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
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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)
CERN – European Centre for Nuclear Research
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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.
CERN – European Centre for Nuclear Research
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.
CERN – European Centre for Nuclear Research
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
CERN – European Centre for Nuclear Research
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Para ser observadas por los “ojos” más complejos jamás
construidos,
CERN – European Centre for Nuclear Research
Los detectores cuentan con 140 millones de canales de datos recibiendo información 40 millones de veces por segundo
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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Los detectores envian datos a un ritmo de 700 MB/sec.
Esto es ~30,000 Enciclopedias Britannicas cada segundo!
CERN – European Centre for Nuclear Research
…y analizados por el sistema de computación más potente del
mundo
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
11
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 13
Partículas Elementales de Materia
Bosón de Higgs en LHC del CERN 15
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 16
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/
Interacciones fundamentales
Bosón de Higgs en LHC del CERN 17
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/
Interacciones fundamentales
Bosón de Higgs en LHC del CERN 18
Partículas Mediadoras de Interacciónn
• Fotón () Int. Electromagnética
• Gluón (g) Int. Nuclear Fuerte
• W (W+ y W) y Z Int. Nuclear
Débil
• Gravitón Int. Gravitatoria
Bosón de Higgs en LHC del CERN 19
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……
Bosón de Higgs en LHC del CERN 20
Simetrías … presenta un problema con la masa de las partículas…
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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E = mc2
E kT
Partículas sin masa
Partículas masivas
13.7 billion years
Unificación de interacciones
Bosón de Higgs en LHC del CERN 22
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 23
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 24
Tras Big Bang
campo Higgs (spinor complejo – 4 componentes reales) : H0, H+, H- , h
bosones de interaccion, con masa nula: W1, W2, W3, B
W1 y W2 se combinan con H+, H- , adquiriendo masa W+ , W-
Cartoon by Flip Tanedo
Mecanismo de Higgs . Bosones
Bosón de Higgs en LHC del CERN 25
Tras Big Bang
campo Higgs (spinor complejo – 4 componentes reales) : H0, H+, H- , h
bosones de interaccion, con masa nula: W1, W2, W3, B
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)
Cartoon by Flip Tanedo
Mecanismo de Higgs . Bosones
Bosón de Higgs en LHC del CERN 26
Tras Big Bang
campo Higgs (spinor complejo – 4 componentes reales) : H0, H+, H- , h
bosones de interaccion, con masa nula: W1, W2, W3, B
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 interacción del resto de las partículas
(fermiones) con el campo creado por este
Higgs les confiere masa.
Cartoon by Flip Tanedo
Mecanismo de Higgs . Bosones
Bosón de Higgs en LHC del CERN 27
Mecanismo de Higgs . Fermiones
Bosón de Higgs en LHC del CERN 28
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 29
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 30
100 m
Haz de partículas, Eh’ Haz de partículas, Eh
C. Vander Velde
Colisiones de partículas de alta energía: E=mc2
Bosón de Higgs en LHC del CERN 31
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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Bosón de Higgs en LHC del CERN
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, …)
Bosón de Higgs en LHC del CERN 41
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).
Bosón de Higgs en LHC del CERN 43
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 45
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 49
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 50
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
51
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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
Excelente funcionamiento del LHC
Bosón de Higgs en LHC del CERN 62
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
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 65
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 66
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
Bosón de Higgs en LHC del CERN 67
Bosón de Higgs en LHC del CERN 68
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-
-
+
Bosón de Higgs en LHC del CERN 69
u, d, s c b
Procesos de fondo
H ZZ 4 l (l = e, )
Gráfico de frecuencias de masa reconstruida de 2 muones: m
Bosón de Higgs en LHC del CERN 70
u, d, s c b
Procesos de fondo
H ZZ 4 l (l = e, )
Gráfico de frecuencias de masa reconstruida de 2 muones: m
• 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, )
Bosón de Higgs en LHC del CERN 73
Bosón de Higgs en LHC del CERN
Procedimiento similar para H
Reconstruimos masa invariante del sistema de 2 fotones: m
H
74
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?
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