Hva har LHC lært oss om partikkelfysikk så langt?

Transkript

1 Hva har LHC lært oss om partikkelfysikk så langt? Etterutdanningskurs for lærere 4. november 2011

2 Oversikt Partikkelfysikkteori - Standardmodellen Hva er det som ikke beskrives/forklares av Standardmodellen? Teorier utover Standardmodellen LHC og eksperimentene Hvordan søke etter Higgs-partikkelen Resultater fra Higgs-søk ved LHC Resultater fra supersymmetri-søk ved LHC

3 Partikkelfysikk Partikkelfysikk dreier seg om naturen på de aller minste størrelsesskalaer Målet i partikkelfysikk er å forstå hvilke elementære partikler som finnes, og hvordan disse vekselvirker med hverandre - slik forståelse er nødvendig for å forstå universet også på de aller største størrelsesskalaer

4 Fundamentale krefter 4 fundamentale krefter: Sterk vekselvirkning (sterk kjernekraft) - holder protonene og nøytronene i atomkjernen sammen Elekromagnetisk kraft - holder elektronene i bane rundt atomkjernen, binder atomer sammen til molekyler,... Svak vekselvirkning (svak kjernekraft) - ansvarlig for β-henfall Gravitasjon - holder planetene i bane rundt solen, holder galaksene sammen,... 3 av 4 krefter beskrives av partikkelfysikkens standardmodell (ikke gravitasjon) Kreftene beskrives som utveksling av kraftpartikler

5 Elementærpartikler Materiepartikler - spinn- 1 2 Kvarker Leptoner 3 generasjoner Kraftformidlende partikler - spinn-1 Fotonet (elektromagnetisk kraft) Gluonene (sterk vekselvirkning) W ± og Z 0 (svak vekselvirkning)

6 Kvarkene Kvarkene opplever sterk vekselvirkning, de har sterk ladning, såkalt fargeladning Den sterke vekselvirkningen holder kvarkene sammen i hadroner Baryoner (tre kvarker) Mesoner (en kvark og en anti-kvark) Hadronene har ingen netto fargeladning

7 Kvarkene Den sterke kraften mellom kvarkene øker med avstanden mellom dem, slik at en kvark aldri kan observeres alene - vi ser kun fargenøytrale hadroner Fargefengsling ( colour confinement ) van der Waals-krefter når hadroner kommer nærme hverandre (som i atomkjernen)

8 Leptonene Leptonene er materiepartikler som ikke opplever sterk vekselvirkning (ikke har fargeladning) Elektronet og dets tyngre utgaver (myonet og tau-leptonet) har elektrisk ladning Nøytrinoene har ikke elektrisk ladning, og opplever dermed kun svak vekselvirkning (og gravitasjon) De er derfor svært vanskelige å detektere

9 Nøytrinoene Nøytrinoene er fortsatt til en viss grad et åpent mysterium De oscillerer (et elektron-nøytrino kan bli til et myon-nøytrino) De er ekstremt lette, men ikke masseløse

10 Kraftformidlende partikler De tre kreftene som beskrives av Standardmodellen formidles av kraftformidlende partikler Fotonet (γ): formidler den elektromagnetiske vekselvirkningen er masseløst - uendelig rekkevidde W ± og Z 0 : formidler den svake vekselvirkningen er massive (ca. 100 protonmasser) - kort rekkevidde Gluonene: formidler den sterke vekselvirkningen er masseløse

11 Feynman-diagrammer Feynman-diagrammer er diagrammatiske representasjoner av matematiske uttrykk som dukker opp når man skal regne ut f.eks. et spredningstverrsnitt Gir en fysisk tolkning av spredningsprosessen Settes sammen av enkle koplinger mellom partikler e e e rom γ e Feynman-diagram som viser frastøtningen mellom to elektroner ved utveksling av et foton. tid kopling mellom elektron og foton (gitt ved elektronets elektriske ladning)

