Transcript wyklad9-Higgs-SUSY.ppt

Bozon Higgsa
oraz SUSY
 Bozon Higgsa
 Poszukiwania bozonu Higgsa w LEP i Tevatronie
- otrzymane ograniczenia na masę H
 Plany poszukiwań w LHC
 Supersymetria (SUSY)
 Zagadkowe wyniki CDF
D. Kiełczewska, wykład 9
Masy cząstek – cząstki Higgsa
PROBLEM:
Teoria przewiduje zerowe masy dla bozonów cechowania. Nie jest to
problem dla QED i QCD bo foton i gluon mają zerowe masy, ale jest
to poważny problem dla bozonów: W i Z.
Możliwe rozwiązanie problemu:
wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cząstek Higgsa
o spinie=0. Stowarzyszone z cząstką pole Higgsa nadaje innym
cząstkom masy przez oddziaływanie z nimi.
D. Kiełczewska, wykład 9
Sukcesy unifikacji elektro-slabej
(z wykładu 7)
Mając bardzo precyzyjne pomiary masy W i Z można było
wyznaczyć masę kwarka t przed jego wykryciem z pomiaru
   e      e
przekroju czynnego na:
oraz uwzględniając poprawki wyższych rzędów:

W
b

t
W
e

e

Ale okazuje się,
że potrzebna
jest jeszcze
jakaś cząstka,
żeby uzyskać
zgodność z
danymi:
z bezpośrednich pomiarów

W
H0
W
W
mt  170  30 GeV
mt = 171, 2 ± 2,1 GeV

e
D. Kiełczewska, wykład 7
e
3
Masy cząstek – cząstki Higgsa
Możliwe rozwiązanie problemu:
wprowadzenie dodatkowych bozonów – neutralnych cząstek Higgsa
o spinie=0. Stowarzyszone z cząstką pole Higgsa nadaje innym
cząstkom masy przez oddziaływanie z nimi.
f
H0
H
f
0
W
H
0
W
D. Kiełczewska, wykład 9
Z0
Z0
Stałe
sprzężenia:
g Hxx
mx
Mechanizm Higgsa
Wyobraźmy sobie salę bankietową równomiernie wypełnioną ludźmi
(pole Higgsa):
D. Kiełczewska, wykład 9
Mechanizm Higgsa
Pojawia się sławny naukowiec (bozon cechowania, np. W) przyciągając
uwagę zebranych
D. Kiełczewska, wykład 9
Mechanizm Higgsa
Ludzie cisnący się wokół naukowca utrudniają mu poruszanie się
(nadają mu masę)
D. Kiełczewska, wykład 9
Mechanizm Higgsa
Ludzie na bankiecie mogą też spontanicznie tworzyć zgęszczenia
(bozon Higgsa)
D. Kiełczewska, wykład 9
Mechanizm Higgsa c.d.
Mechanizm Higgsa: cząstki Higgsa H o spinie 0 wypełniają próżnię.
Gdy jakaś cząstka napotyka na H zmienia swoją skrętność
np. LHRH. W ten sposób cząstki stają się masowe. Im częściej
oddziałują z H, tym większa masa.
Np. fotony są bezmasowe, bo
nie oddziałują z bozonem H.
bezmasowe neutrina
neutrina masowe
D. Kiełczewska, wykład 9
Poszukiwanie cząstek Higgsa
Problem: nie zaobserwowano dotąd cząstki Higgsa
Wskazówka dla eksperymentów:
Najsilniejsze sprzężenia
mx
do kwarka t i bozonów W i Z.
Trzeba mieć dosyc energii, żeby wyprodukować te cząstki.
g Hxx
Dotychczasowe poszukiwania - LEP, Tevatron
e
Z
e
0
H 0  bb ,  ....
Z 0  qq , ll
Najwyższa energia
osiągnięta:
w LEP:
e+ e-
w Tevatronie:
D. Kiełczewska, wykład 9
s = 210 GeV
pp
s = 1.96 TeV
Poszukiwania Higgsa w LEP
+ -
e e ® H + Z ® bb + X
0
D. Kiełczewska, wykład 9
Poszukiwania Higgsa w LEP
e+ e- ® H + Z 0
H ® bb (2 quark jet
Sygnał ???
Tylko ~2 
LEP wyłączono, żeby dalsze
poszukiwania robić w LHC.
mH  114, 4 GeV, cl=95%
PDG 2006
D. Kiełczewska, wykład 9
Ograniczenia na masę Higgsa (SM)
Wiele wielkości fizycznych
mierzonych precyzyjnie w LEP
wg. teorii zależy od procesów
wyższych rzędów z wirtualną
wymianą m.in. bozonu Higgsa.
H
Z /W
Z /W
Porównując pomiary
z obliczeniami
2
metodą np.
uzyskujemy informacje o masie Higgsa.
Łączna analiza wielu pomiarów daje
konsystentne wyniki:

