BOSÃ“N DE HIGsdghdthfgfgh fghgfjhfgb djujkghjghjmgjkgjkgujkujgkgkgjGS.pdf 7.pdf

El bosn de Higgs en el acelerador de partculas LHC (Large Hadron Collider)

del CERN

Begoa de la Cruz

CIEMAT-Madrid

EUITA-ETSIA-EIAE (UPM)

30-Nov, 2012

En el corazn de Europa,

en uno de los mayores laboratorios del mundo

CERN European Centre for Nuclear Research

Bosn de Higgs en LHC del CERN

2

Se sita la ms rpida y trepidante carrera

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

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 ms vaco que el espacio interestelar

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


4

En una de las regiones ms fras del universo

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

planta de criogenia instalada en el mundo.


5

Donde ocurrirn algunas de las reacciones ms

calientes de nuestra galaxia

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

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


6

Para ser observadas por los ojos ms complejos jams construidos,


Los detectores cuentan con 140 millones de canales de datos recibiendo informacin 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 computacin ms potente del mundo

8

Bosn de Higgs en LHC del CERN 9


LHCb

ATLAS

ALICE

CMS

del acelerador LHC! Large Hadron Collider

10

Aceleradores

y detectores Microscopios Telescopios pticos y

radiotelescopios Binoculares

La Astrofsica/Cosmologa estudia la materia en sus dimensiones ms grandes

La Fsica de Partculas estudia la materia en sus dimensiones ms nfimas

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

Aceleradores: herramientas en fsica de partculas


11

12

Qu es la Fsica de Partculas? Es el campo de la Fsica que estudia

las partculas ms pequeas de la materia en el Universo

y las relaciones entre ellas.

Cmo interaccionan

entre s

Universo: mundo subnuclear (microscpico) y

cosmolgico (macroscpico)

estas partculas, no compuestas, se llaman elementales

Simbiosis fsica de partculas terica y experimental

aportar los datos experimentales interpretar en el marco de modelos propuestos

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

Partculas elementales de materia

Tabla Peridica

Estructura Atmica p, n, e-

u u

d

Atomo

Protn Estructura protn u, d (quarks)

u

d

gluones


Partculas elementales de materia


Partculas Elementales de Materia


Toda la materia est formada a partir de estas 12 partculas.

protn: (uud) neutrn: (udd)

Existen tambin las

correspondientes antipartculas (igual masa pero nmeros

cuanticos de signo distinto)

Todas las partculas de materia son Fermiones . Tienen spin

semientero (1/2, 3/2, )

Fuerza electromagntica

Fuerza gravitatoria

Fuerza fuerte Fuerza dbil

. .

. . .

. tomo

ncleo n p + e- + ne d u + e- + ne

1

10-2

10-5

10-40 4 interacciones bsicas

Interacciones fundamentales


Se producen por el intercambio de una partcula mediadora Las partculas de materia interaccionan

a distancia intercambiando una partcula mensajera . El alcance de la interaccin disminuye a medida que la masa de la partcula mediadora aumenta.

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



Partculas Mediadoras de Interaccinn

Fotn () Int. Electromagntica

Glun (g) Int. Nuclear Fuerte

W (W+ y W) y Z Int. Nuclear Dbil

Gravitn Int. Gravitatoria


Bosones (spin entero: 0,1,2)

Modelo Estndar de Partculas Elementales

Teora cuntica de campos Engloba int. electromagntica,

nuclear dbil y fuerte, pero no Gravitacin

describe la naturaleza predice valores medidas probada con ~1% precisin pero


Simetras presenta un problema con la masa de las partculas


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E = mc2

E kT

Partculas sin masa

Partculas masivas

13.7 billion years

Unificacin de interacciones


Tras el Big-Bang solo exista un nico tipo interaccin. Al expandirse y enfriarse el Universo (T crtica) aparecieron diversas

manifestaciones de la interaccin (ruptura espontnea de simetras), Las partculas evolucionaron y se recombinaron, adquiriendo masa.

Fuerza Electromagntica

Fuerza Nuclear Dbil

Fuerza Nuclear Fuerte

Gravitacin

BIG

BANG

Simetra Electrodbil

Tiempo

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

Mecanismo de Higgs da masa a las partculas 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




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

Cartoon by Flip Tanedo





W1 y W2 se combinan con H+, H- , adquiriendo masa W+ , W- W3 y B se mezclan y combinan con H0 Z (masivo), (masa nula)






W1 y W2 se combinan con H+, H- , adquiriendo masa W+ , W- 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 interaccin del resto de las partculas (fermiones) con el campo creado por este

Higgs les confiere masa.




