Higgspartikkelen. Bjørn H. Samset, UiO bjornhs@fys.uio.no



Like dokumenter
Masterclass i partikkelfysikk

Introduksjon til partikkelfysikk. Trygve Buanes

VELKOMMEN TIL INTERNATIONAL MASTERCLASSES 2017 FYSISK INSTITUTT, UNIVERSITETET I OSLO

LHC sesong 2 er i gang. Hva er det neste store for CERN?

Eirik Gramstad (UiO) 2

Hva har LHC lært oss om partikkelfysikk så langt?

LHC girer opp er det noe mørk materie i sikte?

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Modell, Cold Dark Matter, Normal text - click to edit

CERN og The Large Hadron Collider. Tidsmaskinen

Hvordan skal vi finne svar på alle spørsmålene?

Normal text - click to edit

Normal text - click to edit

Higgspartikkelen er funnet, hva blir det neste store for CERN?

Eksperimentell partikkelfysikk. Kontakt :

European Organization for Nuclear Research. , "CERN for Videregående"

ATLAS Detector Monitoring with Jets

URSTOFF VAKUUM KVARK-GLUON PLASMA

UT I VERDENSROMMET! Normal text - click to edit. Mørk materie Universets ekspansjon Mørk energi

Superstrenger. Teorigruppa, Fysisk institutt

MELLOM MIKRO - OG MAKROKOSMOS KAN BIG BANG HISTORIEN ETTERPRØVES?

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

Vitenskap åpner grenser

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

Moderne partikkelfysikk. Normal text - click to edit

Universet som forsvant. Are Raklev

LHC - FYSIKK. 10/22/2010 F. Ould-Saada: LHC - Fysikk 1

Kreftenes opprinnelse i rommet (Naturkreftenes prinsipp) Frode Bukten

VAKUUM: INGENTING? GAMLE GREKERE: INTET finnes ikke fordi verden må forklares. INTET kan ikke forklares. Heller er det slik at verden er full av noe.

Siste resultater fra ATLAS Higgs søk

Fra Fysikkens Verden. Nr årgang. Innhold. Utgiver: Norsk Fysisk Selskap. Redaktører: Øyvind Grøn Marit Sandstad

Egil Lillestøll, Lillestøl,, CERN & Univ. i Bergen,

TIMSS og Astronomi. Trude Nilsen

Senter for Nukleærmedisin/PET Haukeland Universitetssykehus

AST1010 En kosmisk reise

Theory Norwegian (Norway)

Ordenes makt. Første kapittel

Da Askeladden kom til Haugsbygd i 2011

Løsningsforslag til avsluttende eksamen i AST1100, høsten 2013

The agency for brain development

Normal text - click to edit Partikkelfysikk og kosmologi

Landskonferansen om fysikkundervisning, Gol, Hva er fysikk? Fysikk som fag og forskningsfelt i det 21. århundre. Gaute T.

Elementærpartikler. Are Raklev 12. mai Sammendrag Dette er et sammendrag av forelesningene om elementærpartikler.

Professor Elgarøy avslører: Hva DU bør repetere før AST1100-eksamen!

ERGO Fysikk. 3FY. AA (Reform 94) - 8. Relativitetsteori Tid - Fagstoff. Innholdsfortegnelse

Department of Physics and Technology. ATLAS + Higgs. Norwegian Teacher Programme Steffen Mæland. uib.no

Fysikk 3FY AA6227. Elever og privatister. 26. mai Videregående kurs II Studieretning for allmenne, økonomiske og administrative fag

Normal text - click to edit Partikkelfysikk og kosmologi

Telle i kor steg på 120 frå 120

Fortelling 3 ER DU MIN VENN?

KUNST, KULTUR OG KREATIVITET. Barn er kreative! Vi samarbeider og finner på nye leker, bruker fantasien og bygger flotte byggverk

European Organization for Nuclear Research. "CERN for Videregående"

SANDY Hun stakk på do. Hun vil ikke snakke med meg. RICHARD. SANDY Faen! Jeg mener. Jeg tror ikke det er min skyld. SANDY

Etterarbeid til forestillingen «stor og LITEN»

Dersom det er sant at Gud finnes, hvordan tror du han/hun er? Anders, Eli, Frida, Hege

Lys. Bølger. Partiklar Atom

Veiviseren. Sammendrag, Veiviseren

Gud ikke er stor. For opptak:

Livet til det lykkelige paret Howie og Becca blir snudd på hodet når deres fire år gamle sønn dør i en ulykke.

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 19: Kosmologi

GÅTE TEKNISK UKEBLAD FINNER IKKE SVAR PÅ UNIVERSETS. Utviklet slangerobot etter brann. Stor test: Batteridriller. Årets nye teknologistudier

: subs x = 2, f n x end do

OBLIGATORISKE SPØRSMÅL I ELEVUNDERSØKELSEN

Årsrapport 2010 Kjerne- og partikkelforskning/kjernpar ( )

Atomets oppbygging og periodesystemet

Hånd i hånd fra Kilden Konsert Tekster

FYS-MEK 1110 Løsningsforslag Eksamen Vår 2014

KROPPEN DIN ER FULL AV SPENNENDE MYSTERIER

Newtons (og hele universets...) lover

Årsrapport 2014 CERN-relatert forskning (CERN) ( )

Er naturkonstantene konstante?

