Otkrice nove

cestice,

Higgs bozon ?

CERN u SrbijiBeograd, Srbija, 20. oktobar 2012

Vladimir Rekovic, Rutgers Univerzitet, NJ, SAD(takodje u Institutu Vinca, RS Srbija)20SEP12

Fiizika Cestica

Kratak uvod u teoriju i istoriju iz oblasti

20SEP12

“Standardni Model” U zadnjih ~100 godina: Razvoj Kvantne teorije polja i eksperimentalno

otkrice mnogih cestica Standardni Model Elementarnih Cestica

Sa novim “Periodnim sistemom fundamentalnih elemenata”

Matt

er

part

icle

s

Forc

e p

artic

les

Jedno od najvecih naucnih

dostignuca 20. veka

20SEP12

Mase kvarkova

20SEP12

Standardni Model

Potvrdjeno stotinamaeksperimetnalnih merenja

1 deo je falio: Higgs

Ove cestice vidimo u svakodnevnom zivotu, a ostale su bitne u definisanju onoga sto jesmo, t.j. definisanju prirodnih zakona.

20SEP12

Sta je Higsova cestica? Dok su razvijali teoriju fundamentalnih (osnovnih) sila i

interakcija, fizicari su naisli na veliko iznenadjenje Cestice koje prenose sile bi trebalo da nemaju masu, ali su

ekperimentalni podaci pokazivali suprotno.. Pitanje, zasto bi bilo koja cestica imala masu? Sta je masa?

Cesticse bez mase se krecu brzinom svetlosti Brzina svetlosti: c ~ 300,000 km/sekund E=mc2 ako je cestica mase m u mirovanju… E2=(mc2)2

But ako se cestica krece sa impulsom p onda je E2=(mc2)2+(pc)2

Pa, za cesticu bez mase (m=0) dobijamo E=pc Ovo je jejednacina za cesticu koja se krece brzinom svetlosti.

Genijalna ideja: Zamislite da postoji polje sile u prostoru (kosmosu) koja na

neki nacin usporava cestice na na brzine ispod brzine svetlosti. To bi bilo isto kao da cestice imaju masu.

Courtesy of Stefan Spanier (UT)

Masivna cestica

Interakcija sa Higsovim poljem

Je li polje isto sto i cestica Sva polja imaju male pakete energije koja mi

nazivamo “kvante” Da. Ovo dolazi iz kvantne mehanike (4. godina

gimnazije) Kvantna polja su cestice koje prenose sile

Elementarne cestice intereaguju kroz razmenu kvanti

U ovo mozda cak i nije tesko poverovati, Ima jos cudnijih stvari…

e-

e-

g

e-

e-Odbijanje 2 elektrona kroz razmenu jednog fotona.Foton je kvantum elektromagnetnog polja.

Kvantna Teorija Polja Energija i materija su ekvivalentne

(E = mc2)

Par “cestica-anticestica” moge da iskoce izpraznog prostora (vakum-a)

I onda ponovo nestane u vakum To su “virtualne” cestice.

Ovo ima dalekosezne posledice Struktura kosmosa zavisi od cestica koje ne postoje u svakodnevnom

zivotu (ali koje su postojale kad je kosmos bio mlad i vreo)

To je glavni razlog zasto se mi bavimo ovom naukom (Elementarne cestice)

Istrazujemo genetski kod naseg kosmosa Ove cestice ne vidimo u obicnom zivotu Da bismo ih izucavali neophodno je eksperimentalno stvoriti uslove sa

pocetka zivotnog ciklusa kosmosa.

t

t

Fluktuacija vakuma koja u kljucujetop kvarkove

. .

Prvi “top” kvark je registrovan 1990ih u Fermi laboratoriji, blizu Cikaga, SAD

pp physics at the LHC correspondsto conditions around here

HI physics at the LHC correspondsto conditions around here

20SEP12

Fizika koju istrazujemo pri protonskimsudarima na LHC-u odgovara ovim uslovima

Fizika teskih jona na LHC-u

20SEP12

Zasto se veruje da bi trebalo da postoji Higs cestica ?

