1 Pytania, na które LHC powinno udzielić odpowiedzi Jan Królikowski Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego I Współpraca Compact Muon Solenoid Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 1

2 Zastrzeżenie wstępne Referat jest wygłaszany przez fizyka doświadczalnika. Jego tytuł jest trochę mylący gdyż sugeruje większą dawkę „teorii” niż zamierzam w nim zawrzeć. Zamierzam się skupić na tym w jaki sposób eksperymenty przy LHC zamierzają odpowiadać na ważne pytania w Fizyce Oddziaływań Elementarnych (FOE). Więcej teorii znajdą Państwo w referacie prof. Jana Kalinowskiego dzi ś 15:25-16:05 Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 2

3 Plan 1.Ważne otwarte pytania w FOE 2.Large Hadron Collider- program naukowy i eksperymenty 3.Sygnały „nowej fizyki” w eksperymentach przy LHC- kilka przykładów Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 3

4 1. WAŻNE OTWARTE PYTANIA W FOE Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 4

5 5 Fizyka Oddziaływań Elementarnych ma bliski związek z Kosmologią. Wielkie energie odpowiadają bardzo wczesnym etapom ewolucji Wszechświata. LHC 5 Gdzie jesteśmy na drodze poznania świata subjądrowego?

6 Co wiadomo o składzie Wszechświata? Model Standardowy i jego rozszerzenia opisują ok. 5% gęstości energii Wszechświata. Być może odkryjemy (w LHC?) składniki Ciemniej Materii (Cząstki SUperSYmetryczne?). Ciemna Energia, odpowiedzialna za przyspieszanie tempa ekspansji Wszechświata, pozostaje na razie niezrozumiała. Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 6 Universe 380 000 years old Universe now

7 Gdzie jest ciemna materia? Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 7 Materia barionowa ~4-6% Ciemna Materia ~23% Ciemna Energia ~70%

8 Struktura materii w Modelu Standardowym: Cząstki-fermiony (spin=1/2) Nośniki- bozony (spin=1 lub2) oraz Cząstki Higgsa (spin=0) Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 8

9 9 Cząstki w Modelu Standardowym Tego szukamy! Materia Nośniki oddziaływań Mechanizm nadawania masy

10 Masy cząstek i Spontaniczne Łamanie Symetrii Masy cząstek (kwarków, leptonów i bozonów pośredniczących) muszą być wprowadzane do MS w bardzo specjalny sposób- poprzez złamanie przez stan o najniższej energii pewnych globalnych symetrii teorii czyli Spontaniczne Łamanie Symetrii. Tylko w ten sposób można uniknąć kłopotów z nieskończonymi wyrażeniami w teorii. Najprostszym i najlepiej zbadanym mechanizmem SŁS jest mechanizm Higgsa i pojawienie się cząstki (-stek) Higgsa- bozonu (-ów) o nieznanej masie ale znanych oddziaływaniach z innymi cząstkami. Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 10

11 Zbadanie Spontanicznego Łamania Symetrii i poszukiwanie cząstek Higgsa to pierwszy i najważniejszy cel eksperymentów przy LHC Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 11

12 Model Standardowy nie jest ostateczną teorią oddziaływań elementarnych Niektóre argumenty za istnieniem bardziej zunifikowanej teorii przy wysokich energiach: 1.Pomiary stałych sprzężenia z E

13 Czy oddziaływania unifikują się przy wysokich energiach? Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 13

14 Poza Model Standardowy Rozbudowa teorii poza MS prowadzi zawsze do nowych ciężkich cząstek o masach w obszarze dostępnym eksperymentom przy LHC. Teoretycy zbudowali wiele modeli rozszerzania MS. Te nowe cząstki chcemy znaleźć. To drugi cel eksperymentów przy LHC. Ich produkcja jest, niestety, niewielka. W LHC oczekujemy częstości ich produkcji O(1  Hz- 0.1 Hz) w porównaniu z częstością zderzeń pp 10 9 Hz! Krytyczna jest więc selekcja kandydatów. Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 14

15 „Nowa Fizyka” jest rzadka nawet w LHC 15 Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009

16 2. LARGE HADRON COLLIDER- PROGRAM NAUKOWY I EKSPERYMENT Y Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 16

17 Wielki Zderzacz Hadronowy LHC Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 17 ATLAS ALICE CMS LHCb W tunelu LEP W CERNie k/ Genewy- 27 km obwodu Uruchomiony we wrześniu 2008. Uległ awarii po 9 dniach. Rozpocznie ponownie pracę w listopadzie. 2009. 17

18 Wyzwanie następnej dekady LHC i jego program naukowy stanowią wyzwanie: Poznawcze : oczekujemy, że wyniki otrzymane przy LHC posuną nas na drodze ku unifikacji teorii fizycznych Technologiczne : rozwiązania techniczne (kriogenika, elektronika, informatyka itd.) należą do najbardziej zaawansowanych na świecie; są to zastosowania w bezprecedensowej skali Organizacyjne : największe naukowe współprace międzynarodowe w globalnej skali. Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 18

19 Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 19 Start LHC: 10 września 2008

20 Zderzacz LHC Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 20 Wykorzystano istniejący tunel zderzacza e + e - LEP o obwodzie ok. 27 km. Zbudowano pierścień magnesów nadprzewodzących dipolowych (~1300) zapewniający zamknięte orbity dla dwóch przeciwbieżnych wiązek protonów lub jonów (aż do jonów Pb). Maksymalna indukcja B w dipolach to 8.4 T  maksymalna energia wiązki p 7 TeV. System kriogeniczny LHC jest największy na świecie. Magnesy dipolowe pracują w temperaturze nadciekłego helu 1.9 K 20

21 Tunel LHC i magnes dipolowy Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 21 System doprowadzania ciekłego He Wiązki

22 Awaria we wrześniu 2008 Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 22

23 Fala nadciśnienia zniszczyła 10 magnesów i przesunęła 42 Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 23 Naprawa została zakończona. Ulepszono systemy kontroli, które są jeszcze instalowane i testowane. Wiązki w LHC spodziewane są w połowie listopada 2009.

