de neutrala leptonerna, neutrinerna, som alla är nästintill masslösa oberoende av generation (man trodde länge att neutrinon var masslös, först på 90-talet visades genom experiment att detta inte kunde stämma). Den större massan hos högre generationers partiklar resulterar i sönderfall till lägre generationers partiklar. Slutsatsen är att högre ordningens partiklar är instabila, till skillnad från första generationens. 3 Higgsbosonen Higgsbosonen, en oladdad partikel med spinn 0, är en viktig del av standardmodellen, den beskriver bland annat varför vissa partiklar har massa. 3.1 Att skapa higgsbosoner I sökandet efter higgsbosonen används stora partikelacceleratorer. När protoner kollideras i hög hastiget kan higgsbosoner skapas genom flera olika 5

7 processer. Den dominerande processen är gluonfusion, två gluoner utbyter en toppkvark och toppkvarkarna slås ihop till en higgsboson. En Higgsboson kan också skapas tillsammans med en W ± - eller Z 0 -boson vid kollision av en kvark och en antikvark. Även fusion av W ± - och Z 0 -bosoner är en möjlig väg att skapa higgsbosoner (fig. 6). Figur 6: Higgsbosoner kan skapas på flera olika sätt. 3.2 Higgsbosonens sönderfall Higgsbosonen är en mycket instabil partikel och sönderfaller därför omedelbart efter att den skapats. Till följd av detta kan higgsbosonen inte detekteras direkt, i stället detekteras spåren efter den, det vill säga dess sönderfallsprodukter. För higgsbosonen finns ett flertal möjliga sönderfallsprocesser med olika sannolikhet att inträffa, beroende på higgsbosonens massa (fig. 7). Figur 7: Higgsbosonens sönderfallskanaler och deras sannolikheter. 6

8 För en higgsboson med massa omkring 125 GeV är det dominerande sönderfallet det till två bottenkvarkar, andra möjligheter två fotoner, två tauoner, två W ± -bosoner eller två Z 0 -bosoner. De två sista sönderfaller sedan vidare till 4 leptoner. Olika sönderfall lämnar olika typer av spår, till exempel gör starka magneter att rörelsebanorna för laddade partiklar böjs av, medan oladdade partiklar som fotoner inte påverkas. Fotoner ger av denna anledning ett tydligt avtryck i detektorn och är lätta att känna igen. Foton-sönderfallet är, trots att det har relativt liten sannolikhet att inträffa, därför av stor vikt. Vissa sönderfallsprodukter är svåra att detektera, till exempel kvark och anti-kvark paren, eftersom kvarkar inte kan existera i ensamt tillstånd. Det har också visat sig att vissa av sönderfallen som skulle kunna komma från higgs är vanligare förekommande vid sönderfall av andra partiklar. Detta har resulterat i att vissa sönderfallskanaler används mer än andra vid forskning. Utöver ovan nämnda foton-sönderfall har man i första hand använt sig av W ± - och Z 0 -sönderfallen (det vill säga de leptoner dessa söndefaller vidare till). När man tittar på en kanal studerar man på två saker, bakgrund och signal. Bakgrunden beskriver hur mätreslutaten skulle ha sett ut om higgspartikeln inte existerat. Det är alltså skillnaden mellan bakgrunden och de faktiska resultaten som är intressant. I nästa avsnitt beskrivs resultaten från W + W -, ZZ- samt γγ-sönderfallen. 7

9 3.3 Resultat H W + W W-bosonparet är det näst mest sannolika sönderfallet hos higgspartikeln. Dessa två vektorbosoner sönderfaller i sin tur till fyra leptoner, varav två är laddade leptoner som fångas in av detektorns magnetfält och registreras. I figur 8 visas de uppmätta datapunkterna från vilka den förväntade bakgrunden subtraherats (svarta prickar) och den (om Higgs bosonen existerar och har massan 125 GeV/c 2 ) förväntade avvikelsen från bakgrunden (röda rektanglar). De uppmätta händelsernas avvikelse från bakgrunden (toppen runt GeV) stämmer rätt så bra överens med den förmodade higgsmassan och den förväntade avvikelsen på grund av higgsbosonen. För detta sönderfall uppskattas kvoten signal/bakgrund till ca 15%. Figur 8: Resultat H W + W H γγ Även om γγ-sönderfallet inte är lika sannolikt som till exempel W + W lönar det sig ändå att studera det. En fördel med γγ-sönderfallet är att alla sönderfallsprodukter kan detekteras. När man detekterar fotonparen uppskattas kvoten signal/bakgrund till ca 3%. Så när det gäller γγ-sönderfallet är det 8

10 relativt få händelser som är resultat av ett higgs-sönderfall, det mesta är bakgrund. Figur 9 visar resultatet av detekterade fotonpar. Den streckade röda linjen är det väntade resultat om higgsbosonen ej hade existerat, det vill säga endast bakgrundshändelser. Den heldragna röda linjen är anpassad till den uppmätta datan (svarta prickar) och den mäter alltså både signal och bakgrund. Tar man skillnaden mellan de observerade händelserna och den anpassade bakgrundskurvan erhålls den undre grafen i samma figur. Figur 9: Resultat H γγ H ZZ Liksom i fallet med γγ-sönderfall kan alla sönderfallsprodukter i ZZ-sönderfallet registreras i detektorn. Vektorboson paret Z 0 sönderfaller vidare till fyra leptoner, man har studerat bevarandet av massa och energi i sådana sönderfall, och erhöll resultaten i figur 10. Grafen visar de olika fördelningarna, där röd och lila är förväntade bakgrund händelser om higgspartikeln inte funnits och de svarta prickarna är resultat av mätningar. Om man lägger ihop signal och bakgrund, det vill säga det förväntade om higgspartikeln existerar, stämmer det rätt så bra med det observerade resultatet. Mätpunkterna runt 125 GeV visar till och med ett överskott jämfört med den förväntade signalen från higgs. 9

11 Figur 10: Resultat H ZZ Sammanställning av resultat För att dra slutsatser om higgsbosonens existens och egenskaper studerar man resultaten från de olika kanalerna tillsammans. Figur 11 beskriver hur väl respektive sönderfallskanal stämmer överens med existensen av en higgsboson med massan 125,5 GeV. Signalstyrka 0 motsvarar att endast bakgrund detekterats, +1 innebär att de uppmätta resultaten stämmer precis överens med förekomsten av bakgrund tillsammans med higgsbosonen. Negativ signalstyrka betyder att mätningar givit lägre händelsefrekvens än motsvarande bak- Figur 11: Kombination av kanaler. grund i intervall där en higgboson borde ha givit en högre händelsefrekvens. Av grafen framgår att de tre tidigare diskuterade kanalerna (W + W -, 10

12 ZZ- samt γγ-sönderfallen) har signalstyrka 1 eller större. De övriga kanalerna ligger under 1 men har också betydligt större osäkerhet. Den kombinerade signalstyrkan är 1, 30 ± 0, 20. Det sammanställda resultatet visas i figur 12. De svarta punkterna är den uppmätta datan och grafen visar sannolikheten för att mätresultaten orsakats av enbart bakgrundshändelser, för olika massor på higgspartikeln. Som tydligt framgår av grafen är sannolikheten för att endast bakgrunden orsakat resultaten runt massan 125 GeV mycket liten (mellan och ). Sammantaget tyder reslutaten alltså på att higgsbosonen existerar och har en massa omkring 125 GeV. Figur 12: Sammanställning av resultaten från olika kanaler. 11