Higs teorija ima svojstva koja se mogu lako proveriti. Predskazuje postojanje veoma masivnih cestica koja

prenose slabu nuklearnu silu, poznatije kao vektorski bozone, W+, W- and Zo

W+, W- bi trebalo da imaju masu oko 80.4 GeV Proton ima masu 1 GeV, tako da su ovo veoma masivne a opet

su elementarne cestice! Zo bi trebalo da ima masu oko 91.1 GeV

Trebalo bi da mozemo da nadjemo ove cestice I da im izmerimo masu. Na primer, Zo bi mogao da se raspane na dva miona.

Mozemo detektovati mione u kolajderima izmeriti njihove impulse i onda rekonstuisati masu Zo cestice.

Ako to ponovimo za mnostovo Zo cestica, raspodela vrednosti njene mase bi trebalo da ima odredjen oblik.

Zo m+m-

Ako se napravi merenje hiljade raspada Zo m+m-

ocekuje se sledeca raspodela mase Zo

cestice.

Rezonanca na 91.1 GeV

Dogadjaji sa dva miona ali koji ne dolaze iz raspada Zo m+m-

To je upravo onosto I vidimo u eksperimentu.

Elementarna veza Elementarne cestice su duboko povezane

Masa W bosona veoma zavisi od mase top kvaraka I malo od mase Higs bosona I mnostava drugih cestica.

Zbog toga sto se identitet cestice ne moze u potpunosti odvojiti od onoga u sta moze da se pretvori (ili u sta raspadne)

Fejnmanov diagram pokazuje kakko se W cestica transformise u top i bottom kvark, i natrag opet u W.

Ovde vidimo W cesticu kako se transformise u sebe samu + jednu Higs cesticu, I natrag opet u W.

Beneficije

Ako bismo izmerili masu top-kvarka i W bozona veoma precizno, mogli bismo da predskazemo masu Higsovog bozona u Standardnom modelu.

Problem

Masa Higs bosona: Virtualne cestice doprinose masi Higs bozoan kroz “loop”

korekcije koje mogu biti ogromne. bi mogla bit 1019 puta masa protona( Planck scale)

Vo je ogroman problem Takozvani “problem hijerarhije”

Nesto je potrebno da ponisiti ove korekcije!

Problem moze da se resi uz pomoc “partnerskih”cestica

Partner particles fix this: Need same coupling Need partners to have roughly similar masses Mnogo manja korekcija usled ponistavanja od strane partnerskih

cestica (Supersymetrija) No I ona moze biti ogromna ukoliko su super-partneri veoma masivni. No, Supersimetrija ce verovatno biti tema drugih predavanja ?

Da vidimo sta se radi experimentalno u CERNu i kako smo trazili Higs cesticu.

Ponistavanje

LHC – Large Hadron Collider

Akcelerator

20SEP12

The LHC Akcelerator kompleks

20SEP12

LHC

General Purpose,pp, heavy ions

General Purpose,pp, heavy ions

CMS

ATLAS

General Purpose:pp, heavy ions

General Purpose:pp, heavy ions

Peak energy [GeV] duzina/obim [m] Linac 0.12 30PSB 1.4 157CPS 26

628 = 4 PSBSPS 450

6’911 = 11 x PSLHC 7000

26’657 = 27/7 x SPS

LEIR

CPS

SPS

Booster

LINACS

LHC

3

45

6

7

8

12

Ions

protons

Beam 1

Beam 2

TI8

TI2

Pojacavanje energije je x10 to x20 pri svakom

prelazu iz manjeg u veci

prsten

LHC indzector compleks

Limit stored energy 8 power sectors.

~1 GJ/sectorSector = 2.9 km, 154 dipoles + 50 quads

LHC : 27 km dug~100m pod zemljom

Tunel Obim 3m, duzina 27 km

1 million tona iskopano

Snopovi Napravljen od vagaona

sabijenih protona 1.2-1.5x1011 protons/vagon 1404 (2808) maksimum

vagona u jednom snopu grumenje razmaknuto 50 (25) nano-sekundi 1 ns = 1 milijarditi deo

sekunde 50 ns razmak = 15 m

U tacki sudara (IP) Duzina vagona ~ 6 cm Precnik ~46 mm

Ucestalost sudara vagona 15.8 MHz (50 ns razmaka)

Neki podaci o LHC-u

Superprovodljivi magneti izazov: magnetno polje of 8.33

Tesla , ukupno 1232 magnets, svaki 15 m dug, na temperaturaturi at 1.9 K

Hladnije je nego u svemiru. Vise prazno nego u svemiru.

