Den experimentella partikelfysikens framtid.

Den experimentella partikelfysikens framtid. Sten Hellman materiens minsta beståndsdelar 2002 Vad vill vi veta? Varför? Hur skall det gå till? 2

Det finns många frågor som partikelfysiker vill ha svar på, men de flesta har minst en av följande frågor högt på vår önskelista: 1 - Hur uppkommer vilomassa? 2 - Vad består universums mörka materia av? 3 - Varför finns det mer materia än anti-materia i universum? Är Higgsmekanismen den korrekta beskrivningen av det elektrosvaga symmetribrottet? Finns det supersymmetriska partiklar, och är R-paritet bevarad? Hur skall vi förklara CP-brottet Frågorna exemplifierar att egenskaperna hos materiens minsta beståndesdelar och de krafter som verkar mellan dessa har ett avgörande inflytande på hur den värld vi lever i ser ut. De illustrerar också den starka koppling mellan partikelfysik och kosmologi som vuxit fram de senaste decennierna. 3

Vad är vilomassa? - inte så självklart som vi kanske tror! n + 92 U 235 54 Xe 140 + 38 Sr 94 + 2n 180 MeV E = mc 2 4

5 I ett material, t.ex. glas, går ljuset långsammare än i luft

Förklaringsmodeller: Abosrption och re-emission - + + - + - + - - - Eller... Fotonen har en massa i materialet, där den växelverkar med det elektromagnetiska fältet - + - - - - + + + - Rörelse-energi Rörelse-energi och massa (E=mc 2!) Rörelse-energi 6

På ett analogt sätt kan man anta att t ex en elektron som rör sig i vakuum saktar upp (=erhåller massa) genom att växelverka med ett fält - Higgs-fältet e - Vi behöver något i stil med Higgs-fältet i partikelfysiken, annars fungerar inte Standard modellen! en unik egenskap hos Higgs-fältet är att det finns överallt, det är skilt från noll även i vakuum (jfr det elektromagnetiska fältet som är noll om det inte finns elektriska laddningar närvarande) olika partiklar erhåller olika massa pga att de kopplar olika starkt till Higgs-fältet För att visa att det här är en riktig teori vill vi producera den fältpartikel som hör till Higgs fältet - Higgspartikeln 7

Så hur producerar vi Higgspartiklar? Alla processer vi kan visa grafiskt kan naturen både köra baklänges och i sidledd - så länge energi och rörelsemängd är bevarad! e - Higgs Reglerna för hur man manipulerar den här typen av diagram - Feynmandiagram - säger att när en roterad pil pekar åt fel håll (här från höger till vänster) så representerar den en antipartikel, alltså en positron e + Higgs Higgspartiklen sönderfaller sedan till ett par av partikelantipartikel e - 8

Att en partikel har hög massa beror på att den kopplar starkt till Higgsfältet, omvänt så kopplar en Higgspartikel starkast till tunga partiklar, det medför två saker: e - e + 1 Higgs 2 2 - När Higgspartikeln sönderfaller till partikel-antipartikel så sker det med störst sannolikhet till de tyngsta möjliga partiklarna. Eftersom energin måste bevaras betyder det att Higgs partiklen helst sönderfaller till den tyngsta partikeln som har en massa mindre än hälften av Higgspartikelns. 1 - elektronen och positronen har inte så stor sannolikhet att skapa just en Higgspartikel när de kolliderar. Oftast bildas någon annan partikel, till exempel en Z- partikel 9 Så skall vi hitta Higgs bör vi titta på andra processer:

elektron Z * Z Higgs Z- och Higgspartikeln sönderfaller var för sig till ett partikelantipartikel par. Det är dessa sönderfallsprodukter som vi ser i våra detektorer. positron Den här Z-partikeln måste ha samma massa som en Z och en Higgs tillsammans. Den måste låna energi för det och är därför extremt kortlivad. E t h en partikel som på detta sätt existerar under en kort tid, med fel massa, betecknas med en * 10

11

12

13 ALEPH

Produktion och sönderfall av Higgs positron Z kvark anti kvark En Higgs med massa 114 GeV sönderfaller nästan enbart till b & anti-b elektron Z * Higgs b-kvark anti b-kvark Men i experimentet kommer också sk bakgrundsprocesser att produceras, till exempel: positron W* Z Här gömmer sig Higgs? elektron W* Z 14

