Higgspartikkelen. Bjørn H. Samset, UiO

Transkript

1 Higgspartikkelen 1

2 Higgspartikkelen (Hva er den?) 2

3 Mythbusting! 3

4 Higgspartikkelen Fysikkens fortapte sønn 4

5 Dette blir et foredrag om partikler i mange former og farger Hva er Higgspartikkelen? Hvorfor er den vår fortapte sønn og en smultring samtidig? Partikkelfysikk i, og frem til, år 2008 Litt Higgsteknikk LHC verdens mest avanserte maskin som starter akkurat nå! 5

6 Hva er Higgspartikkelen? (Executive summary) Partikkelfysikk prøver å forstå hva naturen er laget av, d.v.s. hvilke partikler som finnes og hvordan de reagerer med hverandre. Vi har en modell som kalles Standardmodellen, som forklarer alt vi i dag vet om elementærpartikler veldig, veldig godt. Et eneste unntak: Det må finnes en partikkel til, Higgspartikkelen, som vi ikke har sett enda. I Standardmodellen er det Higgs partikkelen som sørger for at noen av de andre partiklene har masse. Uten den ville de vært masseløse, og det stemmer ikke med det vi ser. 6

7 Partikkelfysikk anno ca : Dimitry Mendeleev 1911 og 1920: Ernst Rutherford Periodesystemet Atomkjernen og protonet 1897: J. J. Thompson 1932: James Chadwick Elektronet Nøytronet 7

8 Et enkelt bilde av naturen: Alt består av tre bestanddeler: Elektrisk ladning Masse Protonet MeV/c² Nøytronet MeV/c² Elektronet MeV/c² PS: 1 ev = den energi som et elektron får når det akselereres over Fint! et potensialfall på 1V = J 1 MeV/c² = kg But wait, there's more! e+, µ, π, K, Λ, etc. etc.??? Young man, if I could remember the names of all these particles I would have become a 8 botanist. Enrico Fermi

9 Partikkelfysikk anno

10 Partikkelfysikk anno

11 Partikkelfysikk anno

12 Standardmodellen for partikkelfysikk per august 2008: 12

13 Standardmodellen for partikkelfysikk per august 2008: 13

14 Kvarker: Det 99.9% av synlig stoff består av Three quarks for Muster Mark, sure he hasn't got much of a bark James Joyce, Finnegan's Wake Kvarkmodellen ble innført av Murray Gell-Mann i 1964, vant ham Nobelprisen i Kvark Ladning u d c s t b 2/3-1/3 2/3-1/3 2/3-1/3 Masse 1-5 MeV/c² MeV/c² ~1.2 GeV/c² ~1.1 GeV/c² GeV/c² ~4.2 GeV/c² antikvarker med motsatt ladning Partikkel Proton Nøytron Pion+ Kvarker Ladning u+u+d 2/3+2/3-1/3 =1 u+d+d 2/3-1/3-1/3 =0 u+anti(d) 2/3+1/3=1 Funnet i

15 Leptoner: Elektronet m. fam., og tre spøkelser Lepton Ladning e µ τ νe νµ ντ Masse MeV/c² MeV/c² 1.8 GeV/c² 0? 0? 0? antileptoner med motsatt ladning 15

16 Hva med krefter? Hvordan vet partiklene om hverandre? Det finnes fire naturkrefter (som vi vet om): Kraft Relativ styrke Gravitasjon Svak kjernekraft Elektromagnetisme 1/137 1 Sterk kjernekraft Virker på Alt med masse Leptoner, kvarker e,µ,τ,kvarker Kvarker...og de ser slik ut: 16

17 Bosonene Elektromagnetisme Ele ktr os va kt eo r Sterk kjernekraft Svak kjernekraft? i= ved høy energi er elektromagnetisme og svak kjernekraft to sider av samme kraft! Vi snakker derfor nesten bare om elektrosvak teori og ikke enkeltkreftene. 17

18 Naturen per 2008 Standardmodellen dikterer hvilke partikler som finnes, og hvordan de har lov til å reagere med hverandre. Så langt stemmer ca. alt. 18