Najveci postrojenje ove vrste na svetu I u istoriji.

LHC magneti za 14 TeV: 1 dipole magnet Estored = 7 MJ

Svi magnet Estored = 10.4 GJ

U poredjenju sa prethodnim akceleratorima: 2 puta jaci magneti 7 puta visa energija snopa 200 puta veca skladistena

energija Dovoljno da istopi 12 tona bakra! Ekvivalentno kinetickoj energiji

A380 koji se krece 700 km/cas

Energija u LHC snopovima Kineticka energija 1 protonskog

vagona: E1 = (1.15 x 1011 protona) x 7 TeV =

129 kJ Kineticka energija snopa = 2808

vagona: Ebeam = k x E1 = 2808 x E1 = 362 MJ

• 90 kg of TNT

Stezanje snopova pre sudara

Primer jednog zabelezenog preseka “vagona”.Oko 50 sudara zabelezno u jednom preseku “vagona” protona

20SEP12

Sudaranje partona (kvarkovi & gluoni): qg, qq’, gg

Protons have substructure Parton distribution Functions (PDF)

Gluoni I kvarkovi (jednim imenom nazvani partoni) nose deo x protonovog impulsa: prema funkciji partonske distribucije (PDFs)

~ 1/5 clanova CMS

CMS cini ~4300 naucnika (sa 800 PhD studenata), inzinjeraI tehnicara iz 40 zemalja i 180 instituta

CMS3.8T Solenoid

ECAL76k scintillating PbWO4 crystals

HCALScintillator/brassInterleaved ~7k ch

• Pixels (100x150 mm2) ~ 1 m2 ~66M ch•Si Strips (80-180 mm) ~200 m2 ~9.6M ch

Pixels & Tracker

MUON BARREL250 Drift Tubes (DT) and480 Resistive Plate Chambers (RPC)

473 Cathode Strip Chambers (CSC)432 Resistive Plate Chambers (RPC)

MUON ENDCAPS

Ukupna tezina 14000 Precnik 15 mDuizina 28.7 m

IRON YOKE

YBO

YB1-2

YE

1-3

PreshowerSi Strips ~16 m2

~137k ch

Foward CalSteel + quartz Fibers 2~k ch

Podzemni Experimentalni Prostor

Krajem 2004

Supstanje delova CMS ~30 spratova

Lowering YE+1 (Jan’07)

CMS Detector kad je zadnji put bio otvoren (pred konacno sklapanje)

20SEP12

Kablovi, cevi, I opticka vlakna

Nov 2007

50,000 man hours

Ubacivanje najosetljivijih centralnih delova detektora

Tracking sistem200 m2 silikonskih

traka

Dec 2007

Endcap preShower (ES)

CMS spreman za zatvaranje

CMS skopljen i spreman za snopove

Compact Muon Solenoid

Kako se rekonstruise ono sto se desava pri sudarima?

20SEP12

CMS

Micro-Vertexing sa piksel detektorom

22 cm precnik

Light quark (u,d,s) jet

b,c,t jet

Prvi sudari, 30 mart 2009

Sudar

q q Quark-Antiquark Anihilacija

u

d

e+

W+

ne

Primer: poizvodnja W I raspad na positron i neutrino

“Feynam diagram” prostor-vreme

Primeri kreacije Z’s and fotona

20SEP12

CMS – jedna vrste kamere CMS je kao kamere sa 80 miliona piksela Naravno, nije svakidasnja kamera

It can take up to 40 million pictures per second The pictures are 3 dimensional And at 31 million pounds, it’s not very portable

The problem is that we cannot store all the pictures we can take so we have to choose the good ones fast!

Experimentalni Izazovi Sudari su cesti

Protonski vagoni u snopovima se ukrste ~ 16.5 puta u sekundi. Oko 20-30 pari protona se sudari pri svakom ukrstanju.