mH  8942
30 GeV
D. Kiełczewska, wykład 9
mH  175 GeV @ 95% c.l.
Poszukiwanie cząstki Higgsa
w Tevatronie (Fermilab)
Tevatron:
p + p
1 TeV + 1 TeV
Przekrój czynny na produkcję Higgsa
silnie maleje z masą H:
(obliczony wg Modelu Standardowego)
Rozpady
Higgsa:
D. Kiełczewska, wykład 9
Poszukiwanie Higgsa w Tevatronie
Problem: jeśli masa H jest <140 GeV to dominuje
rozpad: H ® b + b
Ale para b + b może powstać w wyniku wielu
innych bardziej prawdopodobnych procesów („tło”).
Kolejne ploty otrzymane
po „cięciach”
wybierających pożądane
cechy przypadków czyli
zmniejszających tło
względem sygnału.
sygnał x10
(wg. MS)
D. Kiełczewska, wykład 9
PDG2009:
m(H0) >114 GeV
c.l.=95%
Produkcja cząstek Higgsa w LHC
p  p  H0  X
s  2  7 TeV
q
q
g
t
q
H0
g
q
D. Kiełczewska, wykład 9
Poszukiwanie Higgsa (SM) w LHC
Względne prawdop. kanałów rozpadu H
D. Kiełczewska, wykład 9
Rozpady cząstek Higgsa
1) Jeśli mH  2M W
Dominujący rozpad: H 0  b  b
Jednak podobne dżety kwarkowe będą
produkowane głównie w oddz. silnych i
rozpad H zginąłby w tle. Okazuje się,
że łatwiej szukać rozpadów:

W
H
H0   ,
W
0
W
B

t

t
H0
D. Kiełczewska, wykład 9
103
t

Poszukiwanie cząstek Higgsa w LHC
2) Jeśli
mH  2 M Z
to stosunki rozgałęzień na rozpady na W i Z stają się dostatecznie duże,
żeby skorzystać z łatwiejszej separacji od tła leptonów niż hadronów.
W
H0
W   l  
niewidoczne
W
Z 0  l l 
l  e, 
H0
masa niezmiennicza 4 leptonów
D. Kiełczewska, wykład 9
Z 0  l l 
ale małe prawd. rozpadu
D. Kiełczewska, wykład 9
Higgs w
detektorze
CMS
Symulacja
działania
detektora
CMS dla
zdarzenia:
H  Z 0Z 0
 
D. Kiełczewska, wykład 9
Poszukiwanie cząstek Higgsa
w LHC
Powyżej rozważaliśmy tylko cząstkę Higgsa H0
przewidzianą w Modelu Standardowym.
Natomiast
w modelach supersymetrycznych
przewidywanych jest więcej cząstek Higgsa.
Stan LHC:
od III 2010 zbiera dane przy energiach 2*3.5 TeV
D. Kiełczewska, wykład 9
Supersymetria (SUSY)
Podstawowa symetria:
 każdy fermion ma supersymetrycznego partnera bozonowego
 każdy bozon ma supersymetrycznego partnera fermionowego
• Symetria zakłada te same masy, ładunki i te same sprzężenia
dla supersymetrycznych partnerów.
• Fakt, że dotychczas nie znaleziono żadnego supersymetrycznego
partnera zwykłych czastek świadczy o tym, że symetria jest
łamana przy niedostatecznie dużych energiach.
• Masy cząstek SUSY >100 GeV
D. Kiełczewska, wykład 9
Cząstki SUSY
cząstki SM
Spin = 1/2
Spin = 1
Spin = 0
kwark q
lepton l
W
Z
foton
gluon
W
Z

