El bosson de higgs en lhc

El bosón de Higgs en el acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider)

del CERN

Begoña de la Cruz

CIEMAT-Madrid

EUITA-ETSIA-EIAE (UPM)

30-Nov, 2012

En el corazón de Europa,

en uno de los mayores laboratorios del mundo…

CERN – European Centre for Nuclear Research

Bosón de Higgs en LHC del CERN

2

Se sitúa la más rápida y trepidante carrera…

~2800 paquetes con 1011 protones cada uno, corren en un anillo de 27 km de perímetro

con el 99.999999% de la

velocidad de la luz,

Colisionando unos contra otros

40,000,000 veces por segundo

(40M Hz)


3

En un espacio más vacío que el espacio interestelar…

El vacío en el tubo del haz es mayor que en el espacio exterior. La presión (~10-13 atm) es 1/10 de la existente en la superficie lunar.


4

En una de las regiones más frías del universo…

He líquido superfluido se mantiene a 1.9 K (-271.3 C), ligeramente más frío que el espacio interestelar, para refrigerar los imanes . Mayor

planta de criogenia instalada en el mundo.


5

Donde ocurrirán algunas de las reacciones más

calientes de nuestra galaxia…

Colisiones de partículas muy violentas, correspondientes a temperaturas 105 veces más altas que el centro del sol.

Hablamos de unos 1,600,000,000,000 C


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Para ser observadas por los “ojos” más complejos jamás

construidos,


Los detectores cuentan con 140 millones de canales de datos recibiendo información 40 millones de veces por segundo


7

Los detectores envian datos a un ritmo de 700 MB/sec.

Esto es ~30,000 Enciclopedias Britannicas cada segundo!


…y analizados por el sistema de computación más potente del

mundo

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Bosón de Higgs en LHC del CERN 9


LHCb

ATLAS

ALICE

CMS

…del acelerador LHC! Large Hadron Collider

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Aceleradores

y detectores Microscopios Telescopios ópticos y

radiotelescopios Binoculares

La Astrofísica/Cosmología estudia la materia en sus dimensiones más grandes

La Física de Partículas estudia la materia en sus dimensiones más ínfimas

Se requieren distintos tipos de aparatos para explorar objetos de distintas dimensiones

Aceleradores: herramientas en física de partículas


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12

¿Qué es la Física de Partículas? Es el campo de la Física que estudia

las partículas más pequeñas de la materia en el Universo

y las relaciones entre ellas.

Cómo interaccionan

entre sí

Universo: mundo subnuclear (microscópico) y

cosmológico (macroscópico)

estas partículas, no compuestas, se llaman elementales

Simbiosis física de partículas teórica y experimental

aportar los datos experimentales interpretar en el marco de modelos propuestos

encajar las piezas del puzzle de la materia y sus interacciones Bosón de Higgs en LHC del CERN

Partículas elementales de materia

Tabla Periódica

Estructura Atómica p, n, e-

u u

d

Atomo

Protón Estructura protón u, d (quarks)

u

d

gluones


Partículas elementales de materia


Partículas Elementales de Materia


Toda la materia está formada a partir de estas 12 partículas.

protón: (uud) neutrón: (udd)

Existen también las

correspondientes antipartículas (igual masa pero números

cuanticos de signo distinto)

Todas las partículas de materia son Fermiones . Tienen spin

semientero (1/2, 3/2, …)

Fuerza electromagnética

Fuerza gravitatoria

Fuerza fuerte Fuerza débil

. .

. . .

. átomo

núcleo n p + e- + ne

d u + e- + ne

1

10-2

10-5

10-40 4 interacciones básicas

Interacciones fundamentales


Se producen por el intercambio de una partícula mediadora Las partículas de materia interaccionan

a distancia intercambiando una partícula « mensajera ». El alcance de la interacción disminuye a medida que la masa de la partícula mediadora aumenta.

http://www.cerimes.education.fr/




Se producen por el intercambio de una partícula mediadora Las partículas de materia interaccionan

a distancia intercambiando una partícula « mensajera ». El alcance de la interacción disminuye a medida que la masa de la partícula mediadora aumenta.





Partículas Mediadoras de Interacciónn

• Fotón () Int. Electromagnética

• Gluón (g) Int. Nuclear Fuerte

• W (W+ y W) y Z Int. Nuclear

Débil

• Gravitón Int. Gravitatoria


Bosones (spin entero: 0,1,2)

Modelo Estándar de Partículas Elementales

Teoría cuántica de campos Engloba int. electromagnética,

nuclear débil y fuerte, pero no Gravitación

describe la naturaleza

predice valores medidas

probada con ~1% precisión

pero……


Simetrías … presenta un problema con la masa de las partículas…


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E = mc2

E kT

Partículas sin masa

Partículas masivas

13.7 billion years

Unificación de interacciones


Tras el Big-Bang solo existía un único tipo interacción. Al expandirse y enfriarse el Universo (T crítica) aparecieron diversas

manifestaciones de la interacción (ruptura espontánea de simetrías), Las partículas evolucionaron y se recombinaron, adquiriendo masa.