15 Höstens HIGGS searcy

Inom partikelteorin har man länge studerat så kallade supersymmetriska teorier. Varje partikel en partner, elektronerna har selektroner och så vidare. Dessa bildades - liksom alla andra partiklar - i big-bang De tyngsta sönderfaller, liksom de tyngsta av de vanliga partiklarna Den lättaste - en slags partner till fotonen - skulle kunna vara stabil och finnas kvar i universum Eftersom vi inte har upptäckt några supersymmetriska partiklar måste de vara ganska tunga kvark gluon elektron neutrino myon foton W Z Higgs skvark gluino selektron sneutrino smyon fotino Wino Zino Higgsino 16

En supersymmetrisk partner har samma: - laddning - växelverkan (gluino växelverkar endast starkt, selektronen elektromagnetsikt och svagt och så vidare) som partikeln De flesta - men inte alla - teorier antar att supersymmetriska partiklar har ett multiplikativt kvant-tal, R-paritet, som är bevarat. Detta skulle i så fall medföra att: ~ e + e + Supersymmetriska partiklar produceras parvis e - Z _ ~ _ q gluon t ~ e - q t Den lättaste supersymmetriskas partikeln - LSP -kan inte sönderfalla. om R-paritet är bevarad så skall varje vertex innehålla ett jämt antal supersymmetriska partiklar - alltså kan en SUSY partikel bara sönderfalla till ett udda antal SUSY partiklar ~ t W b ~ b ~ χ o 1 Chi-noll-ett, eller den lättaste neutralion, en blandning av SUSYpartners till Z, foton och Higgs partiklarna. Vanligaste kandidaten för LSP 17 Den här typen av partiklar skulle kunna vara lösningen på ett kosmologiskt problem: - det verkar som om det finns något därute som vi inte vet vad det är!

Finns det mer därute? 18 Andromeda galaxen

Rotationskurvor Om däremot det mesta av massan är koncentrerad i centrum av systemet så säger Keplers lag: Vinkelhastigheten är ungefär konstant för objekt som befinner sig inuti en någorlunda jämn massfördelning v ~ 1 r 1/2 19

Mörk Materia NGC 6503 En elliptisk galax i Drakens stjärnbild, ca 25 miljoner ljusår ifrån oss Det finns mörk materia därute! Och det är inte - eller i alla fall inte så mycket - vanlig materia! 20

Inga SUSY partiklar hittade Vare sig vid hadronkolliderare... (UA1/UA2 vid CERN, CDF/D0 vid FNAL) eller vid LEP e - ~ t W b ~ q saknad energi _ q b hadron jets ~ χ o 1 ν χ o 1 e + χ + 1 χ - 1 χ o 1 ν 21

Vid Big bang var universum symmetriskt, det fanns lika mycket materia som antimateria. Här och nu är detta uppenbarligen inte längre sant - och det verkar vara så i hela det universum vi kan överblicka CP assymetrin Så vart tog antimaterien vägen? Svaret finns kanske inom partikelfysiken: Det finns en partikel - K 0 mesonen som oscillerar fram och tillbaka mellan partikel och antipartikel anti-särkvark anti-nerkvark. K 0 K 0 nerkvark särkvark.. Så länge som detta är symmetriskt så ger det här ingen förklaring till varför vi finns, det är lika sannolikt att en partikel blir antipartikel som tvärtom: K-mesonen tillbringar i så fall lika mycket tid som partikel som antipartikel och när den sönderfaller (och oscillerandet slutar) så är det lika troligt att den är det ena som det andra. Men K-systemet är inte symmetriskt! Det är enklare för antipartikeln att oscillera till en partikel än motsatsen. Detta är den enda process vi sett som inte är symmetrisk mellan partiklar och antipartiklar. 22

Så hur undersöker man CP-brott Producera en b och en anti-b kvark Dessa hadroniserar till en B 0 och en B 0 meson µ + När en av dem sönderfaller på ett sätt som är unikt för ett egentillstånd, taggas den andra som det motsatta tillståndet. b - _ B 0 Positiv myon - alltså anti-b b Andra sidan innehåller b-kvarken B 0 K 0 π + J/Ψ e - e + π - De gånger den andra sönderfaller på ett sätt som är möjligt för bägge typerna av neutrala B-mesoner kan man testa om detta sönderfall sker på olika sätt beroende på vilken typ man taggat med. Om så är fallet så är detta en inidikation på CP brott. 23

