Αναζητώντας το σωματίδιο Higgs

Αναζητώντας το σωματίδιο Higgs με τον ανιχνευτή CMS στο CERN Δ. Λουκάς ΕΚΕΦΕ ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ 1 Ιουλίου 005 1

10-43 sec 10-3 sec 10-10 sec 10-4 sec 100 sec 300000 years 10-35 m 10-3 m 10-18 m 10-16 m 10-15 m 10-10 m 10 19 GeV 10 16 GeV 10 GeV 1 GeV 1 Mev 10 ev 1 Ιουλίου 005

Το Δόκιμο Πρότυπο (Σωματίδια) Στοιχειώδη Σωμάτια Λεπτόνια και Κουόρκς χωρίς εσωτερική δομή (< 10-17 cm) Η σταθερή μορφή της ύλης αποτελείται από την I γενιά Λεπτόνια Κουόρκς Φορείς Δυνάμεων m m m Λεπτόνια e μ τ (Ασθενείς, ΗΜ, Βαρύτητα, spin 1/) = 0.5109989 ± 0.00000004 MeV / c = 105.658369 ± 0.000009 + 0.9 0.6 MeV c = 1776. 99 / MeV / c Γιατί τέτοια διαφορά μαζών? Τρεις γενιές Κουόρκς (Ισχυρές, Ασθενείς, ΗΜ, Βαρύτητα,, spin 1/) Δεν έχουν παρατηρηθεί ελεύθερα Εξηγούν την φασματοσκοπία των αδρονίων Πρόσθετος βαθμός ελευθερίας χρώμα q q q 1 Ιουλίου 005 3 R G B

ΗΜ Δύναμη Το Δόκιμο Πρότυπο (Αλλληλεπιδράσεις) Ασθενής Δύναμη Ισχυρή Δύναμη Βαρύτητα Φορέας : γ Εμβέλεια : Σχετική ισχύς m γ = 0 ( < 10 * 16 : 1 ev) W, Z 10 10 m 18 4 Z m W = 91.1876 ± 0.001 GeV = 80.45 ± 0.038 GeV gluons 10 10 15 Confinement βαρυτ όνιο 41 10 * δύο u quarks σε ~10 ~10-17 17 m 1 Ιουλίου 005 4

Το Δόκιμο Πρότυπο SU(3) SU() U(1) των Θεμελιωδών Αλληλεπιδράσεων C L Y Ηλεκτρασθενείς + Ισχυρή Δυνάμεις Συμμετρίες Βαθμίδας 3 Παράμετροι Βαθμίδας : Δυναμική Όλα τα πειραματικά δεδομένα ερμηνεύονται Πρόβλημα με τις μάζες Οι παράμετροι του SM έχουν μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια και κάθε ευρύτερη θεωρία οφείλει να συγκλίνει στο SM στην περιοχή που αυτό ισχύει a M a θ S ( Z),, W -15 πρόσθετοι παράμετροι -Γιατί 3 γενιές -Υπάρχει το Higgs? -Μίξη γεύσεων -CP παραβίαση -Μάζες/Ταλαντώσεις νετρίνων 1 Ιουλίου 005 5

Ηλεκτροδυναμική Κβαντικές διορθώσεις στην παράμετρο σύζευξης Q α Το φωτόνιο συμπλέκεται με ζεύγη δυνητικών φερμιονίων α 1 1 8 = α m e = ± α ( ) 137.03599911 (46 10 ) 1 ( m ) Z = 18.95 ± 0.05 α( Q ) αυξάνει με το Q q m e Μικραίνει σε μεγάλες αποστάσεις Screening Φαινόμενο 1 Ιουλίου 005 6

Χρωμοδυναμική Ασυμπτωτική Ελευθερία 1 11 7 β 1 = NF NC = < 3 6 0 =6 (#Κουόρκς Κουόρκς) =3 (#γλουόνια γλουόνια) a( Q ) Ελαττώνεται σε Μικρές Αποστά σεις s Q > Q0 α ( Q ) < α ( Q ) s S 0 Anti-Screening Φαινόμενο Confinement 1 Ιουλίου 005 7

David J. Gross Frank Wilczek H. David Politzer Βραβείο Νομπέλ Φυσικής 004 1 Ιουλίου 005 8

Ενοποίηση Αληλεπιδράσεων Πρόβλημα με το Δόκιμο Πρότυπο Ενοποίηση μέσω υπερσυμμετρίας Τι γίνεται με τη βαρύτητα? Κβαντική κλίμακα : Βαρυντική κλίμακα : Που συμπίπτουν? c m S p = mc Gm = c c = G G = 1.6 10 3 35 p 1 Ιουλίου 005 by D. Gross c 9 Κλίμακα Planck : m