Fuerza Electromagnética

Fuerza Nuclear Débil

Fuerza Nuclear Fuerte

Gravitación

BIG

BANG

Simetría Electrodébil

Tiempo

Propuesto ~1960s por P.Higgs, F. Englert, R. Brout, G. Guralnik, C. Hagen & T. Kibble (6 magníficos)

Mecanismo de Higgs da masa a las partículas mediadoras W y Z (bosones) y, como subproducto, a las de materia (fermiones).

Un procedimiento distinto en cada caso.

Mecanismo de Higgs – Masa


Tras Big Bang

campo Higgs (spinor complejo – 4 componentes reales) : H0, H+, H- , h

bosones de interaccion, con masa nula: W1, W2, W3, B

Mecanismo de Higgs . Bosones


Tras Big Bang



W1 y W2 se combinan con H+, H- , adquiriendo masa W+ , W-

Cartoon by Flip Tanedo



Tras Big Bang




W3 y B se “mezclan” y combinan con H0 Z (masivo), (masa nula)




Tras Big Bang




W3 y B se “mezclan” y combinan con H0 Z (masivo), (masa nula)

Queda remanente un Higgs, h. Este es el Higgs buscado en el LHC.

La interacción del resto de las partículas

(fermiones) con el campo creado por este

Higgs les confiere masa.




Mecanismo de Higgs . Fermiones


Las partículas interaccionan con el campo creado por la partícula de Higgs, h y adquieren masa, mayor, cuanto mayor sea la intensidad de la interacción.

Este campo llenaría todo el universo.

Interacción con el campo de Higgs ≡ Fricción con un líquido

viscoso

Unico “Higgs” observado hasta ahora en un experimento…el propio Dr. Higgs!!

Fricción con un líquido viscoso ≡

Las partículas interaccionan con el campo creado por la partícula de Higgs, h y adquieren masa, mayor, cuanto mayor sea la intensidad de la interacción.

Este campo llenaría todo el universo.

Mecanismo de Higgs . Fermiones


Interacción con el campo de Higgs

Predicción bosón Higgs

Falta 1 pieza: Higgs

La teoría del ME necesita existencia del bosón de Higgs para ser predictiva y calculable, y no dar resultados infinitos (divergentes) en alguno de los procesos de la naturaleza (scattering WW). No sólo para originar masa. Este mecanismo (u otros semejantes) es

necesario para explicar la naturaleza tal como la observamos . El modelo Estándar predice muchas de

sus propiedades; pero no su masa, mh


100 m

Haz de partículas, Eh’ Haz de partículas, Eh

C. Vander Velde

Colisiones de partículas de alta energía: E=mc2


ECMS = Eh + Eh’

Energía de la colisión se emplea en crear partículas de masa m.

A mayor energía, podemos crear partículas más masivas

Estas partículas masivas se desintegran rápidamente en otras más ligeras y estables.

Estas colisiones recrean las condiciones que existieron en el Universo tras el Big-Bang.

Energía de acelerador (E=2 Ehaz) está relacionada con: E=mc2, energía disponible para crear nuevas partículas E ~1/, tamaño de objeto a investigar E =KT, probar condiciones del universo primario (T>>>)

Colisionadores de partículas


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Cavidades aceleradoras Superconductoras Nb (a 4.5 K)

Dipolos Imanes superconductores, curvan trayectoria

Cuadrupolos, Sextupolos Focalizan y empaquetan haz

Túnel Gran obra ingeniería civil

Tubo del haz Vacío mejor que espacio exterior

Elementos de un acelerador


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27 km de circunferencia

100 m bajo tierra, 8 sectores independientes en criogenia y sistemas eléctricos y 8 enormes cavernas para albergar detectores (~50000 m3)

Túnel del LHC


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1232 Imanes dipolares o dipolos

r = 1 / r = e B / p

I11000 A proporciona

B= 8.3T

Definición y mantenimiento de órbitas


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~400 Imanes cuadrupolares (lentes magnéticas)

y x

Los cuadrupolos focalizan en una coordenada (x) y desfocalizan en la otra (y)

Normalmente están organizados por parejas donde los elementos están girados 90 grados entre ellos

Los paquetes de partículas que pasan a través de ellos reducen sus dimensiones transversales pero aumentan su dimensión longitudinal.