PEP-II vid SLAC kolliderar 9 GeV elektroner med 3.1 GeV positroner Assymetriska kollisioner gör det enklare att mäta sönderfallssträckor, och därmed livstider. 24

För att kunna gå vidare behöver vi acceleratorer med högre energi: Produktion av en partikel är i princip att köra sönderfallet baklänges: Samma partikel kan produceras genom att låta de partiklar som bildas i ett sönderfall kollidera - med precis rätt energi! positron En Z-partikel med massan 90 GeV kan sönderfalla till en elektron och en positron Z elektronen och positronen får då vardera energin 45 GeV, eftersom deras massa är lite blir detta huvudsakligen rörelse-energi elektron En elektron och en positron vardera med rörelse-energi 45 GeV kan producera en Z. elektron Z positron Vill man producera en Higgs partikel genom att kollidera elektroner och positroner måste de var och en ha en energi som motsvarar halva massan av Higgs partikeln Så ju tyngre partiklar vi vill producera desto kraftfullare acceleratorer behövs. 25

Acceleratorer kan klassificeras som Hadronkolliderare (proton-proton eller proton-antiproton) En hadron är ett sammansatt objekt: Valenskvark Sjökvark Gluon Den fundamentala kollisionen kan vara kvark-kvark, kvark-antikvark, (anti)kvark-gluon, gluon-gluon. - en stor mängd olika partiklar kan bildas - den starka växelverkan dominerar. Processer som enbart sker med svag eller elektromagnetisk växelverkan får stora bakgrunder Sannolikhet - kollisionsenergin är ej välbestämd Leptonkolliderare (elektron-positron) Elektroner och positroner är elementarpartiklar i ordets egentliga mening: - man kan bara producera partiklar, eller par av partiklar som har samma kvant-tal som ett partikelantipartikelpar, som t ex Z eller Higgs, eller ett nytt par av partikel-antipartikel som t ex top och anti-top. Däremot kan man inte producera t ex enstaka W. - leptonerna känner endast den elektrosvaga kraften. Inga stora bakgrunder från stark-växelverkan processer - kollisionsenergin är välbestämd. Det betyder att man kan stämma av energin så att den är densamma som den partikel man vill producera. Då kommer sannolikheten att bilda just den partikeln att dominera, man kan alltså på sätt och vis bestämma vad som skall produceras. 26 Andelen av hadronens energi som bärs av partoen

Synkrotronstrålning En laddad partikel som accelereras, till exempel genom att böjas av i ett magnetfält, sänder ut elektromagnetisk strålning, synkrotronljus. Denna strålning bär med sig energi bort från de accelererade partiklarna. Denna energi måste ersättas av acceleratorn. Hur mycket energi som förloras är proportionellt mot fjärde potensen av energin hos partiklarna, E 4, och är omvänt proportionellt mot krökningsradien. Dessutom beror energiförlusterna på partikelns massa. Sammantaget förlorar partiklarna i en accelerator: elektroner E = 88.5 E 4 r protoner E = 7.8 E 4 r ( E i GeV, r i km) När energin går upp ökar kostnaden för att ersätta förlorad energi snabbt Detta försöker man motverka genom att öka r, man bygger större ringar, vilket också blir mycket dyrt En möjlig utväg blir att bygga linjära kolliderare, en ganska komplicerad affär, eftersom man då måste se till att accelerera partiklarna till högsta energi på en enda passage genom acceleratorn. 27

Så framtiden verkar ligga inom: Cirkulära hadron-kolliderare relativt lätt att få höga energier generella i bemärkelsen att man har många olika typer av kollisioner, och därigenom kan producera en stor mängd olika partiklar. Detta ökar chanserna för oväntade upptäckter. ställer stora krav på detektorerna, bakgrunden från processer som sker via den starka växelverkan är mycket stor. En maskin för upptäckter Linjära lepton-kolliderare tekniskt svårare att nå höga energier enklare att ställa in, genom att välja energi kan man påverka vilka partiklar som bildas enklare för detektorer, inte så mycket bakgrund 28 En maskin för precisions-studier