Αναμενόμενη τιμή κενού (vev) κατάσταση ελάχιστης V ενέργειας πεδίου} Αυθόρμητη Άρση Συμμετρίας & Higgs 0φ 0 i = φ } 0i Στην QFT τα σωματίδια αποτελούν Κβαντισμένες διακυμάνσεις vev μ λ φ > 01 φ 0, 0 = = 0 L= μ V( ) μφ φ φ φ V( φ φ) = μ ( φ + φ ) + λ( φ + φ ) 1 1 Εκφυλισμός μαζών φ 1 H, WZ, gsinθ W = e φ V μ < 0, λ > 0 φ + φ = υ = 01 0 μ λ 1 MZcosθW = MW = υ g M H = μ υ υ υ md = c1, mu = c, me = c3 φ 1 Δεν γνωρίζουμε τα μ,c 1, c, c 3 πειραματικές μετρήσεις φ U(1){ e iθ } συμμετρία Άπειρος αριθμός ελαχίστων Για συγκεκριμένη τιμή του θ η συμμετρία αίρεται και μία διεύθυνση γίνεται προνομιούχος (SSB) 1 Ιουλίου 005 10

Προβλέψεις Z,W ανακαλύφθηκαν το 1983 στο CERN: 1984 βραβείο Νομπέλ Carlo Rubbia υ = = 1/ ( GF ) 46 GeV 114.4 GeV < M < 60 GeV H 1 Ιουλίου 005 11

Higgs και πέρα από το Δόκιμο Πρότυπο Χρειαζόμαστε ένα πιο ισχυρό μικροσκόπιο στις πιθανές περιοχές του Higgs LHC 1 Ιουλίου 005 1

7x10 ev Ενέργεια Δέσμης 10 cm - s - 1 Φωτεινότητα 835 Πακέτα/Δέσμη 10 Πρωτόνια/πακέτο 7.5 m (5 ns) Διασταύρωση Πακέτων 4x10 7 Hz Συγκρούσεις Πρωτονίων 10 9 Hz Συγκρούσεις Παρτονίων ~1600 σωματίδια στον ανιχνευτή Παραγωγή Νέων Σωματιδίων (Higgs, SUSY,...) 10-5 Hz 7 TeV Πρωτόνια Αντιπρωτόνια 1 Ιουλίου 005 13 p Z H µ + - µ µ + µ - Επιλογή 1 γεγονότος στα 10,000,000,000,000 Z p p q q χ~ 0 e - q~ g ~ ~ q ν e χ 1 - q p μ + μ ~ 0 χ 1

ανελαστικές αντιδράσεις pp 10 9 /s Ρυθμοί Παραγωγής Σωματιδίων bb ζεύγη tt ζεύγη 5χ10 6 /s 8χ10 6 /s W =>eν 150 /s Z =>ee 15 /s Higgs (150GeV) 0. /s Gluino,, Squarks(1TeV) 0.03 /s Αλληλεπιδράσεις σε μεγάλες αποστάσεις kαι μικρά p t θ p p t To LHC είναι ένα εργοστάσιο παραγωγής : top&b κουόρκς, W,Z, Higgs. Το πρόβλημα είναι πώς να τα ανιχνεύσουμε! 1 Ιουλίου 005 14

Σκεδάσεις κουόρκς Δεν έχουμε λεπτόνια καi φωτόνια στην αρχική κατάσταση Αν παρατηρήσουμε λεπτόνια & φωτόνια με μεγάλη εγκάρσια ορμή => ενδιαφέρουσα φυσική π.χ. παραγωγή Higgs Σημαντικές ενδείξεις Φωτόνια & λεπτόνια Ελλιπής εγκάρσια ορμή 1 Ιουλίου 005 15

1 Ιουλίου 005 Fi nd 44 ευθείες s traightτροχιές t rac ks. Βρείτε 16

Θέτουμε ένα όριο στην εγκάρσια ορμή των σωματιδίων p T >0GeV 1 Ιουλίου 005 17

Πειραματικές Μετρήσεις Να αναγνωρίσουμε τα σωματίδια Να προσδιορίσουμε τις τροχιές τους Να μετρήσουμε τις ορμές όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια Ποια σωματίδια? Μιόνια και Ηλεκτρόνια Φωτόνια Πίδακες (κουόρκς) Απώλειες ενέργειας (νετρίνο) Πως το επιτυγχάνουμε? 1 Ιουλίου 005 18