12 Feynman-diagrammer Feynman-diagrammer er diagrammatiske representasjoner av matematiske uttrykk som dukker opp når man skal regne ut f.eks. et spredningstverrsnitt Gir en fysisk tolkning av den fysiske prosessen Settes sammen av enkle koplinger mellom partikler u d d W u d u e Feynman-diagram som viser β- henfall av et nøytron. ν e

13 Oppdage partikler via henfallsproduktene - invariant masse Tunge partikler, slik som W ± - og Z 0 -bosonene, lever ikke lenge nok til å observeres direkte i en detektor Kan bare oppdages ved å studere henfallsproduktene e Spesiell relativitetsteori: Z 0 m Z 0c 2 = e + E 2 = (pc) 2 + (mc 2 ) 2 mc 2 = E 2 (pc) 2 E 2 (p Z 0 Z 0c) 2 = (E e + E e +) 2 (p e + p e +) 2 c 2 Den invariante massen til elektron-positron-paret

14 Oppdage partikler via henfallsproduktene - invariant masse En partikkel observeres som en topp i et invariant masse-spektrum

15 Higgsmekanismen Et uavklart spørsmål i partikkelfysikken er hvordan partikler kan ha masse I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen, men denne er foreløpig ikke eksperimentelt bekreftet Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

16 Higgsmekanismen Et uavklart spørsmål i partikkelfysikken er hvordan partikler kan ha masse I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen, men denne er foreløpig ikke eksperimentelt bekreftet Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

17 Higgsmekanismen Et uavklart spørsmål i partikkelfysikken er hvordan partikler kan ha masse I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen, men denne er foreløpig ikke eksperimentelt bekreftet Partikler får masse ved å vekselvirke med Higgs-feltet

18 Higgsmekanismen Et uavklart spørsmål i partikkelfysikken er hvordan partikler kan ha masse I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen, men denne er foreløpig ikke eksperimentelt bekreftet Higgsmekanismen krever at det finnes en Higgs-partikkel

19 Higgsmekanismen Et uavklart spørsmål i partikkelfysikken er hvordan partikler kan ha masse I Standardmodellen forklares dette ved Higgs-mekanismen, men denne er foreløpig ikke eksperimentelt bekreftet Higgsmekanismen krever at det finnes en Higgs-partikkel

20 Higgsmekanismen Higgs-mekanismen kunne forutsi massene til W ± og Z 0 før disse var eksperimentelt observert Massene til materiepartiklene forutsies ikke av Higgs-mekanismen - utgjør frie parametre i Standardmodellen

21 Hva forklares ikke av Standardmodellen? Standardmodellen beskriver korrekt nesten alle eksperimentelle data til dags dato Allikevel er det grunner til å tro at modellen ikke er gyldig ved vilkårlig høye energier Gravitasjon beskrives ikke Ingen god kandidat for mørk materie Eksperimenter viser at nøytrinoer oscillerer - de er ikke masseløse

22 Teori utover Standardmodellen - Supersymmetri Supersymmetri (SUSY) er én av mange teorier utover Standardmodellen Løser noen av problemene i Standardmodellen Antall elementærpartikler dobles, da hver partikkel får en supersymmetrisk partner

23 Teori utover Standardmodellen - Supersymmetri Man tror i dag at mørk materie består av WIMPs - Weakly Interacting Massive Particles I et typisk supersymmetrisk scenario vil SUSY-partikler kople til standardmodellpartikler i par Den letteste SUSY-partikkelen er stabil Gir en kandidat for mørk materie

24 Teori utover Standardmodellen - Supersymmetri Koplingskonstantene for de fundamentale kreftene løper som funksjon av energi Kanskje de møtes ved veldig høy energi - forening av de fundamentale kreftene?

25 Teori utover Standardmodellen - Gravitasjon Gravitasjon kan gjøre seg gjeldende på små skalaer dersom det finnes ekstra dimensjoner Kan muligens føre til observasjon av gravitasjonseffekter i partikkelfysikkeksperimenter Mikroskopiske sorte hull? Partikkelen som formidler gravitasjon - gravitonet?