19 Hvorfor trenger vi Higgspartikkelen? Fordi uten den så rakner Stand ard mo dell en! Javel, ja? Hvorfor det? Hold pusten, nå kommer noen tunge minutter... (Men det er verdt det!) 19

20 Standardmodellen på

21 Standardmodellen på ) Naturen har mange symmetrier: Rotasjon, translasjon, tid... 2) Enhver symmetri fører til en bevaringslov (Noethers teorem): Bevaring av spinn, bevegelsesmengde, energi 3) Naturen må adlyde kvantemekanikk og spesiell relativitetsteori Dette er grunnlaget. Vi starter nå helt generelt, og jobber oss fremover: Skriv opp en helt generell bølgefunksjon, som oppfyller alle forutsetningene over (symmetrier, SR...) For å få til dette, må bølgefunksjonen være en funksjon av komplekse tall [i = sqrt(-1)] Et komplekst tall har en fase, og vi forventer ikke å kunne måle denne i den virkelige verden d.v.s. At bølgefunksjonen må ha en symmetri under rotasjoner i det komplekse plan. Den må oppfylle symmetrien i en U(1)-gruppe. Når vi legger dette kravet på bølgefunksjonen, får vi ut bevaring av ladning, og hele QED = elektromagnetismen! 21

22 Standardmodellen på WOW så vanlige symmetrier + kvantemekanikk + SR + U(1) = QED Denne teorien er den best testede fysiske teori noen sinne! (Til 12 sifre...) Kan vi gå videre? U(1) er en enkel symmetri. Den neste heter SU(2). Den hopper vi over for et øyeblikk. Hva med SU(3)? Jo, hvis vi krever dette så får vi ut QCD, som teorien for den sterke kjernekraften! Komplett med åtte gluoner, bundne kvarker (confinement) og så videre. SU(2) da? Kan ikke den beskrive svak kjernekraft, for eksempel? Mjo, ja, kanskje, det ligner. Men det stemmer ikke helt. Hvis SU(2) skal være en symmetri, så må den være bare tilnærmet, eller brutt. Mange slike modeller blir laget på 60- og 70-tallet. Så: Sheldon Glashow, Abdus Salam og Stephen Weinberg finner på noe lurt. De lager en samlesymmetri de kaller U(1)xSU(2), som bevarer en ladning de kaller svak hyperladning. Dette fører til elektrosvak teori en felles teori for elektromagnetisme og svak kjernekraft. Pent, og verdt en Nobelpris i

23 Standardmodellen på MEN: Elektrosvak teori [U(1)xSU(2)-symmetri] gjelder også bare ved høye energier, og derfor må symmetrien brytes. For å gjøre dette, brukte Glashow, Salam og Weinberg noe som het Higgsmekanismen. Dermed kunne de forutsi to nye partikler (W og Z, oppdaget på CERN i 1983), og samtidig gjøre det matematisk mulig for disse og andre partikler i Standardmodellen å ha masse(!). Prisen for dette, er at man ved et symmetribrudd introduserer nye partikler i teorien (Goldstones teorem). Noen av disse ble til W og Z. Men en partikkel, og et felt, ble til overs. Den såkalte Higgspartikkelen, og dens Higgsfelt. Denne partikkelen er dermed en helt nødvendig konsekvens av måten vi har laget Standardmodellen på som en teori hvor naturen adlyder symmetrien U(1)xSU(2)xSU(3). Det er sprøtt at så lite kan bli til så mye. Samtidig er det nesten for pent til ikke å være sant... 23

24 Higgsmekanismen Et symmetribrudd som når en kule triller ned i et sombreroformet potensiale. Et felt, som gir partikler masse når de beveger seg igjennom det. 24

25 Advarsel: Higgs masse Et proton veier 938 MeV/c² Kvarkene veier til sammen ca MeV/c² Resten av massen kommer fra den sterke kjernekraften som holder protonet sammen den er rett og slett bindingsenergi. Så all masse kommer ikke fra Higgsmekanismen, bare den bare massen. 25