Fe ή άλλα βαρειά μέταλλα Βαρειά υλικά π.χ. χαλκός Κάθε επίπεδο αναγνωρίζει και μετρά ή ξαναμετρά την ενέργεια σωματιδίων που δεν μετρήθηκαν στα προηγούμενα επίπεδα Κανένα επίπεδο από μόνο του δεν μπορεί να αναγνωρίσει και να μετρήσει τις ενέργειες και τις ορμές όλων των σωματιδίων Ελαφρά υλικά Ζώνη όπου μένουν Μόνο ν και μ Υλικά με μεγάλο Ζ π.χ ενώσειςpb 1 Ιουλίου 005 19

1 Ιουλίου 005 0

CMS τομές 5 4 1 3 Ανιχνευτές Αρ. Καν. Αισθητήρες 1) Vertex 80000000 Pixels ) InnerTracker 16000000 Silicon Microstrips 3) Preshower 51000 Silicon 4) Calorimeters 15000 ECAL Scintillating PbWO 4 Crystals HCAL Plastic scintillator copper sandwich 5) Muons 1000000 Drift Tube Chambers (DT) Cathode Strip Chambers (CSC) Resistive Plate Chambers (RPC) 1 Ιουλίου 005 1

Προσομοίωση τροχιών σωματιδίων 1 Ιουλίου 005

CMS ~ 10m of silicon strip sensors 10 7 + 10 7 read-out channels Inner Barrel TIB- Inner Disks TID- Outer Barrel TOB- Pixel End cap TEC-,4 m 5.4 m volume 4.4 m 3 1 Ιουλίου 005 3

Ανιχνευτές Τροχιών p p T T = qbr ( GeV / c) = 0.3BR( T m) Αν μετρήσουμε την ακτίνα βρίσκουμε την ορμή Μπορούμε να καταγράψουμε τροχιές μόνο φορτισμένων σωματιδίων 1 Ιουλίου 005 4

Σφάλμα στη Μέτρηση Ορμής L N ~10 Για Ν ισαπέχοντα σημεία: που μετρούνται με ακρίβεια σ(χ) B σ( p ) 1 σ( x) p 70 σ ( p ) = const. = p p measured 0.3 BL N+ 4 1 Ιουλίου 005 5 O.Ullaland CERN 005

Ανιχνευτές Τροχιών Κυρίως ανιχνευτές Si Πρόκειται για διόδους pn σε Ισχυρά ανάστροφή πόλωση p - + n πχn cm N cm 19 3 15 3 (.. 10 a=, d = 10 ) Σε ισχυρά ασύμμετρες διόδους οι μεταβολές συμβαίνουν στην περιοχή με τη μικρότερη πυκνότητα προσμίξεων V+ Al Σωματίδιο η Φωτόνιο 300μm - + - ++ -- + n - Si n+ p+ 1 Ιουλίου 005 6

Ανιχνευτές τροχιών στο CMS D αισθητήρες ψηφίδων 1 Ιουλίου 005 7 1D αισθητήρες μικρολωρίδων CMS Φλωρεντίας

Αρχιτεκτονική ανάγνωσης αναλογικού σήματος Ενισχυτές Φορτίου Ενισχυτής Διαμόρφωσης τ E E d out E E out d = Q ( C + C ) d d Q = C f d Cd + Ca = C f a loop gain = m C F A + C C Open loop gain = gmr 1 CF + CO Rin g C τ F ( ) = R C + C in in A D D 0 MOS τρανζίστορ εισόδου προσδιορίζει Διαγωγιμότητα g m Επίπεδα θορύβου Tαχύτητα Βελτιστοποίηση κυκλώματος Συνδυασμός Ca με Cd (1/3 to1)w,l Κατανάλωση (drain current) Ταχύτητα vs θόρυβο 1 Ιουλίου 005 8 P. Jarron CERN Academic Training 004

1 Ιουλίου 005 9

Το σύνολο των ηλεκτρονικών του LHC σε VLSI CMOS τεχνολογία MOSFET τοπολογία 0 years πριν : Τεχνολογία 5 μm Πάχος οξειδίου πύλης : 40 nm Σήμερα: 0.5 μm: CERN- ASICs 0.13 μm: Βιομηχανία State of the art 5-nm πάχος οξειδίου πύλης Αύριο? Scaling 1 Ιουλίου 005 30