Interesantni sudari su retki- Nekad i do jedan od 10 milijardi

Kapacitet CMS eksperimenta je da belezi 400 dogadjaja u sekundi (maksimum)

Mora se odluciti brzo koji su dogadjaji interesantni Odluku donosi okidac (‘trigger’)

Prva analiza se desava hardverski (masinski) millioniti deo sekunde I privremeno cuva 100,000 slika od 16,500,000

Konacna analiza na okidacu je softverska (1000 kompjutera) ~ 0.1 second

Tako smo skupili 2 milijardi dogadjaja (slika sudara) od 500 trilionasudara koje je napravio LHC.

Results from 2010 and 2011 data

20SEP12

Some of the key SM background Processes

Fabulous understanding…so, onto the Higgs…

Potraga za Higs bozonom

20SEP12

LHC SM Higgs production

Tri procesa: Fuzija dva gluona je dominantan proces za sve hipoteze

mase Higs bozona (mH) Fuzija vektor bozona I zdruzena proizvodnja Higs+V

Production rate goes down with higher mass But backgrounds (“noise”) also go down so it gets easier in

many cases

H

Gluon fusion

Vector Boson fusion

H

s = 14 TeV

Dawson, Jackson, Reina, Wackeroth

t

t

t

Standard Model Higgs Raspad

SM Higs cestica nije stabilna Raspada se momentalno na veliki broj nacina sa odredjenom

verovatnocom. (zbir verovatnoca = 1). Verovatnoce se menjaju u zavisnosti od mase Higs bosona.

Neke raspade je lakse registrovati: elektrone, mions, ili footone

Kako bismo videli Higs bosonu detektoru ?

Simulacija

NB: These old plots correspond to ~50 times more sensitivity than we have now (20x more data, 2x the energy)!

20SEP12

CMS gg dogadjaj

20SEP12

Di-jet event with: • diphotonska masa 121.9 GeV• dijet masa 1460 GeV• jet pT: 288.8 and 189.1 GeV • jet η: -2.022 and 1.860

56

CMS gg dogadjajsa dva dzeta (jet)

H gg Izazovi

Veliki “background” Dva parava i/ili 1 lazan g

Real ’g s radiated off quarks

Neutral pion decaying to collimated pair of g’s

Trazimo malu devijaciju u raspodeli H gg Potrebna odlicna

rezolucija fotonske energije. Potrebno je odrediti

tacku u prostoru gde se raspao Higgs bolje od 1 cm (mnogo sutdara u jednom preseku)

Mγγ= √(2E1E2(1-cosα))

ATLAS koristi vise slojeva gde semeri putanja photona kraz kalorimetar.σ ~ 40 fb

A CMS ZZ* dogadjaj sa raspadom Z u mione.

.

Predavanje Dr. PredragaMilenovica – Otkrice Higgs Cestice (II) sutra,Nedelja 21.10. u 16 casova.

20SEP12

Analiza H gg

20SEP12

Potraga za uskom izbocinom (rezonancom) u raspodeli dvo-fotonske mase

2012 8 TeV

20SEP12

Untagged 0 Untagged 1 Untagged 2

Untagged 3 Dijet tag

61

7 TeV sudari: raspodela masedvo-fotonskog sistema

20SEP12

8 TeV sudari: raspodela masedvo-fotonskog sistema

Untagged 0 Untagged 1 Untagged 2

Untagged 3 Dijet tight Dijet loose

6220SEP12

S/B kombinovna distribucijadvo-fotonskog sistema,

sabrani podaci 7 i 8 TeV sudara

20SEP12

Da li je ovo Higsov bozon?Statisticka analiza

Gde je crna puna linija ispod plave linije, moguce ali ne veoma verovatno da SM Higs postoji na toj masi.

Gde je crna puna linija iznad plavve linije I iznad crvene isprekidane linije, e onda je to rezultat koji je iznad obicne pozadine(mada I dalje moze biti cista pozadina)

Ako je iznad zelene ili pogotovu iznad zute trake,onda je to merenje znacajno izad merenja same pozadine.

Trazimo SM Higs i pokusavamo da iskljucimo hipotezu njegovog postojanja sa 95% verovatnoce. (confidence level).

Ako Higs ne postoji Ocekujemo da ce

pozadina fluktuira i da lazno prikaze signal u manje od 1 puta u 20 studija , gde god je crna linija ispod crevene.

