och materiens minsta beståndsdelar Teoretisk Partikelfysik Lunds Universitet NMT-dagar i Lund 2018-03-14
Översikt 1 och krafter 2 ska partiklar och krafter 3 på jakt efter nya partiklar 4
och krafter
materiens minsta byggstenar All materia består av kvarkar och elektroner
håller materian samman
Elementarpartikelfysikens standardmodell Beskriver materien och de elektromagnetiska, starka och svaga krafterna i detalj (men inte gravitation)
den sista pusselbiten
Uppta ckten sommaren 2012 publicerades omga ende i en ledande tidskrift
Klar signal från pp H γγ weights / 2 GeV Σ Σ weights - Bkg 100 80 60 40 20 8 4 0 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 -4-8 100 110 120 130 140 150 160 m γγ [GeV]
Observation av vid LHC kandidathändelse för pp H ZZ µ + µ µ + µ
koppling till andra partiklar kopplingen proportionell mot massan
Var det allt?
Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa
Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat
Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < 0.000 000 001 GeV/c 2 m e = 0.000 511 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 = 0.938 GeV/c 2 = 1.673 10 27 kg)
Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < 0.000 000 001 GeV/c 2 m e = 0.000 511 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 = 0.938 GeV/c 2 = 1.673 10 27 kg) 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner?
Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < 0.000 000 001 GeV/c 2 m e = 0.000 511 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 = 0.938 GeV/c 2 = 1.673 10 27 kg) 3 Varför tre olika generationer med kvarkar och leptoner? 4 Varför har protonen och elektronen lika stor laddning?
Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < 0.000 000 001 GeV/c 2 m e = 0.000 511 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 = 0.938 GeV/c 2 = 1.673 10 27 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?
Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < 0.000 000 001 GeV/c 2 m e = 0.000 511 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 = 0.938 GeV/c 2 = 1.673 10 27 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?
Problem med 1 Utan är alla partiklar masslösa fixat 2 Men varför har partiklar så olika massa? m ν < 0.000 000 001 GeV/c 2 m e = 0.000 511 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 = 0.938 GeV/c 2 = 1.673 10 27 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?
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 10 000 000 000 000 000 000 GeV/c2
Partiklar och krafter s massa Antipartiklar ska partiklar och krafter
ska partiklar och krafter Partiklar och krafter s massa Antipartiklar varje partikel har en supersymmetrisk partner
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
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
CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser på jakt efter nya partiklar
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
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
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
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
CERN med ATLAS-experimentet ovan jord CERN LHC tunneln LHC magneter LHC experimenten ATLAS ATLAS magneter ATLAS detektorn ATLAS bakgrund ATLAS signal ATLAS gränser
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
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 99.99999 procent av ljushastigheten I protonkollisionen kan nya partiklar produceras
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
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
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 0 1 0 ) [GeV] 1 m(χ 1000 800 600 400 200 g- ~ g, ~ g ~ 1.5e+05 1.2e+04 1.9e+03 6.9e+02 5.2e+02 0 ± 0 0 ± 0 qqwz χ ; m( χ )=[m( g)+m( ~ χ )]/2, m( χ )=[m( χ )+m( χ )]/2 1 1 1 2 1 1 1.3e+04 3.1e+03 Expected (±1 σ exp ) SUSY Observed (±1 σ ) theory 3.9e+05 2e+03 6.5e+02 3.3e+04 1.3e+02 2.5e+03 4.1e+02 2e+02 5.4e+02 1.9e+02 89 80 1.8e+02 34 ATLAS Multijets + E miss Combined T 1 s=13 TeV, 3.2 fb 93 55 37 28 24 51 41 92 26 22 21 19 All limits 95% CL 41 30 24 21 20 31 27 2e+02 85 26 26 20 21 19 19 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 96 53 27 24 35 23 21 19 19 18 20 18 m( ~ g) [GeV] Numbers give 95% CL upper limits on the production cross-section [fb] Sökandet fortsätter våren 2017
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?