1 Ιουλίου 005 31

Ηλεκτρομαγνητικό Θερμιδόμετρα Αφορά e, υπερ-σχετικιστικά μ (>1000GeV GeV) και φωτόνια e και μ : Απώλεια ενέργειας με εκπομπή φωτονίων Στο πεδίο Coulomb των πυρήνων του υλικού απορρόφησης / 0 E = E0e x X Ε 0, αρχική ενέργεια, x απόσταση, Χ 0, μήκος ακτινοβολίας [gr/cm ] Φωτόνια : Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: I γ =Ι / x 0e μ Δυνατόν μόνο στη γειτονιά ατόμων : Ελευθερώνει Κυρίως ηλεκτρόνια από την K-στοιβάδα γ + άτομο άτομο + e Σκέδαση Compton Δίδυμη Γένεση Δυνατή μόνο στο πεδίο Coulomb ενός πυρήνα (ή ενός ηλεκτρονίου) αν : γ e γ + πυρήνας ee + + πυρήνας 1 Ιουλίου 005 3 E mc

Διακριτική ικανότητα θερμιδομέτρου σ ( Ε ) a c = b Ε E E Στοχαστικός όρος CMS 10 Σταθερός όρος Ανομοιογένειες Κακή βαθμονόμηση Μη γραμμικότητα Όρος θορύβου Ηλεκτρονικός θόρυβος Υπέρθεση σ/e[%] 1 All Intrinsic Photo Noise 0.1 1 10 100 1000 1 Ιουλίου 005 33 E[GeV]

Αδρονικά Θερμιδόμετρα και Ανιχνευτές Μιονίων Σωματίδα που αλληλεπιδρούν κυρίως με ισχυρές αλλ/σεις (αδρόνια) αποθέτουν το μέγιστο της ενέργειας τους στο αδρονικό θερμιδόμετρο. Από το ισοζύγιο ενεργειών στα θερμιδόμετρα εντοπίζουμε Την ύπαρξη νετρίνων Στους ανιχνευτές μιονίων φτάνουν μόνο μιόνια και νετρίνο 1 Ιουλίου 005 34

Διασπάσεις του Higgs MH 130 GeV : H γγ (*) M M : H WW νν H W (*) Ζ : 4 ± Ζ : 4 MH M H ZZ M > M H ZZ H MH 500 GeV : + H ZZ νν H WW ν jj - ± bb γγ WW, ZZ 1 Ιουλίου 005 35

H γγ 1 Ιουλίου 005 36

Στατιστική Ανάλυση Δεδομένων : Παράδειγμα Lorentzian Peak on Quadratic Background 90 80 70 60 50 40 30 0 10 Data Background fit Signal fit Global Fit Θόρυβος της μορφής a + a x+ a x 1 3 0 0 0.5 1 1.5.5 3 pl ( x; μ, Γ ) = 1 Γ / π ( x μ) + ( Γ/) 1 Ιουλίου 005 Σήμα που ακολουθεί κατανομή πιθανότητας Lorentz 37

H γ γ στο C M S 8000 600 Events/500 MeV for 100 fb 1 7000 6000 5000 4000 Events/500 MeV for 100 fb 1 400 00 0 110 10 130 140 110 10 130 140 a) m γγ (GeV) b) m γγ (GeV) Όλα τα ζεύγη γγ Ότι μένει μετά την αφαίρεση υποβάθρου 1 Ιουλίου 005 38

Επιθυμούμε ειλικρινά να ανακαλύψουμε το higgs? Τι κάνουμε μετά με τη μοναξιά μας? Το Δόκιμο Πρότυπο είναι επιτυχές αλλά δεν γνωρίζουμε γιατί τυχαίες συμμετρίες Μη ενοποίηση δυνάμεων ~0 τυχαίες παράμετροι Από πού έρχεται ο μηχανισμός Higgs? 1 Ιουλίου 005 39

Υπερσυμμέτρια Συμβατή με τις ακριβείς μετρήσεις του Δοκίμου Προτύπου Προβλέπει το Higgs και σταθεροποιεί τη μάζα του Επιτρέπει ενοποίηση δυνάμεων Ενσωματώνει την βαρύτητα Συνδέεται με τη θεωρία χορδών Παρέχει μια εξίσωση της ελλείπουσας μάζας του σύμπαντος 1 Ιουλίου 005 40

Η μάζα του Higgs V ( φ φ) = μ ( φ + φ ) + λ( φ + φ ) 1 1 To M h έχει τιμή ~Ο(100 Gev) άλλα οι διορθώσεις από διαγράμματα ενός βρόγχου δίνουν: Λ κλίμακα ενέργειας (α) Λ m GeV 19 pl ~10 : Λ 4 1 δ mh λ d k... λλ ( φ1 + φ ) k Τεράστιες διορθώσεις (β) Υπόθεση : Εάν για κάθε σωματίδιο του ΣΜ υπάρχει ένα αντιστοιχο s-σωματίδιο με περόμοιες μάζες και διαφορετικό σπιν κατά ½ τότε εκτός από το (α) διάγραμμα θα υπάρχει και το (β) που ακυρώνει το (α) ( f f ) α δ m O m m 4π H Αρκεί : m m 1 TeV f f LHC 1 Ιουλίου 005 41