Ono sto izmerimo u detektoru se pokazuje kao puna crna linija.

Najveca devijacia na 125 GeV

6520SEP12

P-Values

Verovatnoca da background moze da fluktuira I da pokaze izmerenirezultat.

Global significance in the full search range (110-150 GeV) 3.2 σ66

20SEP12

Jacina teorijskog signala

Jacina izmerenog signala na 125 GeVje σ/σSM = 1.56±0.43 x SM, consistentnto sa SM.Sa vise podataka moci cemo preciznije da kazemo.Ako je rezultat ralicit od 1 onda ovo nije SM Higs.

Jacina signala je konsitentnau poredjnju rezultata iz svake kategorije.

6720SEP12

Kombinovani resultati (svi kanali)

20SEP12

Glavni kanali raspada Higzovog bozona (ako je Higs male mase (100-150 GeV) H gg H ZZ

Sa Zee or Z mm Ili jedan Z vv, Z tÌ, or Z qq

H WW Sa W ev or W mv

Resultati svih kanala raspada

20SEP12

Iskljucivanje hipoteze SM Higsa:

U nedostatku SM Higgs boson: 110 – 600 GeV at 95% CL 110 – 580 GeV at 99% CL110 – 520 GeV at 99.9% CL

70

20SEP12

Isklucivanje hipoteze SM Higsa

Merenje: 110 – 122.5 [...] 127 – 600 GeV at 95% CL, 110—112 .. 113 – 121.5 [...] 128 – 600 GeV at 99% CL

71

20SEP12

Isklucivanje poteze SM

Merenje: 110 – 122.5 .... 127 – 600 GeV at 95% CL

72

20SEP12

CMS Rezultati – svi kanali kombinovani - 2011

Expected exclusion 114.5 - 543 GeVObserved exclusion 127.5 - 600 GeV

ATLAS Rezultati – svi kanali kombinoviani - 2011

Iskljucena hipoteza95% CL: 110-117.5, 118.5-122.5, 129-539 Obs)95% CL: 120-555 GeV (Exp)

Nije iskljuceno:117.5-118.5, 122.5-129,>539 GeV

Iskljuceno sa 99% CL: 130-486 GeV (Obs)

20SEP12

Sta je ova devijacija na125 GeV

75

Visoki senzitivitet, kanali odlicne rezolucije: γγ+4l

γγ: 4.1 σ excess 4 leptons: 3.2 σ excess masa 125 GeV

Komb. stat. znacaj: 5.0 σ

Ocekivan znacaj SM Higgs:

4.7 σ 20SEP12

Sta je ova devijacija na125 GeV

Dodajmo WW kanal

Komb. stat. znacaj: 5.0σ

Ocekivano : 5.2 σ

76

20SEP12

Sta je ova devijacija na125 GeV

77

Svi kanali zajedno

Komb. stat. znacaj: 5.0σ

Ocekivan stat. znacaj SM Higgs:

4.7 σ 20SEP12

Resultati su konsistentni I mogu biti kombinovani

mX = 125.3 ± 0.6 GeV

: Masa pronadjene cestice

Kompatibilnost sa SM Higgs bozonom

Signal strength

Jacina izmerenog signala u svim kanalima zajedno u poredjenju sa SM Higs:

σ/σSM = 0.80±0.2279

Kompatibilnost izmerene cestice sa hipotezom SM Higgs boson

Jacine izmerenog signala u razlicitim kanalima se slazu Jacine signala iz razlicitih proizvodnih mehanizama se

takodje slazu 80

Zakljucak

20SEP12

Zakljucak

20SEP12

Zakljucak

20SEP12

Zakljucak

20SEP12

ZakljucakNa dva detektora je nezavisno otkrivena

nova bozonska cestica.Na CMS detektoru izmerena je nova

boznska cestica sa masom125.3 ± 0.6 GeV

i sa 4.9 s statistickim znacajem.