26 The Large Hadron Collider - LHC Befinner seg på grensen mellom Sveits og Frankrike, 27 km omkrets Akselererer protoner til en energi på 3.5 TeV, skal kunne nå 7 TeV Protonene kollideres front mot front

27 The Large Hadron Collider - LHC Elektrisk felt akselererer protonene Sirkulær akselerator protonene kan akselereres av samme E-felt så mange ganger man ønsker Magnetfelt fra superledende magneter holder protonene i bane Mer enn 10 ka strømstyrke, opptil over 8 T magnetisk flukstetthet Opererer ved 1.9 K Setter begrensningen på oppnåelig energi

28 LHC - mål Med partikkelkollisjoner ved høy energi, forsøker man å gjenskape forhold som rådet like etter Big Bang Nødvendig for å forstå utviklingen av universet fra like etter Big Bang og frem til i dag

29 LHC - mål Med LHC ønsker vi å: teste Standardmodellen ved høyere energier enn tidligere dersom vi observerer avvik fra Standardmodellen, ønsker vi å gjøre målinger som kan fortelle oss hva slags fysikk som observeres finne ut hva som gjør at elementærpartikler har masse: Higgs-mekanismen? Noe annet? gjøre presise målinger av Standardmodellens parametre

30 LHC - status LHC leverte de første proton-proton-kollisjonene i slutten av 2009 Har siden levert betydelige mengder data ved 7 TeV massesenterenergi - halvparten av designenergien Vil fortsette å levere data frem til slutten av neste år - deretter følger forberedelser for kjøring på høyere energi

31 Proton-proton-kollisjoner LHC kolliderer protoner - ikke-elementære partikler De mest interessante kollisjonene kan betraktes som harde kollisjoner mellom protonenes bestanddeler - kvarker og gluoner Siden kvark-antikvark-par kan skapes fra vakuum, vil protonet ved høy energi inneholde nesten alle slags kvarker og anti-kvarker, ikke bare opp- og ned-kvarkene som protonet består av

32 Tverrsnitt og sjeldne hendelser Tverrsnittet sier noe om hvor sannsynlig en gitt hendelse er i en kollisjon dn dt = σ L De mest interessante hendelsene, som produksjon av Higgs-bosonet, er veldig sjeldne Må samle mye data før slike hendelser kan observeres

33 Detektorer Må studere partiklene som kommer ut av en proton-proton-kollisjon for å lære noe av den Energier og bevegelsesmengder til utgående partikler må måles så nøyaktig som mulig, og partiklene må identifiseres Fire detektorer i hvert sitt kollisjonspunkt rundt LHC

34 Detektorer - måling av energi og bevegelsesmengde Bevegelsesmengden til en partikkel kan måles ved å se på hvor sterkt partikkelbanen bøyes i et magnetfelt En spordetektor registrerer partikkelbanen med minimal innvirkning på partikkelens bevegelse Partikkel som beveger seg i plan vinkelrett på B-felt: dp dt = qv B p = q B r Jo større bevegelsesmengde, desto rettere blir sporet Energi kan måles i et kalorimeter, der en innkommende partikkel produserer en dusj av sekundære partikler, og til slutt stanses helt

35 ATLAS-detektoren Designet for å studere og søke etter mange forskjellige fenomener Registrerer kollisjoner med 25 ns mellomrom - siler ut de som kan være interessante 25 m i diameter, 46 m lang

36 ATLAS-detektoren - tverrsnitt

37 ATLAS-detektoren - toroidemagnetene

38 Eksempler på ATLAS-events - Z 0 µ + µ Bevegelsesmengden til myonet måles ved å se på bøyningen til myonsporet Myondetektoren er det som gjør ATLAS så stor

39 Eksempler pa ATLAS-events - W + e+ νe Rød stiplet linje viser retningen pa den bevegelsesmengden som skal til for a balansere eventet Dette tas for a være bevegelsesmengden til nøytrinoet Hva har LHC lært oss sa langt?