I meitemarkens verden

Katrine Olsen Gillerdalen. En mors kamp for sin sønn

Moderne partikkelfysikk

Leker gutter mest med gutter og jenter mest med jenter? Et nysgjerrigpersprosjekt av 2. klasse, Hedemarken Friskole 2016

Alf Prøysen. Jubileumsutgave

Onsdag og fredag

UNIVERSITETET I OSLO

«Det er mitt valg» Pedagogisk verktøy for barnehagen.

Skalle likte å crawle baklengs, da fikk han en sånn lur liten plogefølelse, nesten som en båt.

PROGRESJONS DOKUMENT. Barnehagens fagområder. Barns læringsprosesser

Fornavn. Etternavn. Innlæringsmål: forstå hvordan positive og negative magnetiske poler kan demonstrere tiltrekkende og frastøtende kraft.

Kom i gang med Nysgjerrigper

Løsningsforslag til øving 12

Fysikk 50 år frem i tid

Go with the. Niende forelesning. Mye matematikk i boka her ikke så komplisert, men mye å holde styr på.

En eksplosjon av følelser Del 3 Av Ole Johannes Ferkingstad

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Mekanikk 1/19/2017. Forelesning 3: Mekanikk og termodynamikk

Ofte stilte spørsmål (OSS)

Oskar Klein og den femte dimensjon

Det er frivillig å delta i spørreundersøkelsen, ingen skal vite hvem som svarer hva, og derfor skal du ikke skrive navnet ditt på skjemaet.

Til frihet. Jesus kom for å sette de undertrykte og de som er i fangenskap fri. Du kan også si at kom slik at vi kan oppleve frihet.

Fysikk og virkelighetsoppfatning

Fysikk og virkelighetsoppfatning

Undring provoserer ikke til vold

Brukerrepresentanter og kompetanse i Kunnskapsbasert praksis

LØSNINGSFORSLAG, KAPITTEL 2

VINTERLEIRER 2010 TROVASSLI LEIRSTED, ØYFJELL

Vibeke Tandberg. Tempelhof. Roman FORLAGET OKTOBER 2014

Hannametoden en finfin nybegynnermetode for å løse Rubik's kube, en såkalt "layer-by-layer" metode og deretter en metode for viderekommende.

Transkript:

Higgspartikkelen 1

Higgspartikkelen (Hva er den?) 2

Mythbusting! 3

Higgspartikkelen Fysikkens fortapte sønn 4

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

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

Partikkelfysikk anno ca. 1900 1871: Dimitry Mendeleev 1911 og 1920: Ernst Rutherford Periodesystemet Atomkjernen og protonet 1897: J. J. Thompson 1932: James Chadwick Elektronet Nøytronet 7

Et enkelt bilde av naturen: Alt består av tre bestanddeler: Elektrisk ladning Masse Protonet 1 938 MeV/c² Nøytronet 0 940 MeV/c² Elektronet -1 0.511 MeV/c² PS: 1 ev = den energi som et elektron får når det akselereres over Fint! et potensialfall på 1V = 1.6 10-19 J 1 MeV/c² = 1.8 10-30kg 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

Partikkelfysikk anno 1950 9

Partikkelfysikk anno 2008 10

Partikkelfysikk anno 2008 11

Standardmodellen for partikkelfysikk per august 2008: 12

Standardmodellen for partikkelfysikk per august 2008: 13

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 1969. 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 + 3-9 MeV/c² ~1.2 GeV/c² ~1.1 GeV/c² 174.3 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 1995 14

Leptoner: Elektronet m. fam., og tre spøkelser Lepton Ladning e µ τ -1-1 -1 νe νµ ντ 0 0 0 Masse 0.511 MeV/c² + 105.6 MeV/c² 1.8 GeV/c² 0? 0? 0? antileptoner med motsatt ladning 15

Hva med krefter? Hvordan vet partiklene om hverandre? Det finnes fire naturkrefter (som vi vet om): Kraft Relativ styrke Gravitasjon 10-38 Svak kjernekraft 10-13 Elektromagnetisme 1/137 1 Sterk kjernekraft Virker på Alt med masse Leptoner, kvarker e,µ,τ,kvarker Kvarker...og de ser slik ut: 16

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

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

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

Standardmodellen på 1-2-3 20

Standardmodellen på 1-2-3 1) 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

Standardmodellen på 1-2-3 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 1979. 22

Standardmodellen på 1-2-3 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

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

Advarsel: Higgs masse Et proton veier 938 MeV/c² Kvarkene veier til sammen ca. 10 15 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

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

Så langt: LEP og Fermilab LEP, CERN, 1989 2000: Fant nesten Higgs. Tevatron, Fermilab, 1983 nå: Fant toppkvarken i 2005, leter nå desperat etter Higgs. 27

Higgsjegernes nye hjem: 28

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

Large Hadron Collider 30

31

Large Hadron Collider 32

Status: cern.ch/lhc first beam 33

A Toroidial LHC ApparatuS 34

A Toroidial LHC ApparatuS 35

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

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

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

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

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

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

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

Lover du å ikke ødelegge jorden? 43

44

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

Lenker og tips Partikkeleventyret: http://www.fysikknett.no/partikkel/ LHC info og status: http://cern.ch/lhc first beam Rapport om hvorfor LHC er trygg (på norsk): http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/releases2008/pr05.08e.html Cosmic variance random samplings from a universe of ideas: http://cosmicvariance.com/ Denne presentasjonen: http://www.fys.uio.no/~bjornhs/presentations/higgspartikkelen_samset.pdf Send gjerne spørsmål! 46