Zoektocht naar het Higgs deeltje. De Large Hadron Collider in actie. Stan Bentvelsen

Transcriptie

1 Zoektocht naar het Higgs deeltje De Large Hadron Collider in actie Stan Bentvelsen KNAW Amsterdam - 11 januari

2 Versnellen op CERN De versneller Large Hadron Collider sub- atomaire deeltjes botsen op elkaar Meetopstelling ATLAS foto van de botsing 2

3 Deeltjesfysica klein- kleiner- kleinst ondeelbaar ondeelbaar Viva Fysica! 3

4 Fermionen: elementaire spelers Proton: u + u + d quark Neutron: u + d + d quark Koolstof: 18 u, 18 d, 6 e - Quarks 2/3-1/3 Leptonen februari 2010 Haarlemse Chemische Kring 4

5 Alle elementaire deeltjes op een rij Nieuwe deeltjes maken met E=mc 2 Waarom 3 families? Zijn er meer? 1e familie 2e familie 3e familie Quarks 2/3-1/3 2/3-1/ 3 Leptonen

6 Krachten tussen deeltjes Standaard Model Prach&ng! Dezelfde theorie voor 3 krachten 4 basis typen wisselwerkingen 6

7 Status van het Standaard Model Veel succes met het Standaard Model Excellente beschrijving van alle typen botsingen Maar er is een probleem: Nobel prijs (1999) G t Hooft en M Veltman t Hooft en Veltman konden de wiskunde van het Standaard Model alleen kloppend krijgen voor deeltjes zonder massa. Hoe toch massa beschrijven? Een wiskundige truck van Higgs, Brout en Englert Consequentie van de truck: er moet een het Higgs deeltje bestaan. Bestaat dit deeltje daadwerkelijk?? Het is overigens ook onvolledig: Het Standaard Model beschrijft niet de zwaartekracht. 7

8 Wat is massa? Hoe beschrijf je massa voor deeltjes?? Vacuum leeg Deeltjes zonder massa Elk deeltje beweegt met lichtsnelheid Theory OK - niet erg realistisch Elementaire deeltjes zonder massa vliegen met de lichtsnelheid alle kanten op. Wat houdt hen tegen? 8

9 Wat is massa? Hoe beschrijf je massa voor deeltjes?? Vacuum leeg Deeltjes zonder massa Elk deeltje beweegt met lichtsnelheid Theory OK - niet erg realistisch snelheid (=massa) hangt af van sterkte interactie met Higgs veld Ruimte gevuld met Higgs veld Deeltjes voelen dit Higgs veld Ze remmen af Het lijkt alsof ze een massa hebben Realistisch, maar klopt dit? 9

10 Voorspelling van het Higgs deeltje Quantum- mechanica: Rimpeling vacuüm zelf Dit is het Higgs deeltje Het Higgs deeltje heeft een aantal eigenschappen De meeste liggen vast door de structuur van het SM De massa van het Higgs deeltje zelf wordt niet voorspeld Er is al lang gezocht naar dit Higgs deeltje Tot dusver nog nooit gevonden De LHC zal laten zien of Higgs bestaat of niet! Als het niet bestaat is dit ook een grote ontdekking 10

11 Large Hadro n Collider ( ??) CMS protons 27- jan Chemische Kring Haarlemse 17 februari 2010 Viva Fysica! Atlas ATLAS protons 11

12 Fenomenologie botsingen Alsof je twee wekkers op elkaar knalt Harde botsingen: Feitelijk is proton een vuilniszak met quarks en gluonen 17 februari 2010 Haarlemse Chemische Kring 12

13 Ontwerp LHC machine Proton- proton botsingen met ongekende energie: Beschikbare energie: 7000 GeV (genoeg om 7000 protonen te maken!) à Zoeken naar deeltjes met grote massa Limiet gegeven door sterkte magneten 1232 magneten met B=8.4 T, operationeel bij 1.9 K Omzetting energie naar deeltjes via E=mc 2 Bundel- intensiteit enorm à Zoeken naar zeer zeldzame processen Heel erg veel botsingen, 40 miljoen elke seconde Geen enkele botsing is hetzelfde! Steeds een ander proces. Als het Higgs bestaat dan worden maar een paar per dag gemaakt. 13

14 ATLAS: het experiment Lengte: 44 m Diameter: 22 m Gewicht: 7000 ton Kanalen: 100 miljoen ~ 150 instituten ~2500 natuurkundigen 17 februari 2010 Haarlemse Chemische Kring 14