40 Eksempler på ATLAS-events - jets I høyenergikollisjoner vil det ofte skapes kvarker eller gluoner med stor bevegelsesmengde På grunn av fargefengsling er det ikke mulig å observere disse kvarkene eller gluonene enkeltvis Kvark-antikvark-par dannes fra vakuumet, og fører til en kollimert sprut av partikler, kalt en jet

41 Higgs-søk - utgangspunktet for LHC Teoretisk vet vi så å si alt om Higgs, men ikke dens masse (eller hvorvidt den finnes) Tilpasninger til presisjonsmålinger favoriserer en lett Higgs Masser under 115 GeV ekskludert av LEP Et område rundt GeV ekskludert av Tevatron

42 Higgs-søk ved LHC Higgs forklarer masse Massen til elementærpartiklene er gitt av hvor sterkt de kopler til Higgs Produksjon av Higgs vil primært skje via en tung partikkel, for eksempel topp-kvarken Tverrsnittet er lavt - sjelden prosess u Z 0 u

43 Higgs-søk ved LHC Dersom vi observerer Higgs-bosonet, vil det være via henfallsproduktene siden levetiden til Higgsbosonet er svært liten Igjen vil disse primært være tunge partikler

44 Søk-kanaler En søk-kanals egnethet avhenger ikke bare av hvor ofte Higgs henfaller i denne kanalen, men også hvor lett det er å skille Higgs-eventene fra andre eventer (bakgrunn) Henfall til leptoner eller fotoner er gunstig Lav Higgs-masse er et vanskelig område e H b b H Z 0 Z 0 e + µ g b µ + g b H t γ t γ

45 ATLAS-resultater Plottene over viser fordelinger av invariant masse for kanalene H γ γ og H Z 0 Z 0 l + l l + l En statistisk analyse er nødvendig for å forstå hva disse fordelingene forteller oss om hvorvidt Higgs eksisterer

46 ATLAS- og CMS-resultater Plottet viser statistiske eksklusjonsgrenser Dersom heltrukken linje går under 1 forteller det oss at en gitt Higgs-masse er ekskludert med 95% konfidensnivå Statistisk kombinasjon av ATLAS- og CMS-resultater har ikke blitt gjort med disse data Ikke mange steder igjen for Higgs å gjemme seg

47 ATLAS- og CMS-resultater Plottet viser statistiske eksklusjonsgrenser Dersom heltrukken linje går under 1 forteller det oss at en gitt Higgs-masse er ekskludert med 95% konfidensnivå Statistisk kombinasjon av ATLAS- og CMS-resultater har ikke blitt gjort med disse data Har snart samlet nok data til å ekskludere Higgs helt ned til LEP-grensen dersom den ikke finnes

48 Søk etter supersymmetri Supersymmetri er tiltalende blant annet på grunn av en god kandidat for mørk materie Mørk materie må bestå av ladningsnøytrale partikler med lavt tverrsnitt for å vekselvirke med andre partikler Vil dermed observeres indirekte som manglende balanse i bevegelsesmengden i det transverse planet synlig p manglende T p T + p T = 0 = usynlig usynlig p T = synlig p T

49 Søk etter supersymmetri Tunge partikler henfaller til lettere partikler i en kaskade, mange partikler med mye energi synlig i sluttilstanden I tillegg manglende bevegelsesmengde p.g.a. den stabile letteste supersymmetriske partikkel Bakgrunn fra topp-kvarken - tyngste partikkel i Standardmodellen

50 Søk etter supersymmetri Ingen overskudd observeres i forhold til forventningene fra Standardmodellen Kan ekskludere supersymmetri i et lite område av parameterrommet - fortsatt god plass Kun ett eksempel blant mange SUSY-søk

51 ATLAS - status for søk etter ny fysikk

52 Oppsummering LHC går så det suser - vi har allerede samlet masse data, og kommer til å samle mye mer i løpet av neste år Higgs-bosonet er foreløpig ikke oppdaget, men heller ikke utelukket Har snart nok data til å utelukke Higgs-bosonet dersom det ikke finnes Foreløpig ingen resultater som er i uoverensstemmelse med Standardmodellen