Óptica del haz


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Interconexión de criodipolos


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+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

- - -

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

- - -

+ + + +

Las partículas se aceleran con campos eléctricos alternantes (cavidades aceleradoras) de 5MV/m de radiofrecuencia 400MHz.

Los paquetes de partículas se hacen más compactos. La partículas más retrasadas se aceleran más mientras que las más adelantadas se aceleran menos.

Las pérdidas energéticas por radiación sincrotón se compensan en las cavidades de aceleración.

+

E ~ 5 MV/m

Cavidades aceleradoras


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Cadena de aceleradores en CERN


39


LHCb

ATLAS

ALICE

CMS

LHC es el más grande y potente “microscopio” en la historia de la Ciencia!

Haces Protón Protón colisionando a 7 TeV

3.5 - 4 1012 ev Energía del haz

~1034 cm-2 s-1 Luminosidad

1380 (2808) Paquetes de protones/haz

1011 Protones/Paquete

25 ns

Cruce de paquetes 4x107 Hz Paquetes 7.5 cm x 16 x16 m2

Colisiones de Protones 107 - 109 Hz

Colisiones de quarks/gluones

Producción de nuevas partículas 10-5 Hz (Higgs, SUSY, …)


Colisiones protón-protón en LHC

Sucesos interesantes 1 cada 10,000,000,000,000

Detector constituido por capas concentricas, cada una con

tareas específicas

C. Vander Velde Detección de partículas

Objetivo: Identificar y medir magnitudes (energía, momento, carga eléctrica, trayectoria, masa) de las partículas creadas.

Basado interacción partícula-materia

Requisitos detectores de LHC

hermético (4)

rápidos (25-50 ns)

finamente segmentados

resistentes a radiación

capaces de identificar y medir partículas

individuales y chorros –jets (quarks).


Detección de partículas

Detector de MUONES (Barril)

Silicon Microstrips Pixels

ECAL Cristales centelladores

de PbWO4

Cámaras de strips catódicos

Cámaras de placas resistivas Cámaras de

tubos de deriva

Cámaras de

placas resistivas

IMAN SUPERCONDUCTOR

Yugo de hierro

TRACKER

Tapas laterales

de MUONES

Peso total : 12,500 t Diámetro total : 15 m Longitud total : 21.6 m Campo magnético : 4 Tesla

HCAL

Plásticos centelladores

intercalados con bronce

CALORIMETROS

Compact Muon Solenoid: CMS


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Objetivo: Dotar al detector con un campo magnético para curvar las trayectorias de partículas cargadas

En CMS, el mayor solenoide superconductor (13m largo, 6m diámetro interior) jamás construido. Hilos de Niobio-Titanio (Nb-Ti) enfriados a -271oC llevan 20000 A para generar un campo magnético de ~4 T – unas 10000 veces mayor que el terrestre.

Solenoide Superconductor


Detector de Si muy finamente Segmentado (píxeles y tiras) Registra la trayectoria de partículas cargadas, que permite medir su momento (muy buena resolución, pt/pt ~1-2% a alto ángulo) dxy~10 m, dz ~50 m Similar a cámara digital 70 Megapixel tomando 40 millones fotos/s!

Objetivo: medir trayectorias & momenta de partículas cargadas

Detector de Si para trayectorias


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Objetivo: medir la energía de electrones, positrones y fotones

80000 cristales de PbWO4 producen luz al paso de las

partículas incidentes.

La cantidad de luz depende de la energía de la partícula.

~80% metal, pero transparente!

Calorímetro Electromagnético


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Objetivo: medir la energía de hadrones (protones, neutrones…

Varias capas de material denso (Cu, acero) entremezcladas con plásticos centelleadores ó fibras de cuarzo (material activo). De armas a instrumentos científicos! Latón (Cu) para el calorímetro recuperado de los barcos de guerra rusos.

Calorímetro Hadrónico


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Objetivo: Identificar muones y medir su momento

Diversos tipos de cámaras de muones, basados en ionizar un gas al paso del muón, que genera una nube de electrones marcando el camino seguido por él. El área total cubierta por estos detectores en experimentos LHC es ~6000m2 - como campo fútbol!

Cámaras de muones


CIEMAT responsable 25% cámaras de deriva de muones en zona central del experimento CMS:

construcción

pruebas

instalación

electrónica de lectura de datos

alineamiento

calibración

análisis científico de datos

2.5m 2.5m

Cámaras de deriva multihilos para muones


Visualiza el paso de cada tipo de partícula a través de los detectores

Esquema transversal de un sector de CMS

Bosón de Higgs en LHC del

CERN

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Bajando la rueda central del detector


1900 Toneladas

Los detectores de muones de las tapas y el calorímetro hadrónico



Listo para cerrarlo…


…. y ya cerrado!



