Higgsbosonens existens

Relevanta dokument
Standardmodellen. Figur: HANDS-ON-CERN

Föreläsning 12 Partikelfysik: Del 1

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

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

Hur kan man finna Higgs boson? Donna Montagna, Kalle Nyman & Peter Henningsson

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Föreläsning 8 Elementarpartiklar, bara kvarkar och leptoner

Upptäckten av Higgspartikeln

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

Introduktion till partikelfysik. CERN Kerstin Jon-And Stockholms universitet

Att utforska mikrokosmos

Hur mycket betyder Higgspartikeln? MASSOR!

Partikelfysik och Kosmologi

Supersymmetri. en ny värld av partiklar att upptäcka. Johan Rathsman, Lunds Universitet. NMT-dagar, Lund, Symmetrier i fysik

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

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

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

4.10. Termonukleär fusion

Christophe Clément (Stockholms Universitet)

Big bang Ulf Torkelsson. 1 Enkla observationer om universums kosmologiska egenskaper

Elementarpartikelfysik sammanfattning (baserad på anteckningar av Sten Hellman)

EXAMENSARBETE C. Kvarkar. - upptackt och aterupptackt

Om Particle Data Group och om Higgs bosonens moder : sigma mesonen

Kvarkar, leptoner och kraftförmedlare. Kerstin Jon-And Fysikum, SU 28 april 2014

Cygnus. I detta Cygnus. medlemsblad för Östergötlands Astronomiska Sällskap (ÖAS) Se våra aktiviteter i ÖAS under höstsäsongen.

Krävs för att kunna förklara varför W och Z bosoner har massor.

Detektion av subatomiska partiklar och framväxten av standardmodellen. Jens Fjelstad

Varför behöver vi higgs-partikeln?

Den experimentella partikelfysikens framtid.

Hur mycket betyder Higgs partikeln? MASSOR! Leif Lönnblad. Institutionen för Astronomi och teoretisk fysik Lunds Universitet. S:t Petri,

1.5 Våg partikeldualism

Neutrinon masslös eller massiv?

Partikeläventyret. Bernhard Meirose

Leptoner och hadroner: Teori och praktik inom partikelfysiken

Lösningar - Rätt val anges med fet stil i förekommande fall (obs att svaren på essäfrågorna inte är uttömmande).

Partikelfysik och det Tidiga Universum. Jens Fjelstad

Acceleratorer och Detektorer Framtiden. Barbro Åsman den

Varför forskar vi om elementarpartiklar? Svenska lärarare på CERN Tord Ekelöf, Uppsala universitet

Theory Swedish (Sweden)

Higgspartikeln upptäckt äntligen!

Del A: Seminarium i Hedemora Tord Ekelöf, Uppsala universitet

INTRODUKTION TILL PARTIKELFYSIK. Från atomer till kvarkar

14. Elektriska fält (sähkökenttä)

Relativistisk energi. Relativistisk energi (forts) Ekin. I bevarad energi ingår summan av kinetisk energi och massenergi. udu.

Rörelsemängd och energi

1. Figuren nedan visar ämnet grafén. The figure below shows graphene. Problem

Föreläsning 5 och 6 Krafter; stark, elektromagnetisk, svag. Kraftförening

Materiens Struktur II Del III Partikelfysik

En studie av särpartiklar

Att förena gravitation och elektromagnetism i en (klassisk) teori. Kaluza [1919], Klein [1922]: Allmän

Murray Gell-Mann och

Relativistisk kinematik Ulf Torkelsson. 1 Relativistisk rörelsemängd, kraft och energi

Vågrörelselära & Kvantfysik, FK januari 2012

Version 24/4/02. Neutriner som budbärare från KOSMOS

LHC Att Studera Universums Minsta Beståndsdelar i Världens största Experiment

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Om partikelfysik och miljardsatsningar

Christian Hansen CERN BE-ABP

En studie av särpartiklar

Beskrivning av ESS Neutrino Super Beam (ESSnuSB) projektet

DEN MÖRKA MATERIAN Hallands Astronomiska Sällskap

Föreläsning 3. Radioaktivitet, alfa-, beta-, gammasönderfall

VARFÖR MÖRK ENERGI HAR EN ANMÄRKNINGSVÄRT LITET VÄRDE. Ahmad Sudirman

Det finns något där ute i universum, något som är. Mörk materia att mäta något man inte kan se. aktuell forskning. av Elin Bergeås Kuutmann

Tomrummet Partikelfysik 2008 av Josef Kemény

Atomens historia. Slutet av 1800-talet trodde man att man hade en fullständig bild av alla fysikaliska fenomen.