Mecanismo de Higgs . Fermiones


Las partculas interaccionan con el campo creado por la partcula de Higgs, h y adquieren masa, mayor, cuanto mayor sea la intensidad de la interaccin.

Este campo llenara todo el universo. Interaccin con el campo de Higgs

Friccin con un lquido viscoso

Unico Higgs observado hasta ahora en un experimentoel propio Dr. Higgs!!

Friccin con un lquido viscoso

Las partculas interaccionan con el campo creado por la partcula de Higgs, h y adquieren masa, mayor, cuanto mayor sea la intensidad de la interaccin.

Este campo llenara todo el universo.

Mecanismo de Higgs . Fermiones


Interaccin con el campo de Higgs

Prediccin bosn Higgs

Falta 1 pieza: Higgs

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

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

sus propiedades; pero no su masa, mh


100 m

Haz de partculas, Eh Haz de partculas, Eh

C. Vander Velde

Colisiones de partculas de alta energa: E=mc2


ECMS = Eh + Eh

Energa de la colisin se emplea en crear partculas de masa m.

A mayor energa, podemos crear partculas ms masivas

Estas partculas masivas se desintegran rpidamente en otras ms ligeras y estables.

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

Energa de acelerador (E=2 Ehaz) est relacionada con: E=mc2, energa disponible para crear nuevas partculas E ~1/, tamao de objeto a investigar E =KT, probar condiciones del universo primario (T>>>)

Colisionadores de partculas


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Cavidades aceleradoras Superconductoras Nb (a 4.5 K)

Dipolos Imanes superconductores, curvan trayectoria

Cuadrupolos, Sextupolos Focalizan y empaquetan haz

Tnel Gran obra ingeniera civil

Tubo del haz Vaco 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 elctricos y 8 enormes cavernas para albergar detectores (~50000 m3)

Tnel del LHC


34

1232 Imanes dipolares o dipolos

r = 1 / r = e B / p

I11000 A proporciona

B= 8.3T

Definicin y mantenimiento de rbitas


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~400 Imanes cuadrupolares (lentes magnticas)

y x

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

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

Los paquetes de partculas que pasan a travs de ellos reducen sus dimensiones transversales pero aumentan su dimensin longitudinal.

ptica del haz


36

Interconexin de criodipolos


37

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

- - -

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

- - -

+ + + +

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

Los paquetes de partculas se hacen ms compactos. La partculas ms retrasadas se aceleran ms mientras que las ms adelantadas se aceleran menos.

Las prdidas energticas por radiacin sincrotn se compensan en las cavidades de aceleracin.

+

E ~ 5 MV/m

Cavidades aceleradoras


38

Cadena de aceleradores en CERN


39


LHCb

ATLAS

ALICE

CMS

LHC es el ms grande y potente microscopio en la historia de la Ciencia!

Haces Protn Protn colisionando a 7 TeV

3.5 - 4 1012 ev Energa 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

Produccin de nuevas partculas 10-5 Hz (Higgs, SUSY, )


Colisiones protn-protn en LHC

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

Detector constituido por capas concentricas, cada una con

tareas especficas

C. Vander Velde Deteccin de partculas

Objetivo: Identificar y medir magnitudes (energa, momento, carga elctrica, trayectoria, masa) de las partculas creadas.

Basado interaccin partcula-materia

Requisitos detectores de LHC

hermtico (4)

rpidos (25-50 ns)

finamente segmentados

resistentes a radiacin

capaces de identificar y medir partculas

individuales y chorros jets (quarks).


Deteccin de partculas

Detector de MUONES (Barril)

Silicon Microstrips Pixels

ECAL Cristales centelladores

de PbWO4

Cmaras de strips catdicos

Cmaras de placas resistivas Cmaras de

tubos de deriva

Cmaras de

placas resistivas

IMAN SUPERCONDUCTOR

Yugo de hierro

TRACKER

Tapas laterales

de MUONES

Peso total : 12,500 t Dimetro total : 15 m Longitud total : 21.6 m Campo magntico : 4 Tesla

HCAL

Plsticos centelladores

intercalados con bronce

CALORIMETROS

Compact Muon Solenoid: CMS


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Objetivo: Dotar al detector con un campo magntico para curvar las trayectorias de partculas cargadas

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

Solenoide Superconductor


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

Objetivo: medir trayectorias & momenta de partculas cargadas

Detector de Si para trayectorias


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Objetivo: medir la energa de electrones, positrones y fotones

80000 cristales de PbWO4 producen luz al paso de las

partculas incidentes.