LHC -parametrar: 14 TeV proton-proton kollisioner tungjonkollisioner 28 km omkrets 8.6 Tesla magnetfält 2 stora general purpose detektorer för proton-proton ATLAS och CMS 1 dedicerat experiment för att studera CP-brott i B-systemet 1 dedicerat tungjon experiment ALICE som protonkolliderare kommer LHC att producera 9 000 000 000 kollisioner per sekund och experiment Färdig för datatagning år 2007 29

ALICE CMS 30 ATLAS

ATLAS 31

ATLAS och Higgs Higgs massan 120 GeV: H -> γγ Higgs massan 130 GeV: H -> ZZ e + e - e + e - Higgs massan 700 GeV: H -> ZZ νν jj H -> WW e + ν e - ν 32

ATLAS och CP-brott i B-systemet ATLAS kommer att vara oerhört rikt på B-mesoner, men... man måste hitta dem bland alla övriga händelser man måste para ihop B-mesonerna korrekt för att bestämma vilken typ av B-meson som bildats Exempel B - -> µ - ν K - π + B 0 -> J/Ψ K 0 π + π - e + e - myonen från sönderfallet av den laddade B-mesonen används dels för att trigga eventet - dvs för att avgöra - att ett bb par producerats och dels för att avgöra - vilken kvark, b eller b, som den neutrala B-mesonen innehåller. Är CP bruten kommer man att se en skillnad på den neutrala sidan, beroende på om tagsidan har en positiv eller negativ myon 33

ATLAS och SUSY Att upptäcka supsersymmetri via den klassiska signaturen med jets och saknad energi kommer att vara relativt enkelt. Tvärsnitten för produktion är stora - produktionen sker via den starka växelverkan - och signalen tydlig. SUSY bör kunna upptäckas relativt snabbt för massor upp till 1.5-2 TeV Eftersom datamängderna kommer att bli stora så kommer detaljstudier att bli möjliga. Man kommer att kunna bestämma de flesta av teorins parameterar, som t ex massor för olika partiklar med hög nogrannhet. 34

Linjärkolliderare JLC - Japan Linear Collider 15-20 kilometer: total längd 30-40 km 35

Linjärkolliderare Just nu bedrivs fyra förstudier: 1. TESLA vid DESY i Hamburg 2. JLC i Japan 3. NLC - Next Linear Collider - i USA Någon av dessa kommer säkert att projekteras en bit in på nästa decennium som en världsaccelerator. 4. CLIC - CERN Linear Collider - på CERN är ett mer långsiktigt projekt som kan realiseras en generation efter någon av de ovanstående. TESLA Total längd ca 33 km, kollisionsenergi 500+500 GeV, supraledande acceleratorelement (ca 20 000 st) som opererar vid 2K Tekniskt förslag framlagt i fjol, beslut kan tas nästa år. Beräknad byggtid 6-8 år. 36

Myonkolliderare - förenar det bästa av två världar: - de kolliderande partiklarna är leptoner, det vill säga sant elementära partiklar: vi kan bestämma initialtillståndet väl och stämma maskinen så att en given partikeltyp produceras, tex Higgs eller top - antitop par - myonerna är tunga, 200 gånger tyngre än elektronen: Problemet med synkrotronstrålning är mindre, och vi kan bygga en cirkulär maskin. Men. - myonen sönderfaller efter ca 2 microsekunder: Det gäller att skynda sig! Tidsdilationen hjälper, när de väl accelererats upp i hastigheter nära ljusets så lever de längre i labsystemet. Ändå har ungefär hälften av myonerna sönderfallit efter ca 1000 varv. - Dessutom produceras en intensiv neutrinostrålning som är omöjlig att skärma bort när myonerna sönderfaller. Detta leder till mer huvudbry när acceleratorn designas. Kanske måste acceleratorn ligga på en bergstopp eller i öknen. Men neutrinostrålarna kan användas för fysik!! 37

38

Så för att sammanfatta: Vi vill upptäcka: - ursprunget till vilomassan - universums okända materia - orsaken till att vi finns: asymmetrin materia-antimateria - något helt oväntat Och det gör vi: 2007 vid LHC 2012-2015 Vid en linjär leptonkolliderare 2025-???: Neutrinofabrik? Myonkolliderare? CLIC? VLHC (Very Large Hadron Collider)? 39