Ostaje da se sa dodatnim ekperimentalnimpodacima koje ocekujemo do kraja ove godine izmere vrednosti nove cestice

i da se vidi da li se to slaze sa Higsovom teorijom i Standardnim Modelom. 20SEP12

ZakljucakBez obzira da li je u pitanju Higs boson

ili neki drugi bozon, ovo je epohalno otkrice koje je samo

pocetak jedne nove epohe u oblasti elementarnih cestica

i razumevanju elementarnih sila u prirodi.

Djaci, studenti: Ako ste neodlucni sta biste studirali,

izucavali,sada je pravi trenutak da se okrenete fizici.U ovoj deceniji nas ocekuje jos dosta slicnih

uzbudljivih rezultata.20SEP12

Dodatak

Supersymmetry (SUSY)

20SEP12

Implications of SUSY: Unification

SUSY unifies the strengths of all forces at ~1016 GeV A.k.a.- the Grand Unified Theory (GUT) scale

ESC corr

ESC

E5x5

Photon Energy Scale and Resolution

ECAL cluster energies corrected using a MC trained multivariate regression Improves resolution and restores flat response of energy scale versus pileup

Inputs: Raw cluster energies and positions, lateral and longitudinal shower shape variables, local shower positions w.r.t. crystal geometry, pileup estimators

Regression also used to provide a per photon energy resolution estimate

To measure the Energy Scale and resolution: use Z®e+e-

Both EB |h|<1highR9Effect of the

regression on the Z->ee peak

20SEP12

Identifkacija fotona Photon pre-selection:

ETγ1/mγγ>3, ETγ2/mγγ>4 Photon Id a bit tighter than trigger selection and MC EM enrichment filters

Efficiency measured using tag and probe with Z®ee Electron veto: Efficiency measured using tag and probe with Z®mmg

MVA based photon ID discriminates photons from fakes: Inputs: isolation, shower shape, per event energy density, pseudorapidity

Validation with Z®ee (inverted electron veto)

20SEP12

The gg Vertex Choice Mass reconstruction

Depends on the correct position of the primary vertex

Interaction vertex is identified using tracks from recoiling jets and underlying event plus conversions correct in ~83% of cases for pileup in 2011 sample. correct in ~80% of cases for pileup in 2012 sample.

Vertex identification with a BDT Input variables: Σpt

2, Σpt projected onto the γγ transverse direction, pt asymmetry and conversions

Correct vertex finding probability also estimated using a BDT

Efficiency to

identify correct vertex

Data-MC efficiency for Z->μμ

After removing

the μ tracks

20SEP12

Kategorizacija dogadja - MVA Diphoton MVA trained on signal and background MC with input variables largely independent

of mgg

Kinematics: pT and h of each photon, and cosDf between the 2 photons

Photon ID MVA output for each photon per-event mass resolution and vertex probability

Encode all relevant information on signal vs background discrimination (aside from mgg itself) into a single di-photon MVA output to first order independent of mgg

Residual data-MC disagreement For BG only make analysis sub-optimal For signal would cause some category migration included in the systematic errors

Cat

0C

at 1

C

at 2

Cat

3

Cat

0C

at 1

C

at 2

Cat

3

20SEP12

Analysis improvements in 2012: Split di-jet tagged events in two categories based on Mjj and jet pT

~15% improvement in sensitivity for dijet category better sensitivity to separate different Higgs production modes

Removal of jets from pileup events Based on the jet shape variables, tracks in jet and vertexing Cross-checked using Z+jet and γ+jet events

Di-jet Tagging: Selection

Dijet selection cuts

95

Event yields in different production times decay modes are self-consistent albeit many modes

have not yet reached sensitivity to distinguish SM from Background

Compatibility with SM Higgs boson event yields in different modes (1)

96

Compatibility with SM Higgs boson

custodial symmetryThe measurement of the HWW/H ZZ ratio is mostly driven by the ratio of the Higgs couplings to WW and ZZ, which is protected by custodial symmetry

Combination of “inclusive” WW and ZZ yields gives

R WW/ZZ = 0.9 +1.1

-0.6

Fit to CV and CF

Group the Higgs couplings into “Vectorial” and “Fermionic” sets.

Attach a modifier to the SM prediction to each of those (CV and CF).

Use LO theoretical prediction for loop-induced H → γγ, H → gg couplings.

In agreement with the SM within the 95% confidence range

Need more data!

solid contour: 68% CLdashed contour:

95% CL