26 Hva vet vi i dag om Higgspartikkelen? Vi vet hvordan den kan lages, og hvordan den henfaller Vi vet ikke hvor tung den er Vi vet at den er lettere enn ~200GeV/c², for ellers er det andre ting vi har målt som ikke stemmer lenger Vi vet at den er tyngre enn 114 GeV/c² Vi vet at det er mange, mange som leter etter den! 26

27 Så langt: LEP og Fermilab LEP, CERN, : Fant nesten Higgs. Tevatron, Fermilab, 1983 nå: Fant toppkvarken i 2005, leter nå desperat etter Higgs. 27

28 Higgsjegernes nye hjem: 28

29 CERN og LHC CMS Geneve LHC-B ATLAS ALICE CERN 29

30 Large Hadron Collider 30

31 31

32 Large Hadron Collider 32

33 Status: cern.ch/lhc first beam 33

34 A Toroidial LHC ApparatuS 34

35 A Toroidial LHC ApparatuS 35

36 Hvor lenge kan den gjemme seg? LHC må få et par år på seg til å forstå seg selv I mellomtiden kan Tevatron ha oppdaget den, hvis den ligger innenfor deres energiområde Etter dette vil LHC kunne fullstendig ekskludere en Higgspartikkel, opp til energier som er mye høyere enn de som er tillatt fra andre målinger. Hvor lang tid det tar avhenger litt av om vi har flaks... Innen 2012 har vi enten oppdaget eller drept Higgspartikkelen. 36

37 Hva om den ikke er der? I closed my eyes, drew back the curtain To see for certain what I thought I knew Far far away, someone was weeping But the world was sleeping Any dream will do Tim Rice, Any dream will do, fra Joseph and the amazing technicolor dreamcoat Higgsmekanismen ble brukt til å bryte symmetrien U(1)xSU(2). Det mangler ikke på andre forslag: Technicolor? Kondensat av W og Z bosoner? Kondensat av topp og antitopp? (Jeg er ikke helt sikker på om jeg håper at vi finner den eller ikke...) 37

38 Vent nå litt... Alt dette, bare for å finne EN lusen liten partikkel? Nei da, såklart ikke :-) 38

39 Supersymmetri Hva om vi bare har funnet halvparten av naturen? 39

40 Supersymmetri Hva om vi bare har funnet halvparten av naturen? SUSY: For hvert fermion, et «sboson», for hvert boson, et «sfermion» 40

41 Mørk materie - SUSY-stoff? Kosmologene har bare funnet 4% av Universet. De mener å vite at 23% består av «mørk materie». Det er ingen «mørk materie» i Standardmodellen! I SUSY har vi noe som kalles «bevaring av R-paritet» Det betyr at «spartikler» bare kan lages i par, og når vi når den letteste av dem kan ikke denne bli til noen lettere partikkel selv om den er veldig tung Denne «letteste supersymmetrispe partikkel» (LSP) reagerer heller ikke via noen av de andre kreftene Perfekt kandidat for mørk materie Kosmologer liker SUSY... 41

42 Sorte hull og mange dimensjoner Higgs Supersymmetri Hvis verden har tre romlige dimensjoner, Sort hull trenger vi 1019 GeV for å lage et sort hull. Hvis verden har flere romlige dimensjoner, trenger vi kanskje bare 103 GeV=1 TeV 42

43 Lover du å ikke ødelegge jorden? 43

44 44

45 Oppsummering Partikkelfysikk prøver å forstå hva naturen er laget av, d.v.s. hvilke partikler som finnes og hvordan de reagerer med hverandre. I dag tror vi på Standardmodellen, men den mangler en partikkel vår fortapte sønn. Denne partikkelen Higgspartikkelen gir blant annet masse til andre partikler (som en smultring...) Dersom den finnes, vil vi oppdage den i løpet av de neste fem årene Dersom den ikke finnes blir det stor ståhei, mye skrik og kanskje litt ull... Uansett hva: LHC starter NÅ, og ett eller annet kommer vi til å finne. Stay tuned! 45

46 Lenker og tips Partikkeleventyret: LHC info og status: first beam Rapport om hvorfor LHC er trygg (på norsk): Cosmic variance random samplings from a universe of ideas: Denne presentasjonen: Send gjerne spørsmål! 46