La cantidad de luz depende de la energa de la partcula.

~80% metal, pero transparente!

Calormetro Electromagntico


47

Objetivo: medir la energa de hadrones (protones, neutrones

Varias capas de material denso (Cu, acero) entremezcladas con plsticos centelleadores fibras de cuarzo (material activo). De armas a instrumentos cientficos! Latn (Cu) para el calormetro recuperado de los barcos de guerra rusos.

Calormetro Hadrnico


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Objetivo: Identificar muones y medir su momento

Diversos tipos de cmaras de muones, basados en ionizar un gas al paso del mun, que genera una nube de electrones marcando el camino seguido por l. El rea total cubierta por estos detectores en experimentos LHC es ~6000m2 - como campo ftbol!

Cmaras de muones


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

construccin

pruebas

instalacin

electrnica de lectura de datos

alineamiento

calibracin

anlisis cientfico de datos

2.5m 2.5m

Cmaras de deriva multihilos para muones


Visualiza el paso de cada tipo de partcula a travs de los detectores

Esquema transversal de un sector de CMS

Bosn 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 calormetro hadrnico


Listo para cerrarlo


. y ya cerrado!



LHCb Fsica del quark b

Violacin CP

ATLAS Propsito general

ALICE Plasma de quarks

y gluones

CMS Propsito general

En el LHC hay 4 grandes detectores

24 m

45 m

A Toroidal LHC ApparatuS: ATLAS


58

Excelente funcionamiento del LHC


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

Cada ao progreso enorme en luminosidad

(nmero de protones por cm2 y por s), en control de parmetros del acelerador.

Eficiencia de recogida datos (CMS activo)

(95%) y de calidad ptima para anlisis cientfico (94%) .

Gran desafo: pile-up (mltiples interacciones

pp en mismo cruce de paquetes).

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

Z

Suceso de toma datos 2012 con 25 vrtices reconstruidos

Cmo buscamos el bosn de Higgs??


g

g

q

q q H

Produccin de Higgs

64

p p

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

u

d

u u

d

u

mh parmetro libre (en ME)

g

g t

t

H

q

q H

W

W*

q

q

W

W

H

q

q Consideraciones tericas sobre dispersin WW implican mh < ~1 TeV


Desintegracin del bosn de Higgs El Higgs se desintegra inmediatamente

a fermiones (quarks y leptones)

a bosones vectoriales (W, Z, , g)

BR = Fraccin (razn) de desintegracin = fraccin de veces que se desintegra en un determinado estado final


Gran variedad de procesos fsicos ya establecidos y conocidos

Producidos con una probabilidad (seccin eficaz) varios rdenes de magnitud superior

Las signaturas o estados finales son muy semejantes

es como buscar aguja en un pajar!!!

Bsqueda especializada en diversos canales, combinando modos de produccin y de

desintegracin

Desafo en la bsqueda

Abundancia Claridad de seal en detectores Capacidad de discernir entre otros

procesos


Gran variedad de procesos fsicos ya establecidos y conocidos

Producidos con una probabilidad (seccin eficaz) varios rdenes de magnitud superior

Las signaturas o estados finales son muy semejantes

es como buscar aguja en un pajar!!!

Desafo en la bsqueda

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

Bsqueda especializada en diversos canales,

combinando modos de produccin y de desintegracin



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

Z e+e-, + y luego H ZZ Reconstruccion en trminos 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, )

Grfico 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

Grfico 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

76

LHC contina funcionando y CMS/ATLAS recogiendo y analizando datos, para acumular mayor nmero sucesos

Confirmar/Identificar si la nueva partcula descubierta es el bosn de Higgs predicho por Modelo Estndar (otras alternativas)

modos produccion/desintegracion

en las proporciones (secciones eficaces)predichas

con los numeros cunticos (spin, paridad..)

En marzo 2013 LHC parar durante ~1 -2 aos, 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! Bosn de Higgs en LHC del CERN 77

Cmo continuamos?

Documents

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