LHCb Física del quark b

Violación CP

ATLAS Propósito general

ALICE Plasma de quarks

y gluones

CMS Propósito general

En el LHC hay 4 grandes detectores

24 m

45 m

A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS


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Excelente funcionamiento del LHC


Desde Marzo 2010 colisiones pp a ECMS= 7 TeV. Durante 2012 , ECMS = 8 TeV.

Cada año progreso enorme en luminosidad

(número de protones por cm2 y por s), en control de parámetros del acelerador.

Eficiencia de recogida datos (CMS activo)

(95%) y de calidad óptima para análisis científico (94%) .

Gran desafío: pile-up (múltiples interacciones

pp en mismo cruce de paquetes).

1fb-1 of pp collisions @ s= 7 TeV 601012 events

Z μμ

Suceso de toma datos 2012 con 25 vértices reconstruidos

Cómo buscamos el bosón de Higgs??


g

g

q

q q H

Producción de Higgs

64

p p

Colisiones q-q, q-g, g-g

u

d

u u

d

u

mh parámetro libre (en ME)

g

g t

t

H

q

q H

W

W*

q

q

W

W

H

q

q Consideraciones teóricas sobre dispersión WW implican mh < ~1 TeV


Desintegración del bosón de Higgs El Higgs se desintegra inmediatamente

a fermiones (quarks y leptones)

a bosones vectoriales (W, Z, , g)

BR = Fracción (razón) de desintegración = fracción de veces que se desintegra en un determinado estado final


Gran variedad de procesos físicos ya establecidos y conocidos

Producidos con una probabilidad (sección eficaz) varios órdenes de magnitud superior

Las signaturas o estados finales son muy semejantes

es como buscar aguja en un pajar!!!

Búsqueda especializada en diversos canales, combinando modos de producción y de

desintegración

Desafío en la búsqueda

Abundancia Claridad de señal en detectores Capacidad de discernir entre otros

procesos


Gran variedad de procesos físicos ya establecidos y conocidos

Producidos con una probabilidad (sección eficaz) varios órdenes de magnitud superior

Las signaturas o estados finales son muy semejantes

es como buscar aguja en un pajar!!!

Desafío en la búsqueda

H ZZ 4 l (l = e, ) H H WW 2l 2n H bb H

Búsqueda especializada en diversos canales,

combinando modos de producción y de desintegración



H ZZ 4 l (l = e, ) Z e+e-, +- posible estados finales 4e, 4, 2e 2 A través de productos de desintegración, reconstruir

Z e+e-, + y luego H ZZ Reconstruccion en términos masa invariante del

sistema: E2= (mc2)2 + (pc)2

Z+-

Z e+

Z

e-

-

+


u, d, s c b

Procesos de fondo

H ZZ 4 l (l = e, )

Gráfico de frecuencias de masa reconstruida de 2 muones: m


u, d, s c b

Procesos de fondo

H ZZ 4 l (l = e, )

Gráfico de frecuencias de masa reconstruida de 2 muones: m

Reconstruir H ZZ 2e 2

H ZZ 4 l (l = e, )


e

e

H ZZ 4 l (l = e, )


Reconstruir H ZZ 4

• Gráfico de frecuencias de masa reconstruida de 4 leptones: m4l • Mismo exceso de sucesos alrededor de m4l ~125 GeV obtenido

independientemente por CMS & ATLAS

H ZZ 4 l (l = e, )



Procedimiento similar para H

Reconstruimos masa invariante del sistema de 2 fotones: m

H

74

De nuevo, ambos experimentos observan exceso en m ~ 125 GeV

H



Anuncio descubrimiento 4-Julio-2012

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LHC continúa funcionando y CMS/ATLAS recogiendo y analizando datos, para acumular mayor número sucesos

Confirmar/Identificar si la nueva partícula descubierta es el bosón de Higgs predicho por Modelo Estándar (otras alternativas)

modos produccion/desintegracion

en las proporciones (secciones eficaces)predichas

con los numeros cuánticos (spin, paridad..)

En marzo 2013 LHC parará durante ~1 ½-2 años, para adaptar sus imanes y su funcionamiento a Eh = 6-7 TeV => ECMS ~13-14 TeV

Alguna sorpresa puede estar

a la vuelta de la esquina! Bosón de Higgs en LHC del CERN 77

Cómo continuamos?

Documents

El bosson de higgs en lhc