15 ATLS in de realiteit Muon chambers Calorimeters Toroid coils

16 Building 13- dec ATLAS - Nikhef group 16

17 De LHC draait geweldig Aantal botsingen in 2011 overtreft alle verwachtingen ongeveer (400 biljoen) botsingen bekeken Verwacht aantal voor heel 2011 ongeveer 2 miljard geregistreerd 17

18 Een botsing waarbij 2 muonen worden gemaakt KNAW Amsterdam - 11 januari

19 Her- ontdekking 20 e eeuwse fysica Instabiele deeltjes die uiteenvallen in twee muonen ] -1 [GeV µ /dm µ dn ω/ρ φ J/ψ ψ Υ (1S) Υ(2S) -1 L 40.4 pb EF_mu15 Z q,g deeltjes q,g tekst ATLAS Data 2010, Preliminary s= 7 TeV m 10 [GeV] µ 3 Bereken massa deeltjes met geobserveerde muonen KNAW Amsterdam - 11 januari 2011 Alle bekende deeltjes van het Standaard Model zijn teruggevonden! 19

20 Zoeken naar het Higgs deeltje Massa van Higgs deeltje wordt niet voorspeld Verwachtingen: Theorie: m h 600 GeV Indirecte metingen onder aanname dat Higgs bestaat: m h 185 GeV Massa Higgs deeltje 20

21 Het uiteenvallen van het Higgs Verval adankelijk van zijn massa Fotonen: veel achtergrond hà γγ massa W-bosonen: lastig hà WW (*) à lυlυ Z-bosonen: gouden kanaal hà ZZà 4 leptons (muonen) hà γγ hà WW (*) à lυlυ hà ZZà 4 leptons 21

22 Uitgesloten bij TevaTron Waar zit het Higgs deeltje? Zoeken bij elke massa! Search for the Higgs boson at the LHC Verwachtingen: Theorie: m h 600 GeV Uitgesloten bij LEP Indirecte metingen onder aanname dat Higgs bestaat: m h 185 GeV GeV uitgesloten ATLAS & CMS met ~20% van 2011 data (november) Massa Higgs deeltje 22

23 Verval Higgs naar twee fotonen H γγ: zeldzaam verval (B~10-3 ) Goede resolutie essentieel Dé motivatie voor calorimeter Signaal/Achtergrond 1/20 Fotonen zijn ongeladen, laten geen spoor na. Meting door absorptie in calorimeter 23

24 Verval Higgs naar twee fotonen Na selecties en kwaliteit eisen: botsingen met 100 < m γγ < 160 GeV spectrum vergeleken met een gladde exponentiële functie plm 60 in piek 24

25 Verval van Higgs naar leptonen Dubbel verval via twee Z- boson - Leptonen zijn goed te meten signaal/achtergrond 1/1 - Aantal botsingen is klein! 25

26 Botsing met 4 muonen, m 4μ = GeV p T (μ -, μ +, μ +, μ - )= 61.2, 33.1, 17.8, 11.6 GeV m 12 = 89.7 GeV, m 34 = 24.6 GeV 26

27 Botsing met 2elektronen en 2 muonen, m 2e2μ = GeV p T (e +, e -, μ -, μ + )= 41.5, 26.5, 24.7, 18.3 GeV m (e+ e - )= 76.8 GeV, m(μ + μ - ) = 45.7 GeV 27

28 Verval van Higgs naar leptonen Statistiek is wel klein! Bij hogere massa s geen excess 3 botsingen rond 123 GeV gevonden, 1 verwacht 28

29 Het gezicht van Higgs 29

30 Hebben we hem nu? Combineer alle informatie: significantie bij ATLAS: 3.5 sigma significantie bij CMS: 2.6 sigma ATLAS+CMS Combination ATLAS today groene en gele band: verwachting zonder Higgs deeltje (1 en 2 sigma) ATLAS en CMS zien dezelfde hints! 30

31 Wetenschappelijk nog geen ontdekking: eis 5 sigma per experiment 31

32 Higgs to be or not to be? 32

33 Toekomst De LHC machine draait weer vanaf einde februari We zullen nog veel meer botsingen registreren Komende zomer weten we zeker of er een nieuw deeltje is gevonden Is het dan eigenlijk wel het Higgs deeltje? Meting van alle eigenschappen nodig Dit zal de komende jaren in beslag nemen Vinden we nog meer nieuwe deeltjes? We hopen op het vinden van een deeltje dat een verklaring geeft voor de donkere materie in het universum zie het volgende verhaal van Ralph Wijers 33