g
0
H
higgs
H
R
partnerzy SUSY
R
1
skwark q
-1
slepton l
-1
1
Spin = 0
wino W
1
1
R   1
Spin = 1/2
Spin = 1/2
zino Z
fotino 
gluino g
0
H
higgsino
H
-1
-1
2 s 3( B  L ) s- spin, L- liczba leptonowa,
D. Kiełczewska, wykład 9
B-liczba barionowa
Po co SUSY? - problem hierarchii
Wielkie unifikacje
cząstki o wielkich masach
nieskończone poprawki radiacyjne
Ale poprawki od pętli fermionowych i bozonowych mają przeciwne
znaki, czyli symetria SUSY prowadzi do skasowania poprawek
Np. masa Higgsa:
top
stop
Pod warunkiem, że
D. Kiełczewska, wykład 9
Nowa liczba kwantowa – parzystość R
 Wszystkie „stare” cząstki mają R=+1
 Cząstki SUSY mają R=-1
 Iloczyn R jest zachowany
Tzn. cząstki SUSY muszą być produkowane tylko parami:
A  B C  D
R  1  1 -1 -1
Czyli najlżejsza cząstka SUSY (LSP) powinna być stabilna
BA  B
R  1 +1 +1
LSP jest kandydatem na cząstkę Ciemnej Materii
D. Kiełczewska, wykład 9
Najlżejsza cząstka SUSY - LSP
Jeśli LSP jest cząstką Ciemnej Materii to:
 LSP pozostały z Wielkiego Wybuchu i wypełniają Wszechświat
 Oddziałują tylko grawitacyjnie, bo inaczej już by zostały
zaobserwowane. Są więc neutralne.
Nie mogą znikać w oddz. z normalną materią, bo zabrania im
zachowanie parzystości R.
 Kandydaci: grawitino oraz neutralino (mieszanka fotina, zina i
higgsina)
0
Bardzo trudne do wykrycia!
D. Kiełczewska, wykład 9
Detekcja cząstek SUSY
Główna cecha przypadków z udziałem cząstek SUSY to duży
niezbilansowany pęd poprzeczny, bo zawsze na końcu muszą
powstawać jakieś LSP, które są ciężkie, neutralne i nie rozpadają się.
LEP
LHC
q
q
nie znaleziono cząstek SUSY
- wyznaczono ograniczenia
na ich masy
D. Kiełczewska, wykład 9
poszukiwania właśnie się
rozpoczęły
Grawitino w LHC?
Załóżmy, że grawitino jest najlżejszą cząstką SUSY:
G  LSP
np. o masie 10 GeV
Wtedy cząstka SUSY najlżejsza z pozostałych, np. stau
rozpadałby się:
  G 
z bardzo długim czasem życia, bo sprzężenie grawitacyjne b. małe
Czas mógłby być rzędu godzin, lat......
Czyli będzie szukany  czyli naładowana cząstka, o dużej masie,
wychodząca z wielkich detektorów LHC
D. Kiełczewska, wykład 9
Rozpad protonu w SUSY
Zachowanie parzystości
R   1
2 s 3( B  L )
wymaga tylko zachowania B-L czyli możliwy rozpad
z niezachowaniem oddzielnie B i L :
p  K  
Model SU(5) SUSY przewiduje dla tego rozpadu:
  1032 lat
Podczas gdy doświadczalnie stwierdzono: 
33

2

10
lat
(gdzie B to stosunek rozgałęzień dla tego rozpadu) B
model SU(5) SUSY wykluczony
Problem rozpadu protonu stał się problemem doświadczalnym
- teoretycznie możliwy jest b. szeroki zakres parametrów.
D. Kiełczewska, wykład 9
Zagadkowy wynik CDF
Badanie di-bozonów WW, WZ0
arXiv:1104.0699
D. Kiełczewska, wykład 9
Zagadkowy wynik CDF
masa niezmiennicza 2 dżetów
masa niezmiennicza 2 dżetów
a) „excess significant at 3.2 s.d”
b) „the cross section of the observed excess is not compatible with SM
WH production with H ® bb ”
nonSM Higgs???
D. Kiełczewska, wykład 9
np. arXiv:1104.5209
Podsumowanie
 Symetrie cechowania w Modelu Standardowym narzucają
przenoszenie oddziaływań przez „bozony cechowania”
 Ale z obserwacji wiemy, że bozony oddz. słabych mają wbrew
symetrii bardzo różne masy
 Aby nadać im masy zaproponowano mechanizm Higgsa
 W dotychczasowych eksperymentach nie znaleziono cząstki
Higgsa - nadzieja w LHC
 Teoria SUSY (Supersymetrii) przewiduje wiele nowych
cząstek o masach od 100 do 1000 GeV - nadzieja w LHC
D. Kiełczewska, wykład 9