Partikelfysik, astrofysik och kosmologi.

Atomkärnans struktur

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin 12. Kärnfysik Kärnfysik 1

Kärnfysik: kärnreaktioner och tillämpningar Inledande partikelfysik.

Alltingsmodellen eller Den Kosmiska Modellen. Den nya atommodellen. Ett förslag Av Josef Kemény (2007)

Preonstjä. av Johan Hansson och Fredrik Sandin

Kärnfysik och radioaktivitet. Kapitel 41-42

överhanden och protoner och neutroner skulle bildas. Dessa partiklar bildade tillsammans olika kärnor i grundämnen, främst väte, tungt väte och

Föreläsning 6. Amplituder Kvanttillstånd Fermioner och bosoner Mer om spinn Frågor Tentan. Fk3002 Kvantfysikens grunder 1

Tentamen i FUF050 Subatomär Fysik, F3

Atomen - Periodiska systemet. Kap 3 Att ordna materian

s 1 och s 2 är icke kvantmekaniska partiklar? e. (1p) Vad blir sannolikheterna i uppgifterna b, c och d om vinkeln = /2?

1 Hur förklarar du att det blev ett interferensmönster i interferensexperimentet med elektroner?

Uppgift: Bestäm det arbete W som åtgår att Iyfta kroppen på det sätt som beskrivits ovan och bestäm och så kroppens densitet ρ.

Till exempel om vi tar den första kol atomen, så har den: 6 protoner, 12 6=6 neutroner, 6 elektroner; atommassan är också 6 men masstalet är 12!

Välkommen till CERN. Lennart Jirden CERN PH Department Genève

Materiens Struktur. Lösningar

Röntgenstrålning och Atomkärnans struktur

III Astropartikelfysik och subatomär fysik

Axplock ur den moderna fysiken

Välkommen till CERN. Lennart Jirden CERN PH Department Genève

Science Night Rymden nu och framåt Aktuell forskning om rymden som utgångspunkt för intresseskapande fysik.

Innehåll. Förord Del 1 Inledning och Bakgrund. Del 2 Teorin om Allt en Ny modell: GET. GrundEnergiTeorin

Strängar och extra dimensioner

Upp gifter. är elektronbanans omkrets lika med en hel de Broglie-våglängd. a. Beräkna våglängden. b. Vilken energi motsvarar våglängden?

Higgsbosonen, standardmodellen och LHC. h Z. l + En praktisk introduktion till teori och simuleringar inom partikelfysik

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 16 december 2015, kl 17:00-22:00

Småsaker ska man inte bry sig om, eller vad tycker du? av: Sofie Nilsson 1

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

2 H (deuterium), 3 H (tritium)

Tentamen i Modern fysik, TFYA11/TENA

Lundamodellen för högenergikollisioner

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 21 december 2016, kl 17:00-22:00

Transkript:

Higgsbosonens existens Ludvig Hällman, Hanna Lilja, Martin Lindberg (9204293899) (9201120160) (9003110377) SH1012 8 maj 2013

Innehåll 1 Sammanfattning 2 2 Standardmodellen 2 2.1 Kraftförmedlarna......................... 3 2.2 Materiepartiklarna........................ 4 2.3 Generationer........................... 5 3 Higgsbosonen 5 3.1 Att skapa higgsbosoner...................... 5 3.2 Higgsbosonens sönderfall..................... 6 3.3 Resultat.............................. 8 3.3.1 H W + W....................... 8 3.3.2 H γγ.......................... 8 3.3.3 H ZZ.......................... 9 3.3.4 Sammanställning av resultat............... 10 1

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

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

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

tiva respektive neutrala laddning. Protonen består av två uppkvarkar och en nerkvark (uud) 2 + 2 1 = +1. Neutronen är sammansatt av udd 3 3 3 2 1 1 = 0, och för t.ex. 3 3 3 π (ūd) 2 1 = 1. 3 3 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

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

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

3.3 Resultat 3.3.1 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 110-130 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. 3.3.2 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

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. 3.3.3 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

Figur 10: Resultat H ZZ. 3.3.4 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

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 10 21 och 10 24 ). Sammantaget tyder reslutaten alltså på att higgsbosonen existerar och har en massa omkring 125 GeV. Figur 12: Sammanställning av resultaten från olika kanaler. 11