24 24 Przy LHC będą działać 4 eksperymenty Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009

25 Eksperymenty „ogólnego przeznaczenia” Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 25

26 Eksperymenty dedykowane ALICE i LHCb ALICE- zderzenia jonów (jader atomowych) wysokich energii LHCb – badanie rozpadów cząstek zawierających kwarki b Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 26

27 „Nowa Fizyka” jest rzadka nawet w LHC 27 Jan Król iko wski, Sesj a dla nauc zyci eli, Kon fere ncja HEP EPS, Kra ków, 21.0 7.20 09

28 Detekcja Cząstek w CMS Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 28

29 3. SYGNAŁY „NOWEJ FIZYKI” W EKSPERYMENTACH PRZY LHC- KILKA PRZYKŁADÓW Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 29 Poszukiwanie higgsów SŁS w rozpraszaniu WW Ciężkie cząstki sypersymetryczne (np. Ciemna Materia)

30 Produkcja i rozpad higgsa Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 30

31 Poszukiwanie higgsów Mechanizmy produkcji i rozpadów higgsów: Cząstki Higgsa sprzęgają się najmocniej do najcięższych cząstek, na które mogą się rozpaść. Np. rozpad dominuje dla 140 < m H < 2 m W czyli w obszarze mas higgsów 140- 180 GeV/c 2. Stąd poszukiwanie higgsów polega na badaniu różnych kanałów rozpadów zależnie od obszaru masy poszukiwanej cząstki. Ponieważ możliwości detekcji, tło i zdolności rozdzielcze różnych kanałów rozpadu są różne, czułość eksperymentów na odkrycie higgsów zależy od masy higgsów. Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 31

32 Kanal H  dla M H

33 Np. 114.5 < m H

34 ODKRYCIE HIGGSA z>5 Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 34 Znaczoność sygnału wzrasta ze scałkowaną świetlnością L. L (2009-2010) ~200-250 /pb= = 0.20-0.25 /fb

35 Rozpraszanie WW oknem na SŁS dla dużych mas Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 35 Dżet W Dżet spektator Lepton (mion) CMS Skomplikowany stan końcowy: mion+ dżet W+ 2 dżety spektatorzy Trudna separacja sygnału od tła

36 Supersymetria SUSY Supersymetryczne rozszerzenia Modelu Standardowego są bardzo atrakcyjne z teoretycznego punktu widzenia. Mi.: Są to modele pozwalające na precyzyjne przewidywania (ale kosztem wprowadzenia dodatkowych wolnych parametrów), Zawierają kandydatów na Ciemną Materię. W SUSY każdy fermion (bozon) ma swojego bozonowego (fermionowego) superpartnera. SUSY jest symetrią łamaną- masy superpartnerów muszą być większe niż normalnych cząstek, gdyż jeszcze ich nie zaobserwowaliśmy. Prawo zachowania tzw. Parzystości R wymaga zachowania liczby superpartnerów: W zderzeniach normalnych cząstek cząstki supersymetryczne produkowane są w parach. W rozpadach superpartnerów najlżejsza cząstka supersymetryczna (LSP) jest neutralna i trwała. Jest więc kandydatem na Ciemną Materię. Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 36

37 Parterzy supersymetryczni: quarks (j=1/2)  ------------ ---------  squarks (j=0) leptons (e, μ, τ)  -----------------------  sleptons neutrinos (ν)  -----------------------  sneutrinos W, Z, γ (j=1),  ----------------------  wino, zino, photino (j=1/2) gluon (j=1)  ----------------------  gluino (j=1/2) Higgs h0 (j=0)  ---------------------  higgsino (j=1/2) Cząstki supersymetryczne mogą się mieszać, tj. cząstki fizyczne mogą być superpozycjami supercząstek o określonych liczbach kwantowych. Neutralina- superpopozycja neutralnych supercząstek mogą być kandydatami na Ciemną Materię. SUSY cd. 37 Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009

38 Poszukiwania SUSY Typowa sygnatura hadronowa: Duża brakująca E T (  200 GeV ) Dżety (N  3) Typowa sygnatura leptonowa: Naładowane leptony (N =1,2,34) Brakujaca E T Typowe tła: Dżety hadronowe z QCD Top/ W/Z + Dżety(hadronowe and leptonowe) Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 38 SUSY- rozpady kaskadowe LSP

39 Poszukiwania SUSY : Potrzeba precyzyjnie dostroić przewidywania tła z MC MC jest dostrojone do danych z CDF p-pbar przy energii 1.8 TeV Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 39 Z 0 transverse momentum

40 Podsumowanie Naprawa awarii w LHC przebiega dobrze. Oczekujemy zderzeń przy energii 10 TeV w listopadzie i 14 miesięcy brania danych w 2009-2010 ( scałkowana świetlność ~200-250 /pb). Dane zebrane w tym okresie posłużą przede wszystkim do zmierzenia fizyki Modelu Standardowego choć nie można wykluczyć odkryć. Zbadanie SŁS i odkrycie higgsów wymaga znacznie większych świetlności (2011-12). Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 40

41 Example: 1.9 TeV gluino in the CMS detector All charged tracks+E After reconstruction Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 41

42 Peter Higgs w CMS, tuż przed zamknięciem detektora w sierpniu 2008 Jan Królikowski, Sesja dla nauczycieli, Konferencja HEP EPS, Kraków, 21.07.2009 42