Υπερσυμμετρία Το κουτί της Πανδώρας s = 0 s = 1/ s = 1 s = 3/ s = ha. H H 0 q 1, q v L 0. χii, = 1, 4 ± ± ± ii, = 1, R χ q ν L g L L q R R g Z, γ W G G Grzegorz Wrochna 1 Ιουλίου 005 4

By D. Gross 1 Ιουλίου 005 43

Κρυμμένες Διαστάσεις? Δεν απαιτεί την υπερσυμμετρία Βαρύτητα και ασθενείς αλλ/σεις ενοποιούνται στην κλίμακα του1 Tev Λύνει το πρόβλημα της ιεραρχίας Η μικρή ένταση της βαρύτητας στην κλίμακα του 1 cm οφείλεται στην διαφυγή δυναμικών γραμμών σε συνεπτυγμένο χώρο n(>) πρόσθετων διαστάσεων Προκαλεί αυθόρμητη άρση της ηλεκτρασθενούς συμμετρίας χωρίς την ανάγκη ύπαρξης του σωματιδίου Higgs Παραγωγή μαύρων οπών στο LHC,ILC ανοίγει παράθυρο στην κβαντική βαρύτητα. 1 Ιουλίου 005 44

mm V() r = G r m pl (4) = G 1 1 c m m R pl (4) pl (4 + n) m } Δραστική m pl pl( n+ 4) V() r n Η Προσέγγιση του προβλήματος * } mm 1 1 n πρόσθετες V( r) r R n+ n+ 1 mm 1 mpl ( n+ 4) r mpl (4) r διαστάσεις ακτίνας R mm 1 1 V( r) r R n+ n m R r διαστάσεων pl 4 διαστάσεων m : Τώρα υποθέτουμε ότι m EW είναι η μόνη θεμελιώδης κλίμακα μικρής απόστασης EW pl ( n+ 4) π.x R 10 TeV cm mew 30 17 1 n 1+ n 1 Ιουλίου 005 45 * Phys. Lett.. B 49 (1998) 63 n R 1 10 13 100μm-1mm Ηλιακές Διαστάσεις

Πειραματικά αποτελέσματα Παραμετροποίηση Yukawa mm 1 V() r = G 1+ αe r λ = R α = 8n 3 r / λ Σενάριο n= C.D. Hoyle at. al. hep-ph/04056 1 Ιουλίου 005 46

Κρυμμένες διαστάσεις στο LEP ee + Gγ άμεση άμεση μελέτες έμμεση έμμεση + * ee G ff ee + λ λ dσ / dω= Ast (,) + Bst (,) + C(,) st M M 4 8 H H M M H H 1.0 TeV, για λ =+ 1 1.09 TeV, για λ = 1 (90% C.L.) 1 Ιουλίου 005 47

Πρόκειται για ένα βιβλίο του Edwin A. Abbott (1884), από τις εκδόσεις ΑΙΩΡΑ, γραμμένο στα τέλη του περασμένου αιώνα, που «Αφιερώνεται Στους Κατοίκους του ΧΩΡΟΥ ΓΕΝΙΚΟΤΕΡΑ Από έναν Ταπεινό Υπήκοο της Επιπεδοχώρας Με την Ελπίδα ότι Όπως αυτός Μυήθηκε στα Μυστήρια ΤΩΝ ΤΡΙΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ Γνωρίζοντας μέχρι τότε ΜΟΝΟ ΔΥΟ Έτσι και οι Πολίτες αυτού του Ουράνιου Τόπου Θα βάλουν ακόμα υψηλότερους στόχους και θα αναζητήσουν Τα Μυστικά των ΤΕΣΣΑΡΩΝ, ΠΕΝΤΕ Ή ΚΑΙ ΕΞΙ Διαστάσεων Βοηθώντας έτσι τις Φυλές Της ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΟΤΗΤΑΣ ΝΑ Διευρύνουν την ΦΑΝΤΑΣΙΑ τους Και ίσως να αναπτύξουν Το σπάνιο και εξαίσιο αυτό Χάρισμα που λέγεται ΤΑΠΕΙΝΟΤΗΤΑ» 1 Ιουλίου 005 48

144 Ινστιτούτα 1700 επιστήμονες 1 Ιουλίου 005 49

1 Ιουλίου 005 50